某閘壩工程跌坎底流消力池體形優(yōu)化試驗(yàn)研究

崔曉玉，李奇龍，李大貴，張宗孝

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

目前國(guó)內(nèi)修建了很多以灌溉、發(fā)電、防洪為主要任務(wù)的水利閘壩樞紐工程，工程建設(shè)中遇到很多需要解決的問(wèn)題[1-3]。低弗勞德數(shù)水流的消能問(wèn)題是閘壩建設(shè)難題之一[4-5]。低Fr水流易在消力池內(nèi)產(chǎn)生波狀水躍，消能效率低、躍后余能大，易引起下游河道基巖的沖刷。工程中常采用多級(jí)消力池、池內(nèi)增設(shè)輔助消能工等措施來(lái)改善消能[6-8]。黃河天橋水電站泄洪閘在設(shè)計(jì)與校核洪水流量時(shí)，消力池流態(tài)及消能不滿足要求，呈遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，后消力池采用折線型，且池長(zhǎng)增至64 m，改善了池內(nèi)水流條件，實(shí)現(xiàn)了充分的水躍消能[9]。但由于池長(zhǎng)增加、消力池折線型設(shè)計(jì)，體型復(fù)雜、工程造價(jià)增加。遼寧清原水庫(kù)泄洪道泄洪具有低Fr、消能率低特點(diǎn)，經(jīng)研究采用加深消力池，在護(hù)坦段加設(shè)消能墩的措施來(lái)消除余能，平順?biāo)鱗10-11]。本文以某水電站工程為例，針對(duì)閘孔局開時(shí)，下游水位低、單寬流量大、入池水流Fr小，消力池內(nèi)易存在不穩(wěn)定水躍流態(tài)和消能率低等問(wèn)題，進(jìn)行了消力池的體型優(yōu)化研究，并提出一種適應(yīng)水流條件強(qiáng)、流態(tài)穩(wěn)定、消能充分、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的消力池體型。

1 工程概況

本工程為混凝土閘式溢流壩，壩頂高程247 m，最大壩高58 m。擋水建筑物從右到左為右岸非溢流壩段、右7孔沖砂泄洪閘壩段、右導(dǎo)墻壩段、左5孔沖砂泄洪閘壩段、左導(dǎo)墻壩段、主機(jī)間壩段、安裝間壩段。其中左5孔沖砂泄洪閘壩段為主要的泄洪消能段，閘室后接消力池，該段共5孔閘室，單孔凈寬14 m，閘墩厚4.5 m，采用弧形閘門控制水流。消力池采用底流消能方式，為小挑角跌坎消力池。左5孔的中孔沖砂泄洪閘縱剖面見(jiàn)圖1。該工程采用百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)流量27 500 m3，庫(kù)水位240.25 m，電站運(yùn)行正常蓄水位241.0 m。設(shè)計(jì)水位下，左5孔單孔下泄設(shè)計(jì)流量2 260 m3/s。

圖1 左5孔沖砂泄洪閘縱剖面(單位：m)

2 模型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)量測(cè)與試驗(yàn)工況

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

本文采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，選擇左5孔沖砂泄洪閘的中閘孔進(jìn)行單體模型試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺為1∶40。模型過(guò)流寬度選擇中閘孔與兩側(cè)相鄰1/4閘孔寬度進(jìn)行模擬，上游庫(kù)區(qū)與下游河道按等寬模擬。上游庫(kù)區(qū)按定床模擬，模擬長(zhǎng)度200 m；下游消力池后進(jìn)行動(dòng)床模擬，動(dòng)床模擬長(zhǎng)度160 m，動(dòng)床后再按定床延長(zhǎng)模擬120 m。動(dòng)床模擬時(shí)，基巖抗沖流速4.0 m/s，模型采用0.8～1.6 cm當(dāng)量直徑的砂礫石模擬，鋪沙高程211 m。沖砂閘閘室段與消力池模型采用有機(jī)玻璃模擬制作，以保證邊壁對(duì)水流阻力的相似。

2.2 量測(cè)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)對(duì)水流流態(tài)、壁面壓強(qiáng)、水面線、流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)等水力特性進(jìn)行了量測(cè)。其中，流量采用矩形薄壁堰量測(cè)；上下游水位、水面線用精度為0.1mm的水位測(cè)針量測(cè)；流速用畢托管量測(cè)；壁面壓強(qiáng)用測(cè)壓管量測(cè)；典型工況下堰面曲線、挑坎及消力池底板等位置，采用脈動(dòng)壓力傳感器與DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了脈動(dòng)壓強(qiáng)量測(cè)。

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

3.1 流態(tài)

工況6、7下閘門全開，上、下游水位差小，流態(tài)穩(wěn)定。工況5時(shí)，下游水位相對(duì)較高，消力池內(nèi)為淹沒(méi)水躍，躍首位于挑坎前，流態(tài)良好。工況4時(shí)，上、下游水面落差變大，在挑坎處水面略有挑起，并在消力池前部產(chǎn)生二次水躍，消力池內(nèi)水面出現(xiàn)較大幅波動(dòng)。工況3時(shí)，閘門局開且開度較大，閘孔底部為有壓孔口出流，出流較急，挑坎處水面挑起后在坎后跌落明顯，消力池內(nèi)水面波動(dòng)大，流態(tài)不穩(wěn)定。正常蓄水位閘門局開5 m和8 m時(shí)，由于上下游水位差較大，閘孔出流流速較大，在挑坎前會(huì)形成表面小水躍，挑起水流受水躍影響出現(xiàn)小幅擺動(dòng)且不穩(wěn)定，當(dāng)?shù)渲料Τ睾笫沟卯a(chǎn)生的二次跌落水躍也不穩(wěn)定，池內(nèi)水面劇烈波動(dòng)，流態(tài)差。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在正常蓄水位閘門單孔敞泄時(shí)，當(dāng)下游水位降低且池內(nèi)水面低于挑坎水流頂部高度時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)與閘孔局開5 m和8 m工況相同的不穩(wěn)定流態(tài)。當(dāng)下游水位繼續(xù)升高，當(dāng)水躍發(fā)展至挑射水流的整個(gè)中上層，挑射水流紊動(dòng)會(huì)更為劇烈，進(jìn)而引起消力池后水面大幅波動(dòng)震蕩。當(dāng)下游水位升高至與挑射水流頂部高程相同時(shí)，則呈臨界淹沒(méi)狀態(tài)，此時(shí)挑射水流不明顯，水躍位于挑坎前，且躍首位置相對(duì)靠前，挑坎處與消力池前部為淹沒(méi)水躍；由于受挑坎的影響，一定程度上破壞了臨界淹沒(méi)水躍整體結(jié)構(gòu)，流動(dòng)較復(fù)雜，紊動(dòng)也較劇烈。

3.2 壁面壓強(qiáng)

閘室堰面、挑坎及消力池壓強(qiáng)分布基本合理?；⌒伍l門局開時(shí)，堰面曲線段將出現(xiàn)較小負(fù)壓，上述試驗(yàn)工況，閘門局開2.78、5.0 m和8.0 m時(shí)，最大負(fù)壓-0.5、-1.8、-1.2 m，由于負(fù)壓值較小，且堰面流速不超過(guò)20 m/s，因此不易發(fā)生空化空蝕。

3.3 水面線與流速

3.3.1水面線

當(dāng)閘門開度較大時(shí)，消力池內(nèi)水面波動(dòng)較大，閘門開度越大，上游水位越高，水面起伏與波動(dòng)也將越大。在工況3時(shí)，挑坎最高水面與消力池前部水面差約4.6 m，池內(nèi)最大水面波動(dòng)約4.4 m。

對(duì)于閘門局開5 m和8 m工況，上下游水位落差大，下游水位低，挑坎最高水面與消力池前部水面差分別約4.1、4.3 m，池內(nèi)最大水面波動(dòng)約2.3、2.8 m，水面起伏與波動(dòng)大。

3.3.2流速

閘門局開時(shí)，堰面最大流速約20 m/s，工況3時(shí)，出消力池后的下游河道表面流速略大，最大流速約6.7 m/s。全開敞泄時(shí)，流速明顯減小，設(shè)計(jì)洪水工況時(shí)斷面最大流速不超過(guò)7 m/s。

對(duì)于閘門局開5 m和8 m工況，由于上、下游水位落差大，堰閘段和消力池內(nèi)流速均較敞泄工況大。堰面曲線最大流速分別約21.7、21.5 m/s，消力池前段底部產(chǎn)生漩渦為負(fù)流速，最大約-3.7、-3.9 m/s，消力池后段底部最大，流速約4.6、3.2 m/s。其中，閘門局開8 m工況水面線與流速分布見(jiàn)圖2。

圖2 原方案正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線及流速分布(單位：高程，m；流速，m/s)

4 原設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題與體型優(yōu)化

原方案試驗(yàn)成果表明，當(dāng)閘門局開，上、下游水位差較大，下游水較低運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)因挑坎挑射水流與池內(nèi)水流銜接易產(chǎn)生不穩(wěn)定流態(tài)，水面波動(dòng)大。經(jīng)計(jì)算，各全開工況，最大Fr數(shù)為1.26，局開工況下，閘門局開2.78 m入池水流Fr數(shù)最大為4.98，可見(jiàn)，該泄洪閘運(yùn)行時(shí)多為低Fr入流泄洪消能。消力池內(nèi)水位由低于挑射水流頂部高程，逐漸升高至接近，再到超過(guò)其頂部高程，挑射水流與池內(nèi)水流銜接將會(huì)產(chǎn)生類似挑流消能、面流消能和底流消能3種形式。挑流消能易造成池內(nèi)水面波動(dòng)大，且挑射水流表面若存在水躍，隨水躍增強(qiáng)會(huì)引起挑射水流形成小幅擺動(dòng)，并引起池內(nèi)水面波動(dòng)加劇；面流消能易導(dǎo)致下游水面波動(dòng)大，同時(shí)消能率也較低；而該底流消能受挑坎影響而水躍結(jié)構(gòu)不完整，是造成水流不穩(wěn)定的主要原因。

為了避免和解決原方案中的上述問(wèn)題，根本在于解決入池水流與池內(nèi)水流的銜接問(wèn)題，因此取消消力池入池挑坎，改為平角跌坎，并為解決池內(nèi)消能，在消力池內(nèi)布置消力坎，其位于距池首35 m位置處。

5 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

5.1 流態(tài)

各全開工況，上下游水位落差小，水流銜接平穩(wěn)，流態(tài)良好。

閘門局開時(shí)，由于小挑坎調(diào)整為平角跌坎，解決了入池水流與池內(nèi)水流銜接問(wèn)題，池內(nèi)均呈穩(wěn)定的淹沒(méi)水躍消能流態(tài)。且由于池內(nèi)增加了消力坎，池內(nèi)消能可以得到保障，在閘門局開開度較大、下泄流量較大時(shí)，消力坎前后的兩級(jí)消力池內(nèi)水流穩(wěn)定。其中，在一級(jí)消力池內(nèi)為穩(wěn)定的底流式水躍消能，在消力坎及二級(jí)消力池內(nèi)形成消力坎處水流微弱涌動(dòng)、二級(jí)池內(nèi)形成反向漩滾的類似戽流消能的流態(tài)。消能大部分主要集中在消力坎前的前一級(jí)消力池內(nèi)，消力坎處也未見(jiàn)明顯的雍水或大幅的水面起伏現(xiàn)象，池內(nèi)流態(tài)良好。

優(yōu)化方案較好地解決了原方案中閘門局開且上下游水位落差大時(shí)，消力池內(nèi)水流劇烈紊動(dòng)和水面大幅波動(dòng)問(wèn)題；同時(shí)也避免了小挑坎挑射水流與池內(nèi)水流銜接時(shí)，因不同下游水位而出現(xiàn)不同流態(tài)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

5.2 壁面壓強(qiáng)

閘室堰面曲線、消力池及池內(nèi)消力坎等各過(guò)流曲面上，壓強(qiáng)分布均合理。閘門局開時(shí)，堰面曲線的較小負(fù)壓與原方案基本一致。其中，正常蓄水位閘門局開8 m工況下各位置壁面壓強(qiáng)分布見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化方案局開8 m壁面壓強(qiáng)分布(單位:m)

5.3 水面線和流速

5.3.1水面線

閘門全開在各工況下水面銜接均平穩(wěn)。對(duì)于閘門局開工況，出閘孔水流在消力池內(nèi)形成水躍，水躍局部存在較大水面起伏。池內(nèi)消力坎位置未見(jiàn)明顯的水面起伏，在消力坎后的消力池內(nèi)，水面沿程變化平穩(wěn)，波動(dòng)也較小。出消力池尾坎處水面變化也小，無(wú)明顯跌落。正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，優(yōu)化方案有效地改善了原方案中特別是局開工況下的小幅挑射水流與池內(nèi)水流水面銜接與水面波動(dòng)等問(wèn)題。

圖4 優(yōu)化方案正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線與流速分布(單位：高程，m；流速，m/s)

5.3.2流速

閘門局開時(shí)，一級(jí)消力池內(nèi)臨底水流速度均較小，不超過(guò)10 m/s，二級(jí)消力池內(nèi)更小，不超過(guò)4.6 m/s。消力池前跌坎與消力池內(nèi)消力坎的存在較大程度地抑制了消力池內(nèi)臨底流速。消力坎頂最大流速不超過(guò)14 m/s。出消力池后的下游河道內(nèi)流速均較小，且沿?cái)嗝娣植驾^均勻，臨底流速最大不超過(guò)3 m/s。其中，正常蓄水位閘門局開8 m工況的水面線及流速分布見(jiàn)圖4。

5.4 脈動(dòng)壓強(qiáng)

堰面曲線上會(huì)出現(xiàn)較小負(fù)壓，最大瞬時(shí)負(fù)壓僅為-29.2 kPa，負(fù)壓值在安全范圍內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)安全；均方根在閘門局開下的消力池前部局部位置略大，最大為21.2 kPa，其余位置或其他工況各位置的水流脈動(dòng)幅度均較??；最大優(yōu)勢(shì)頻率僅在局開時(shí)消力池前部局部位置略大，最大3.787 Hz，其余位置及閘門全開工況各位置基本都小于1 Hz，屬低頻脈動(dòng)，遠(yuǎn)小于泄水建筑物的自振頻率，水流紊動(dòng)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成影響。

5.5 消能率

試驗(yàn)對(duì)各工況下的消能率進(jìn)行了計(jì)算，閘門局開時(shí)，消力池消能率在30%～60%；閘門全開時(shí)，消能率雖然較低，但此時(shí)各閘孔處于敞泄?fàn)顟B(tài)，上下游水位落差小，下游水深深，流速小，即使消力池消能率低，但不會(huì)造成下游河道產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷問(wèn)題?？梢?jiàn)，在閘門局開和閘門全開各工況下，采用兩級(jí)消力池的消能方式，均可以較好地滿足泄水建筑物各泄流條件下的消能要求。

6 結(jié) 論

(1)原方案采用小挑角跌坎消力池，在閘門局開、上下游水位差較大時(shí)，消力池內(nèi)因挑坎挑射水流與池內(nèi)水流銜接會(huì)產(chǎn)生類似挑流消能、面流消能和底流消能三種形式過(guò)渡的不穩(wěn)定流態(tài)，水流紊動(dòng)劇烈，水面波動(dòng)大。

(2)取消原方案消力池入池挑坎，并在消力池內(nèi)布置消力坎后，閘門局開不利工況下均為穩(wěn)定淹沒(méi)水躍，水面沿程變化平穩(wěn)。消力池前跌坎與池內(nèi)消力坎較大程度地抑制了消力池內(nèi)臨底流速，消力池內(nèi)臨底水流速度均較小，不超過(guò)10 m/s。水流脈動(dòng)為低頻脈動(dòng)，不影響結(jié)構(gòu)安全。

(3)采用平角跌坎消力池+池內(nèi)消力坎方案，有效避免了小挑坎挑射水流與池內(nèi)水流銜接時(shí)因不同下游水位而出現(xiàn)不同流態(tài)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，從根本上解決了水流銜接引起的池內(nèi)水流劇烈紊動(dòng)和水面大幅波動(dòng)問(wèn)題。該消力池體型適應(yīng)水流條件強(qiáng)、流態(tài)穩(wěn)定、消能充分、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，可為低Fr水流消能相關(guān)工程提供借鑒。