水利工程溢洪道底流消能水力特性分析

洪振國(guó),茍勤章,李海華

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

溢洪道建筑物下泄具有水流流速較高等特點(diǎn),如果不采取工程措施消除余能，水流將會(huì)沖刷下游河床,并危及溢洪道、大壩、隧洞等建筑物的安全[1].通過工程消能措施消除下泄水流的余能，有效地解決泄水建筑物下游的沖刷，保護(hù)溢洪道、大壩、隧洞等建筑物安全[2].近些年，隨著中國(guó)水利資源的大量開發(fā)利用，中國(guó)水利工程建設(shè)取得了巨大成就，水利工程建設(shè)的新方法、新技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步[3]. 目前常規(guī)的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、階梯消能等[4].由于中國(guó)水利工程水文地質(zhì)、地形地貌等復(fù)雜條件的特點(diǎn)，在水利工程設(shè)計(jì)過程中，如何合理地選擇溢洪道建筑物消能型式，是關(guān)系到整個(gè)水利工程安全與經(jīng)濟(jì)的重要問題[5].

底流消能包括傳統(tǒng)底流消能與跌坎型底流消能, 跌坎型底流消能是在普通的底流消能基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型消能方式[6]. 在消力池首部,將消力池底板向下開挖形成跌坎,形成具有一定垂直深度的跌坎底流消力池，有效地降低臨底流速水力學(xué)指標(biāo)[7]，該方式具有適應(yīng)性強(qiáng)、流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、泄洪霧化小等優(yōu)點(diǎn)[8]，跌坎型底流消能在水電工程中具有較廣闊的應(yīng)用前景[9-10].但是消力池水力特性復(fù)雜，采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》傳統(tǒng)水力計(jì)算無法進(jìn)行消力池水力特性分析.

文中以段家壩水庫(kù)為例，擬通過《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，結(jié)合物理模型試驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)底流消能與跌坎型底流消能水力特性進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證跌坎型底流消能優(yōu)點(diǎn)，對(duì)水利工程具有一定的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義.

1 工程概況

段家壩水庫(kù)樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水隧洞組成，水庫(kù)總庫(kù)容1 340.2萬(wàn)m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，建筑物為3級(jí)建筑物.大壩最大高度55.00 m，壩軸線長(zhǎng)183.50 m.溢洪道布置于大壩右岸，緊靠大壩.導(dǎo)流輸水隧洞布置于左岸，軸線全長(zhǎng)約507.77 m，段家壩水庫(kù)樞紐水工建筑物的校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇(P=0.10%)，校核洪水位2 039.40 m，下泄流量29.5 m3/s，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇(P=2.00%)，設(shè)計(jì)洪水位2 038.78 m，下泄流量16.9 m3/s，泄洪建筑物消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)取洪水重現(xiàn)期30 a一遇(P=3.33%)，消能防沖水位2 038.68 m，下泄流量14.8 m3/s.

溢洪道平面如圖1所示.

圖1 溢洪道平面圖

溢洪道布置于右岸，為無閘控制開敞式，控制段堰型為駝峰堰，堰寬為6 m，堰頂高程為2 037.500 m.溢洪道由引渠段、平面轉(zhuǎn)彎段、控制段、泄槽段、反弧段、消能段及出口護(hù)坦段組成，全長(zhǎng)305.53 m.引渠長(zhǎng)42 m，引渠寬度為6.0～10.0 m，底板高程2 037.000 m.平面轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)20.944 m，轉(zhuǎn)彎半徑為40 m，θ1=30°.控制段堰高0.5 m，長(zhǎng)12.0 m，底寬為6.0 m.泄槽一段長(zhǎng)77.887 m，底坡0.02，平面轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)17.444 m，轉(zhuǎn)彎半徑為40 m，θ1=25°.泄槽二段底寬為4.0 m，泄槽邊墻高1.8 m，底坡i=0.625.反弧段長(zhǎng)14.238，反弧半徑為10 m，θ3=32.0°.消能段長(zhǎng)15 m，底寬為4.0 m，池深1.5 m，底板高程1 984.193 m,出水渠段長(zhǎng)64.292 m.

2 消能方式選取

消能段位置地表土層上部為含碎石砂土，下部為砂卵礫石夾孤塊石，厚1～5 m，結(jié)構(gòu)松散，局部有架空現(xiàn)象.下伏基巖為加里東晚期-華力西中期中-粗粒黑云母花崗巖、黑云二長(zhǎng)花崗巖，中-粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，全強(qiáng)風(fēng)化，地下水埋深較淺，消能段底板均位于地下水高程以下.消能段基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化基巖上，節(jié)理裂隙較不發(fā)育，呈塊狀結(jié)構(gòu)夾碎裂結(jié)構(gòu)，但巖體強(qiáng)度較低，抗滑穩(wěn)定性較好，抗沖刷能力差，存在嚴(yán)重沖刷破壞.挑流消能方式對(duì)下游兩岸沖刷嚴(yán)重，對(duì)下游邊坡穩(wěn)定不利，同時(shí)，挑流消能方式形成沖坑較深，水位波動(dòng)大，霧氣大，對(duì)溢洪道抗滑穩(wěn)定不利[11]，不宜選用挑流消能方式.下游水深較小，同時(shí)面流消能方式銜接型式復(fù)雜多變，不易控制，下游有較大的波浪，水流復(fù)雜，不宜選用面流消能方式[12]. 階梯式消能對(duì)小流量跌落式水流具有一定的消能效果，而對(duì)大流量滑移式水流消能效果較差.因此，綜合地形地貌、地質(zhì)條件，初步選擇底流消能.

3 水力學(xué)計(jì)算

3.1 消能計(jì)算

消力池中發(fā)生臨界水躍時(shí)躍后水深計(jì)算公式為

(1)

式中：Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；b1，b2為躍前、躍后斷面寬度，m；h1為收縮斷面水深，m；h2為池中發(fā)生臨界水躍時(shí)躍后水深，m.

消力池池長(zhǎng)計(jì)算公式為

Lk=5.52(h2-h1)，

(2)

式中：Lk為消力池池長(zhǎng)，m.

消力池尾部出口水面跌落計(jì)算公式為

(3)

式中：γ為水躍淹沒度，可取γ=1.05；ht為消力池出口下游水深，m;b為消力池寬度；Φ為流速系數(shù).

消力池池深計(jì)算公式為

d=σh2-h1-ΔZ，

(4)

式中：d為池深，m；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，m.

由于消能防沖洪水下泄流量Q=14.8 m3/s，消力池寬4 m，根據(jù)以上公式計(jì)算，得消力池池長(zhǎng)15 m，消力池樁號(hào)溢0+186.177 m—溢0+201.177 m為消能段，池深為1.5 m，底寬為4.0 m，底板高程1 984.193 m，為矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu).消力池邊墻高度按校核洪水泄流量Q=29.5 m3/s計(jì)算，邊墻高H=6.5 m.

3.2 水流空化數(shù)計(jì)算

(5)

(6)

式中：σ為水流空化數(shù)；h0為來流參考斷面時(shí)均壓力水頭，m；v0為來流參考面平均流速，m/s；ha為建筑物所在地區(qū)的大氣壓力水柱，m；?為當(dāng)?shù)睾芨叨龋琺；hv為水的氣化壓力水柱，m.

水溫計(jì)為20 ℃，水的氣化壓力水柱hv=0.24 m，當(dāng)?shù)睾?=1 984.194 m，根據(jù)以上公式計(jì)算，水流空化數(shù)計(jì)算值均大于0.3，因此，溢洪道消力池水流發(fā)生空化的可能性較小.

4 物理模型試驗(yàn)

通過水工模型試驗(yàn)，模擬溢洪道在各水位工況下，消能池水力特性，觀測(cè)消力池流態(tài)及消能情況，檢驗(yàn)消力池長(zhǎng)度、深度等，檢驗(yàn)消力池消能效果.模型范圍為上游水庫(kù)、引渠段、控制段、泄槽段、消能段及出口護(hù)坦段.

4.1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)量測(cè)

該物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮嫌嗡畮?kù)、溢洪道、消能工及下游河道組成.上游水庫(kù)地形用混凝土砂漿抹面制作，按相似性要求并考慮到便于觀測(cè)和模型修改，溢洪道引渠段用水泥砂漿抹面，控制段及以后整條溢洪道，包括消力池均用有機(jī)玻璃加工制作，尺寸嚴(yán)格控制在允許的誤差范圍之內(nèi).消力池出口后護(hù)坦用水泥砂漿抹面，下游河道按河道原斷面敷設(shè)制作.試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎谜w正態(tài)模型，模型幾何比尺為1∶25，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，并滿足阻力相似要求.模型上游設(shè)置1座量水堰以控制流量.

試驗(yàn)的量測(cè)：庫(kù)水位、下游水位、堰上水頭用精度為0.1 mm的水位測(cè)針測(cè)量.流道上的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)用橡膠管、玻璃管制作的測(cè)壓管測(cè)量.流速用長(zhǎng)江科學(xué)院研制的LS-401D型直讀式流速儀測(cè)量.水面線用鋼板尺量測(cè).模型流量由上游無側(cè)收縮矩形薄壁量水堰控制，小流量時(shí)采用三角形薄壁堰.模型量水堰流量計(jì)算公式均按《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL155—2012)中的公式計(jì)算.

4.2 傳統(tǒng)底流消能試驗(yàn)結(jié)果

溢洪道在消能防沖下泄流量Q=14.8 m3/s時(shí)，溢洪道消力池水流空化數(shù)0.45，消力池消能主要位于消力池中部，形成相對(duì)穩(wěn)定的消能水體，消力池消能效果較好，不會(huì)產(chǎn)生“遠(yuǎn)驅(qū)式”水躍.但是當(dāng)消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s，洪道消力池水流空化數(shù)0.41，空化數(shù)均大于0.30，溢洪道消力池水流發(fā)生空化的可能性較小，傳統(tǒng)底流消能水力特性見圖2.

圖2 傳統(tǒng)底流消消力池流態(tài)與流速

消力池水躍躍前斷面大致位于樁號(hào)溢0+174.177處，水深0.31 m，最大流速24.20 m/s；樁號(hào)溢0+186.177處，水深3.48 m，臨底流速18.05 m/s，水表面流速4.90 m/s；樁號(hào)溢0+193.177處，水深4.21 m，臨底流速16.10 m/s，水表面流速5.10 m/s；樁號(hào)溢0+200.177處，水深5.36 m，臨底流速12.50 m/s，水表面流速5.48 m/s；消力池尾坎坎頂樁號(hào)溢0+201.177處，水深3.38 m，臨底流速2.50 m/s，水表面流速5.61 m/s.消力池水面波動(dòng)劇烈，水面流速逐漸增大，臨底流速逐漸減少.消力池的臨底流速最大值為24.20 m/s，影響消力池水體的穩(wěn)定性和底板抗沖刷能力.水流進(jìn)入消力池后產(chǎn)生一定程度的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消力池消能主要位于消力池后部，消力池后部及出口水面壅高較大，且波動(dòng)劇烈，消力池消能水體不夠，沒有形成相對(duì)穩(wěn)定的消能水體，水流出池后水面跌落較大，消力池消能效果不佳，需要增加消力池長(zhǎng)度.

4.3 跌坎型底流消能試驗(yàn)結(jié)果

為了增加消能水體、入池水流能量的擴(kuò)散和降低消力池內(nèi)水流臨底流速，溢洪道消力池起始收縮水深斷面從溢0+174.177向上游前移5 m至溢0+169.177，在溢0+186.177斷面處底板設(shè)置1 m的垂直跌坎，消力池底板高程由1 984.193 m調(diào)整至1 983.693 m.泄槽反弧段和消力池的邊墻平面布置及體型、消力池池末出口樁號(hào)不作調(diào)整，形成底流消能改進(jìn)新型消能.溢洪道的消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s時(shí)，溢洪道消力池水流空化數(shù)0.44，跌坎型底流消能水力特性見圖3.

消力池水躍躍前斷面大致位于樁號(hào)溢0+169.177處，水深0.30 m，最大流速ve=23.00 m/s；樁號(hào)溢0+186.177處，水深4.76 m，臨底流速16.62 m/s，水表面流速vs=4.90 m/s；樁號(hào)溢0+193.177處，水深6.18 m，臨底流速8.65 m/s，水表面流速4.26 m/s，樁號(hào)溢0+200.177處，水深6.02 m，臨底流速8.01 m/s，水表面流速3.95 m/s；消力池尾坎坎頂樁號(hào)溢0+201.177處，水深3.12 m，臨底流速2.10 m/s，水表面流速5.12 m/s.水面流速先增加后減少，臨底流速逐漸減少.消力池前段臨底流速較底流消能得到大幅度降低，池內(nèi)水流擴(kuò)散充分，剪切明顯，消力池后段形成了穩(wěn)定的水體，消能效果良好，出水渠內(nèi)水流流態(tài)得到改善，下游河道流態(tài)平穩(wěn)，池內(nèi)流態(tài)未受下游河道水深影響，消力池長(zhǎng)度是合適的.

圖3 跌坎型底流消能水力特性

4.4 兩種底流消能水力特性對(duì)比分析

根據(jù)以上水力特性試驗(yàn)成果，溢洪道的消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s時(shí)，傳統(tǒng)底流消能和跌坎型底流消能水力特性對(duì)比見表1，表中hmax為最大水躍.

表1 傳統(tǒng)底流消能和跌坎型底流消能水力特性對(duì)比

從表1可以看出，傳統(tǒng)底流消能水流空化數(shù)為0.41，跌坎型底流消能空化數(shù)為0.44，跌坎型底流消能空化數(shù)大于傳統(tǒng)底流消能水流空化數(shù)，跌坎型底流消能相對(duì)不容易發(fā)生空蝕，可避免消力池空蝕破壞.傳統(tǒng)底流消能最大水躍位置樁號(hào)溢0+201.177，最大水躍5.36 m，跌坎型底流消能最大水躍位置樁號(hào)溢0+193.177，最大水躍6.18 m，跌坎型底流消能最大水躍相對(duì)于傳統(tǒng)底流消能水深高0.82 m，設(shè)計(jì)時(shí)消力池邊墻需相應(yīng)加高，但是最大水躍位置向前移動(dòng)7.00 m，可以減少消力池長(zhǎng)度，水流不會(huì)沖擊底板和尾坎，水流垂直濺起，消力池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，霧化影響較小.傳統(tǒng)底流消能臨底最大流速18.05 m/s，水表面流速5.48 m/s，跌坎型底流消能臨底最大流速16.62 m/s，水表面流速5.12 m/s，跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m,臨底最大流速和水表面流速小于傳統(tǒng)底流消能臨底最大流速和水表面流速，跌坎型底流消能相對(duì)難以對(duì)消力池產(chǎn)生沖刷破壞.總之跌坎型底流消能效率高，可避免消力池空蝕破壞和沖刷破壞，具有適應(yīng)性強(qiáng)、消能效率高、流態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).

5 結(jié) 論

1) 傳統(tǒng)底流消能在消能防沖的下泄消能流量時(shí)，消力池消能主要位于消力池中部，形成相對(duì)穩(wěn)定的消能水體，消力池消能效果較好，不會(huì)產(chǎn)生“遠(yuǎn)驅(qū)式”水躍.但是當(dāng)消力池在校核洪水下泄流量時(shí)，底流消能水流進(jìn)入消力池后產(chǎn)生一定程度的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消力池消能主要位于消力池后部，消力池后部及出口水面壅高較大，且波動(dòng)劇烈，沒有形成相對(duì)穩(wěn)定的消能水體，消力池消能效果不佳，需要增加消力池長(zhǎng)度.

2) 跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m，水面流速先增加后減小，臨底流速逐漸減小.消力池前段臨底流速較底流消能得到大幅度降低，池內(nèi)水流擴(kuò)散充分，剪切明顯，消力池后段形成了穩(wěn)定的水體，消能效果良好，出水渠內(nèi)水流流態(tài)得到改善.下游河道流態(tài)平穩(wěn)，池內(nèi)流態(tài)未受下游河道水深影響，消力池長(zhǎng)度是合適的.

3) 跌坎型底流消能水流不會(huì)沖擊底板和尾坎，水流垂直濺起，霧化影響較小，可能避免消力池空蝕破壞和沖刷破壞，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、消能效率高、流態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).