白水水庫工程溢流壩段底流消能試驗(yàn)研究

邢建營，杜嘉宇，王均星，李 雙,

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003；2. 中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

在水利水電樞紐工程中，泄水建筑物是宣泄上游超過調(diào)蓄或承受能力的洪水以及泄放存水的水工建筑物，是保障水庫安全和充分發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵[1],其造價(jià)大約占總工程造價(jià)的40%～50%，故合理選擇泄水建筑物及消能工型式，是關(guān)系到整個(gè)水利水電樞紐工程安全性與經(jīng)濟(jì)性的重要因素。

關(guān)于泄水建筑物和消能工體型對相關(guān)水力特性的影響，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究，取得了可觀的成果。陸楊等[2]提出一種加設(shè)防挑蓋板的T形墩消力池，在原方案基礎(chǔ)上對T形墩支腿長度、墩形進(jìn)行優(yōu)化，提高了消能效率。馮亦佳等[3]發(fā)現(xiàn)布置T形墩且適當(dāng)加高尾坎的方案能有效提高消力池消能率。王智娟等[4]對跌坎式底流消力池進(jìn)行了分析研究，比較了跌坎高度、消力池深度等對跌坎式底流消力池水流結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)選了水力特征量相對較好的跌坎式消力池結(jié)構(gòu)布置型式。

白水水庫工程采用溢流表孔堰作為泄水建筑物，經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，原設(shè)計(jì)消力池長度較小，消力池內(nèi)水流流態(tài)差，不能滿足正常運(yùn)行要求，但下游受河道平直段較短及施工圍堰、導(dǎo)流隧洞布置等因素影響，無法加長消力池，故擬采用在消力池內(nèi)設(shè)置輔助消能工的方式來改善消力池消能效果。

本文針對白水水庫溢流壩底流消力池原設(shè)計(jì)方案和跌坎+傳統(tǒng)T形墩聯(lián)合消能、跌坎+改良T形墩聯(lián)合消能兩種優(yōu)化方案進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，對比分析了3種特征工況下的流態(tài)、流速和消能率，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

1 工程概況

白水水庫位于北盤江右岸一級支流西泌河的上游段白水河上，正常蓄水位1 246.40 m，總庫容1 353 萬m3，多年平均總供水量為1 351.9 萬m3。大壩為碾壓混凝土重力壩，主要水工建筑物由擋水壩段、溢流壩段和引水壩段組成，壩頂高程1 248.00 m，壩頂長190 m，壩頂寬度5 m，最低建基面高程為1 198.00 m，最大壩高50.0 m。堰面下接貼坡式消力池，消力池規(guī)模為53.0×12.5 m(長×寬)，底板高程為1 198.00 m，兩側(cè)邊墻坡度為1：0.4，消力池末端布置垂直高為7.5 m，寬為2 m的尾坎。白水水庫溢流壩為中水頭泄水建筑物，采用底流消力池消能，臨底流速大，消能防沖問題突出。下游河道平直段較短，消力池后布置有導(dǎo)流隧洞出口，且施工圍堰靠近消力池，無法加長消力池以滿足設(shè)計(jì)要求。溢流壩平面布置圖和剖面圖見圖1。

圖1 溢流壩平面布置圖和剖面圖(單位：m)Fig.1 Layout and profile of the overflow dam

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型采用比尺為1∶30的水工整體正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則[5]設(shè)計(jì)，參數(shù)比尺見表1。

表1 模型比尺Tab.1 Model scales

為保證來流及下游出流與原型的相似性，上游模擬范圍為壩軸線上游100 m處，下游模擬范圍為壩軸線下游140 m處。模型上游庫區(qū)和下游河道采用斷面板法制作，水泥砂漿抹面。溢流壩采用有機(jī)玻璃制作，消力池采用混凝土制作，水泥砂漿抹面。

本文分別對消能防沖、設(shè)計(jì)和校核3個(gè)特征工況進(jìn)行了試驗(yàn)研究(消能防沖工況為閘門局開控泄)，消能防沖工況為常遇工況，該工況下水力特性對工程正常運(yùn)行有重要意義，設(shè)計(jì)和校核工況為大流量工況，關(guān)系著工程的安全與穩(wěn)定問題。試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions

本文重點(diǎn)研究溢流壩段底流消力池消能防沖問題，為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量及分析，從溢流壩段溢流面底部開始，在消力池段布置9個(gè)測量斷面(見圖1)。

2.2 流 態(tài)

3個(gè)特征工況下，下泄水流在消力池內(nèi)均形成淹沒水躍，水躍躍前基本處于同一斷面。消能防沖工況下，由于消力池為梯形消力池，水流進(jìn)入消力池后出現(xiàn)側(cè)向回流，在距尾坎3 m左右，主流開始上揚(yáng)，產(chǎn)生明顯的橫軸旋滾，旋滾產(chǎn)生的回流涌向上游與消力池前部水躍銜接，部分主流形成較大的涌浪，涌向消力池兩側(cè)的1 210 m高程平臺。由于尾坎處水面壅高較大，水流在尾坎后形成跌水，沖刷下游河道，并在尾坎下游壩下0+090.80 m至壩下0+121.80 m斷面之間(尾坎下游0～31 m)間出現(xiàn)二次水躍。設(shè)計(jì)洪水工況和校核洪水工況下，水流在消力池尾部產(chǎn)生的涌浪較消能防沖工況更高，水流紊動更為劇烈，消力池內(nèi)流態(tài)紊亂，出池流速仍保持較大值，二次水躍現(xiàn)象明顯。原方案消能防沖工況消力池流態(tài)見圖2。

2.3 消力池內(nèi)流速分布

流速是衡量水體動能的重要指標(biāo)，對溢流壩消力池流速進(jìn)行量測，在消力池內(nèi)的9個(gè)測量斷面分別測量左岸、中間和右岸的表面和底部流速。

消能防沖工況下，對于表面流速，消力池內(nèi)前8個(gè)斷面表現(xiàn)為明顯回流，流速大小為負(fù)值，9號斷面(0+088.80 m)表面流速為正方向，消力池內(nèi)表面流速表現(xiàn)為先減小再增大為正值。2號斷面(0+047.30 m)流速最大，為6～7 m/s，8號斷面(0+084.50 m)流速最小，消力池尾部流速呈快速上升趨勢，出池流速在5～7 m/s。橫向上左岸流速相對較大，右岸和中間流速變化比較平穩(wěn)。對于底部流速，在消力池內(nèi)流速逐漸下降，在消力池尾部受尾坎阻擋影響，流速下降幅度較大。橫向上流速差距不大，消力池后半段右岸底部流速較左岸和中間流速大。出池底部流速較小，保持在2～3.5 m/s左右。

設(shè)計(jì)工況下，對于表面流速，流速變化趨勢與消能防沖工況一致，1～8號斷面(0+041.10 m～0+084.50 m)表現(xiàn)為回流，9號斷面(0+088.80 m)表面流速為正方向，中間和左岸流速較右岸流速大，2號斷面(0+047.30 m)流速最大。對于底部流速，橫向上左岸、中間和右岸流速下降速度一致，在消力池尾部流速下降幅度增大。消力池尾部表面流速在5～6 m/s，而其底部流速保持在2～3 m/s，說明出池水流能量主要集中在表層。

校核工況下，對于表面流速，流速變化趨勢與消能防沖工況和設(shè)計(jì)工況一致，1～8號斷面表現(xiàn)為回流，9號斷面(0+088.80 m)表面流速變?yōu)檎担蟀读魉佥^中間和右岸流速大，2號斷面(0+047.30 m)流速最大，為4.5～7 m/s，消力池尾部流速上升較快，出池流速為5.7 m/s左右。對于底部流速，橫向上左岸底部流速較中間和右岸流速小，流速下降趨勢基本一致，在消力池尾部受尾坎阻擋影響，流速降幅較大。消力池最大流速在1號斷面(0+041.10 m)附近，為20～23 m/s，最小流速在9號斷面(0+088.80 m)附近，大小為1.5 m/s。

圖3 原設(shè)計(jì)方案各工況消力池表面、底部流速分布(負(fù)值表示回流流速)Fig.3 The bottom and surface velocity distribution of original program(negative means reflux velocity)

原設(shè)計(jì)方案中各試驗(yàn)工況下消力池中均發(fā)生了強(qiáng)烈的水躍現(xiàn)象，消力池中流態(tài)紊亂，并有部分水流形成涌浪躍起至消力池兩側(cè)1 210 m高程平臺，由于尾坎處水面壅高較大，水流在出池后形成二次水躍，會嚴(yán)重沖刷下游河道，對本樞紐工程結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不良影響。

3 跌坎+T形墩

3.1 體型設(shè)計(jì)

堰面下游選用水平跌坎(坎高2.0 m)過渡至消力池，消力池底板高程降為1 196 m，消力池末端尾坎降低1 m，高8.5 m。

T形墩的作用是阻流和分流，并使側(cè)流形成渦流，以增大池內(nèi)漩滾水體體積，形成穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍，并使消力池末端流速分布均勻形成二次水躍提高消力池消能率[6]。傳統(tǒng)T形墩結(jié)構(gòu)尺寸選用前墩厚∶前墩高∶前墩寬∶尾坎高∶支腿長=2∶3∶4∶5∶6，在特定的工程設(shè)計(jì)中，只要選定合理的比例系數(shù)k，就可以方便地確定T形墩各部尺寸，在本工程中，根據(jù)尾坎高8.5 m，確定k值為1.7，據(jù)傳統(tǒng)T形墩的尺寸要求，僅能設(shè)計(jì)一個(gè)T形墩，如圖4所示。

3.2 流 態(tài)

采用跌坎消力池+T形墩的優(yōu)化方案后，消能防沖工況下，水流在消力池中后部受T形墩阻擋并上揚(yáng)，產(chǎn)生紊動劇烈的強(qiáng)制水躍，通過水流的橫軸旋滾消泄大量水能，消能效果較顯著(圖5)。但傳統(tǒng)T形墩應(yīng)用于本工程中時(shí)僅能設(shè)計(jì)一個(gè)T形墩，無法充分發(fā)揮T形墩分流消能的作用，水流受單個(gè)T形墩阻擋后仍會形成較高涌浪涌出消力池，最高時(shí)涌浪高出消力池兩側(cè)1 210 m高程平臺約3 m，消力池內(nèi)水流的不良流態(tài)仍未得到較大改善。受加設(shè)T形墩的影響，水流在尾坎處的壅高明顯降低，尾坎后水流的跌水現(xiàn)象明顯減弱，跌水后在下游亦產(chǎn)生二次水躍，但與下游水流的銜接更加平穩(wěn)。設(shè)計(jì)工況和校核工況下消力池內(nèi)水流紊動更為劇烈?？傮w而言，傳統(tǒng)T形墩在本工程中無法充分發(fā)揮其分流、消能的作用，消力池內(nèi)水流流態(tài)未得到明顯改善。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一T形墩設(shè)計(jì)Fig.4 T-type baffle design of optimized design program 1

圖5 優(yōu)化方案一消能防沖工況消力池流態(tài)Fig.5 Flow pattern of stilling basin under the condition of energy dissipation and scour prevention in the optimized design program 1

3.3 消力池內(nèi)流速分布

對于表面流速，在消能防沖工況、設(shè)計(jì)洪水工況、校核洪水工況3個(gè)特征工況下，1～7號斷面表面流速受T形墩的阻擋表現(xiàn)為回流，流速方向向上游，除回流斷面提前至T形墩前墩以外，表面流速分布規(guī)律基本同原設(shè)計(jì)方案一致，呈先減小再增大至正值的趨勢，橫向上左岸和中間流速略大于右岸流速，出池流速在5～7 m/s。

對于底部流速，在3個(gè)特征工況下，流速變化規(guī)律與原設(shè)計(jì)方案一致，呈逐漸減小趨勢。在7～8斷面(0+078.30 m～0+084.50 m)受T形墩阻擋，流速下降幅度較大。最大底部流速達(dá)到21.35 m/s，位于1號斷面(0+041.10 m)，消力池尾部底部流速達(dá)到最小，基本保持在0.5～2.5 m/s(圖6)。

相較于原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案一下消力池內(nèi)流速下降，消力池后二次水躍減弱，說明加設(shè)跌坎和T形墩后消力池內(nèi)消能更為充分。但單個(gè)T形墩阻擋水流后形成的涌浪過高，消力池內(nèi)水流流態(tài)不良，T形墩的作用未得到完全發(fā)揮。根據(jù)優(yōu)化方案一試驗(yàn)結(jié)果可見，在本工程的中高水頭、大流速的底流消力池中，消力池寬度小，深度大，寬深比小，僅能布設(shè)1個(gè)傳統(tǒng)T形墩，相較于消力池寬度較大的低水頭閘壩工程，傳統(tǒng)T形墩難以發(fā)揮其分流消能效果，消力池內(nèi)水流流態(tài)未得到較大改善，尚需對輔助消能工進(jìn)行優(yōu)化改良。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一各工況消力池表面、底部流速分布(負(fù)值表示回流流速)Fig.6 The bottom and surface velocity distribution of optimized design program 1(negative means reflux velocity)

4 跌坎+改良T形墩

4.1 體型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)T形墩結(jié)構(gòu)尺寸選用前墩厚∶前墩高∶前墩寬∶尾坎高∶支腿長=2∶3∶4∶5∶6，本工程受消力池底板寬度所限，消力池寬與尾坎高度比值過小，僅能設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)T形墩，難以發(fā)揮T形墩的分流消能效果，在以上因素限制下，以消力池底板寬度為設(shè)計(jì)依據(jù)，本文提出一種改良T形墩來保證T形墩的正常工作，根據(jù)消力池底板寬度12.5 m，設(shè)置兩個(gè)T形墩，T形墩前墩寬2.5 m，除墩寬外T形墩長度和高度保持與傳統(tǒng)T形墩一致，前墩厚∶前墩高∶前墩寬∶尾坎高∶支腿長=3∶4.2∶2.5∶8.5∶9。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的改良T形墩設(shè)計(jì)如圖7。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二改良T形墩設(shè)計(jì)Fig.7 Modified T-type baffle design of optimized design program 2

4.2 流 態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種工況下流態(tài)特征表現(xiàn)出相似的水力特性：下泄水流在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，水躍旋滾覆蓋了收縮斷面，水躍躍前均處于0+041.10 m斷面(溢流壩反弧段末)。水流進(jìn)入梯形消力池后發(fā)生側(cè)向回流，主流在消力池中后部受到T形墩阻擋并上揚(yáng)，形成紊動強(qiáng)度很高的強(qiáng)制水躍，水流橫軸旋滾現(xiàn)象明顯，使池內(nèi)強(qiáng)烈摻氣，T形墩分流和消能作用顯著。相較于原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案一，消能防沖工況下消力池內(nèi)水流較大流量工況平穩(wěn)，水流在消力池內(nèi)相互摻混，消能效果顯著，在T形墩和尾坎處壅高較小。設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下由于下泄流量較大，水面線較小流量工況高，消力池內(nèi)水流紊動劇烈，消能充分，其中校核洪水工況下偶爾有少量涌浪躍起至消力池兩側(cè)1 210 m高程平臺。兩大流量工況下由于尾坎處水面壅高較大，水流在尾坎后形成二次跌落消能，部分水體在尾坎后產(chǎn)生反向底滾并與河床剪切消能。3個(gè)特征工況下水流流態(tài)呈穩(wěn)定淹沒混合流[7]，池內(nèi)旋滾和涌浪上游面旋滾混合，并在尾坎后0+090.80 m至0+121.80 m斷面之間(尾坎下游0～31 m)間產(chǎn)生微弱二次水躍，波浪小，對河床的沖刷輕微?？梢姼牧己骉形墩的分流消能作用更為顯著，在本工程中相較于傳統(tǒng)T形墩能起到更好的消能作用。

圖8 優(yōu)化方案二消能防沖工況消力池流態(tài)Fig.8 Flow pattern of stilling basin under the condition of energy dissipation and scour prevention in the optimized design program 2

4.3 消力池內(nèi)流速分布

對于表面流速，在消能防沖工況、設(shè)計(jì)洪水工況、校核洪水工況3個(gè)特征工況下，1～7號斷面(0+041.10 m～0+078.30 m)表面流速受T形墩的阻擋表現(xiàn)為回流，流速方向向上游，回流斷面提前至T形墩前墩，表面流速分布規(guī)律基本同前兩個(gè)方案一致，呈先減小再增大至正值的趨勢，橫向上左岸和中間流速略大于右岸流速，出池流速在2～3 m/s。

對于底部流速，在3個(gè)特征工況下，流速變化規(guī)律與原設(shè)計(jì)方案一致，基本呈逐漸減小趨勢。在7～8斷面(0+078.30 m～0+084.50 m)受T形墩阻擋，流速下降幅度較大。最大底部流速達(dá)到17.75 m/s，位于1號斷面(0+041.10 m)，消力池尾部底部流速達(dá)到最小，基本在2.5 m/s左右。

相較于優(yōu)化方案一，優(yōu)化方案二下消力池內(nèi)流速下降，T形墩分流和消能作用更為顯著，水流在T形墩和尾坎處的壅高明顯減小，出池流速下降，消力池下游二次水躍現(xiàn)象明顯減弱，水流呈穩(wěn)定淹沒混合流，對河床的沖刷作用輕微，說明針對本工程對T形墩進(jìn)行改良后消力池內(nèi)消能更為充分。

試驗(yàn)測定了消力池出池流速(0+090.80 m斷面)來評估出池水流對下游河道的沖刷影響，見表3。從表3可以看出，在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水和校核洪水3個(gè)特征工況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二加設(shè)改良T形墩后出池流速(壩下0+090.80 m)均有減小，流速降幅多在2～3 m/s，說明改良T形墩能有效降低水流出池流速，減弱了水流對下游河道的沖刷。

5 消能效果分析

消能率是表征消能效果的物理量，其計(jì)算公式如下：

(1)

表3 消力池出池流速(0+090.80 m)比較Tab.3 Comparison on outflow velocity of stilling basin( 0+090.80 m)

圖9 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二各工況消力池表面、底部流速分布(負(fù)值表示回流流速)Fig.9 The bottom and surface velocity distribution of optimized design program 2(negative means reflux velocity)

擬選取消力池水躍躍前斷面作為初始計(jì)算斷面來對比分析3個(gè)方案下消力池消能率的變化。由于躍前斷面被水流旋滾覆蓋，難以量測準(zhǔn)確的水深和流速，根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范，采用溢流堰堰頂(壩下0+002.50 m斷面)作為初始1-1斷面。由于T形墩消力池水流尾坎處會形成二次水躍，消除部分下泄能量[8]，故采用壩下0+106.80斷面(消力池尾坎后)作為消能后2-2斷面來計(jì)算消力池消能率，消能率計(jì)算結(jié)果如表4所示。

消能率計(jì)算結(jié)果表明，跌坎+改良T形墩聯(lián)合消能工的運(yùn)用使整體消能率均大于前兩種方案，隨來流量的增大，在校核工況下優(yōu)化方案二消能率略小于前兩種方案，但差值不大，下游消力池應(yīng)在保證消能效果的同時(shí)使得出池水流盡量平穩(wěn)，避免下游河床淘刷，因此跌坎+改良T形墩綜合效果更佳。分析認(rèn)為，在中高水頭、大流速的底流消力池中，采用改良T形墩相較于無T形墩的原設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)T形墩，更顯著地發(fā)揮了T形墩的分流、消能效果，消力池內(nèi)水流紊動強(qiáng)烈，綜合消能效果更好。

表4 消能率計(jì)算Tab.4 Calculation of energy dissipation ratio

經(jīng)過跌坎+改良T形墩聯(lián)合消能工的調(diào)整，水流出池流速明顯減小，水流出池后大部分水舌上挑，形成二次跌落消能，流態(tài)呈穩(wěn)定淹沒混合流，池后二次水躍減弱，波浪小，沖刷輕微，對下游河床有利，說明改良T形墩的應(yīng)用是改善本工程消能防沖效果的有效措施。

6 結(jié) 論

本文通過水工模型試驗(yàn)的方法，針對白水水庫工程溢流壩段底流消力池的相關(guān)水力學(xué)特性在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、跌坎+傳統(tǒng)T形墩方案和跌坎+改良T形墩方案進(jìn)行了對比分析，結(jié)論如下。

(1)跌坎+改良T形墩優(yōu)化方案下，原設(shè)計(jì)方案中消力池內(nèi)水流的不良流態(tài)消除，消力池后的二次水躍減弱，水流流態(tài)呈穩(wěn)定淹沒混合流，對河床的沖刷輕微，說明改良T形墩相比于不設(shè)T形墩和傳統(tǒng)T形墩，能顯著地發(fā)揮T形墩的分流消能效果，改善水流不良流態(tài)，使消力池內(nèi)消能更為充分。

(2)在本工程中加設(shè)改良T形墩后能有效降低水流出池流速，減弱水流對下游河道的沖刷。

(3)跌坎+改良T形墩聯(lián)合消能工的運(yùn)用使消力池整體消能率均大于前兩種方案，各工況消能率均在70%以上，在校核工況下消能率略小于前兩種方案，但在保證消能效果的同時(shí)使得出池水流更加平穩(wěn)，對下游河道沖刷作用減弱，綜合消能效果更好。

綜合上述研究，相較于T形墩應(yīng)用較多的低水頭、大單寬流量的泄水樞紐工程，在與本工程類似的中高水頭、大流速的底流消力池中，受消力池寬深比所限制，傳統(tǒng)T形墩無法充分發(fā)揮T形墩的分流消能效果，可以不依照傳統(tǒng)T形墩的形式，設(shè)計(jì)采用改良T形墩，根據(jù)消力池寬深比等條件優(yōu)化T形墩的布設(shè)數(shù)量和尺寸，充分發(fā)揮T形墩的分流消能效果。本工程根據(jù)消力池寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)出的改良T形墩與跌坎的聯(lián)合消能方式消能效果良好，是改善本工程溢流壩消能防沖效果的有效措施，對其他類似工程有一定參考作用。