跌坎型消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)試驗(yàn)研究及體型優(yōu)化

盧洋亮　尹進(jìn)步　張曙光　陽洲　楊浩宇

摘要：脈動(dòng)壓強(qiáng)是衡量消力池底板安全穩(wěn)定的重要指標(biāo)，當(dāng)泄槽末端與跌坎型消力池進(jìn)口采用突擴(kuò)或漸擴(kuò)銜接時(shí)，消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)分布較為復(fù)雜。為了深入研究跌坎型消力池的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布特性，基于金沙江梨園水電站構(gòu)建了1∶50的物理模型，對(duì)高水頭、大單寬流量下跌坎型消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)分布開展系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明：跌坎突擴(kuò)型消力池底板的前中部與泄槽延長線附近脈動(dòng)壓強(qiáng)普遍較大;將突擴(kuò)調(diào)整為漸擴(kuò)后，減輕了立軸漩渦對(duì)底板的作用，脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)最大值降低16.4%，但仍然超過安全閾值;將入射角由-10°優(yōu)化為-8°后，各工況下脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)最大值降幅分別為37.4%，23.6%，62.1%，該優(yōu)化體型在各工況下的脈動(dòng)壓強(qiáng)均為低頻振動(dòng)，不易對(duì)消力池底板產(chǎn)生共振破壞。

關(guān)鍵詞：跌坎型消力池; 體型優(yōu)化; 入射角; 漩渦; 脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù); 物理模型試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)： TV653

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.032

0引 言

跌坎型消力池的消能原理是在常規(guī)底流消力池的基礎(chǔ)上，底板整體下挖形成跌坎，入射水流在跌坎作用下沿程擴(kuò)散形成淹沒射流，并與周圍水體發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)混摻和剪切作用，以有效降低臨底流速[1-3]。國內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，邊墻兩側(cè)突然擴(kuò)大形成突擴(kuò)，可使入池水流充分紊動(dòng)剪切，增加能量耗散以提高消能率[4-5]。雖然跌坎和突擴(kuò)可降低消力池內(nèi)臨底流速，但是在跌坎作用下入射主流下方會(huì)形成順時(shí)針橫軸漩渦，同時(shí)受卷吸作用影響，在突擴(kuò)后形成立軸漩渦，橫軸和縱軸漩渦疊加[6-8]致使跌坎突擴(kuò)型消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)分布尤為復(fù)雜，作用在消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)容易引起底板破壞[9-10]。

以前的大部分研究主要關(guān)注跌坎消力池中心線沿程縱向脈動(dòng)壓強(qiáng)分布，但針對(duì)跌坎突擴(kuò)和跌坎漸擴(kuò)型消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)橫向分布規(guī)律研究較少，故有必要通過物理模型試驗(yàn)深入分析，以為相關(guān)跌坎型消力池設(shè)計(jì)提供一定參考。

1工程簡介

針對(duì)向家壩等相關(guān)工程[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明，跌坎型消力池在降低消力池臨底流速與底板脈動(dòng)壓強(qiáng)方面發(fā)揮了很好的作用?；谶@一思路，金沙江梨園水電站溢洪道消力池進(jìn)口也采用跌坎型底流消能工。該溢洪道水平全長約790 m，由引渠、閘室、泄槽、消力池、護(hù)坦5部分組成。泄槽寬73.50 m，消力池寬111.00 m，突擴(kuò)比為1.51，該工程體型布置見圖1，典型運(yùn)行工況參數(shù)見表1。

2試驗(yàn)布置

物理模型為正態(tài)單體模型，按照重力相似準(zhǔn)則1∶50比尺布置，選取3種運(yùn)行工況，閘門運(yùn)行方式為4孔全開。溢洪道為對(duì)稱布置，為全面了解消力池底板水流脈動(dòng)特性，共布置50個(gè)脈動(dòng)壓強(qiáng)測點(diǎn)，包括消力池中線、3號(hào)孔中線（A列）、3號(hào)、4號(hào)孔閘墩軸線（B列）、4號(hào)孔中線（C列）和泄槽末端延長線（D列）5列測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖1。測試儀器采用中國水利水電科學(xué)研究院研制的DJ800軟件及其脈動(dòng)壓力傳感器，試驗(yàn)中采樣頻率為50 Hz，每一測點(diǎn)采樣歷時(shí)T=81.92 s，采樣時(shí)間間隔約Δt=0.02 s，采樣次數(shù)N=4 096次。為反映來流條件，引入無量綱化參數(shù)流能比k：

k=q/（g0.5h1.5）（1）

式中：q代表泄洪單寬流量，m2/s;h代表溢洪道上下游水頭差，m;k可衡量流量和水頭的綜合作用[12]。

3原消能方案及其存在的問題

3.1消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)分布

本次模型試驗(yàn)采集的脈動(dòng)壓強(qiáng)信號(hào)是恒定流情況下采集而得，可視為一次時(shí)間平穩(wěn)隨機(jī)過程。脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根是衡量脈動(dòng)壓強(qiáng)隨機(jī)過程的幅值特性[13]，其定義為

就跌坎突擴(kuò)型消力池縱向分布而言，3組工況下在泄槽末端均形成微淹沒水躍，該區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)紊流區(qū)，水躍引起的紊動(dòng)和自由表面的波動(dòng)都會(huì)對(duì)消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布造成重要的影響。從圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)：3組流能比下脈動(dòng)壓強(qiáng)在消力池前部均較小，由于橫軸漩渦導(dǎo)致水流紊動(dòng)十分劇烈，在底流旋滾區(qū)末端與沖擊區(qū)逐漸增大并達(dá)到峰值，在中后段臨底流速降低且分布較為均勻，故脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸降低且趨于平緩，該分布與時(shí)均壓強(qiáng)沿程增加趨勢存在一定差異;流能比越小代表水流承載能量降低，脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)也隨之增大。

文獻(xiàn)[14]的分析結(jié)果表明：當(dāng)?shù)哺叨炔蛔儠r(shí)，跌坎下水流再附長度隨泄洪流量的減小會(huì)有所減小，而跌坎下的再附長度也是一種能量的體現(xiàn)，流量減小，立軸漩渦與橫軸旋滾兩種作用傳遞的能量都在減小，故消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)也會(huì)隨之減小。

消力池底板紊動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)橫向分布見圖2（b），當(dāng)k=0.06時(shí)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)沿x軸方向基本保持一致，但是橫向分布存在較大差異，在消力池前部先增大后緩慢減小，C列測點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)達(dá)到峰值，該列測點(diǎn)最大值將近是消力池中線最大值的3倍。

3.2原方案存在的問題

目前對(duì)于底流消力池脈動(dòng)壓強(qiáng)指標(biāo)控制尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文采用謝省宗[15]提出的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根作為控制指標(biāo)，其消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根為泄槽末端入池流速水頭的5%～10%，即：

σp′=（0.05～0.1）V2c/（2g）（4）

各工況脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)控制指標(biāo)見表1。由模型試驗(yàn)實(shí)測入池流速可知，k=0.06時(shí)消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根應(yīng)該控制在3.32～6.64 m，則相應(yīng)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)控制在0.034～0.068范圍以內(nèi)。

圖2（b）明顯可看出，當(dāng)k=0.06時(shí)C列測點(diǎn)最大脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)高達(dá)0.12。根據(jù)已建成的安康、景洪、五強(qiáng)溪等3個(gè)消力池底板破壞案例和向家壩、索風(fēng)營、東風(fēng)、阿海等未見有失穩(wěn)破壞報(bào)道的工程，若將脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的安全閾值控制在5 m水頭，超過安全閾值5 m水頭的工程消力池均發(fā)生了破壞，而脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根低于5 m水頭的工程結(jié)構(gòu)安全性能大大提高。顯而易見k=0.06時(shí)C列測點(diǎn)最大脈動(dòng)壓強(qiáng)明顯超過該安全閾值，