枕頭壩江溝排水洞消力池優(yōu)化模型試驗研究

劉賢鵬，刁明軍，徐蘭蘭

（四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610065）

1 工程概況

枕頭壩江溝隧洞段總長1 869.03 m，平均縱坡i=0.052。隧洞段設置兩個轉彎段，第一個轉彎半徑為300 m，轉彎角為 22°13″44′；第二個轉彎半徑為 1 000 m，轉彎角為21°59″27′。經(jīng)模型試驗優(yōu)化，排水洞出口挑坎總長度26.50 m。

設計洪水標準為50年一遇，相應洪水流量為544.7 m3/s，校核洪水標準取200年一遇，相應洪水流量為723 m3/s。消能防沖建筑物的洪水設計標準采用30年一遇（P=3.33%），相應洪峰流量492 m3/s；目前正在進行工程施工階段，模型試驗采用1∶40的正態(tài)模型進行試驗研究。

泄洪洞消能防沖設施的型式有挑流、低流、面流、戽流等消能工。其形式選擇應根據(jù)地形地質(zhì)條件、泄流能力、運行方式、下游水深及河床抗沖能力、消能防沖要求、下游水流銜接及對其它建筑物的影響等因素，通過技術經(jīng)濟對比選定。目前國內(nèi)外大部分采用挑流消能。挑流消能是在泄槽末端修筑挑流鼻坎，利用鼻坎將從泄槽下泄的高速水流挑射到距離建筑物較遠的地方；在挑射的過程中，水流受空氣阻力而擴散并摻入大量空氣，降落到下游水面后，又受到下游水體的碰撞、剪切和混摻以減少對河床沖刷。本試驗消能工采用挑流加消力池聯(lián)合消能的形式消能。

2 消力池運行中存在的問題

初始設計體型消力池采用消力坎式，消力池內(nèi)采用動床的形式，動床模型試驗的模擬對象是河床基巖，采用水平鋪沙方式，根據(jù)基巖高程確定模型散離體鋪砂高程。消力池內(nèi)基巖高程為603 m，水平鋪沙高程至610 m，同時為了有效的消能，在挑坎出口水流落點范圍內(nèi)鋪一層高為3 m相互串聯(lián)的四面體消力池尾坎布置在下游河道里程K0+320的位置上，消力池尾坎高程為616 m，尾坎的形狀采用梯形結構，消力池總長108 m，消力池平面布置圖見圖1。

圖1 初始體型消力池平面布置圖

試驗表明,相互串聯(lián)的四面體能夠增大對水流的磨擦力，能消耗一部分能量；同時，相互串聯(lián)的四面體對水流具有防沖的作用，沖刷情況比較理想。由于排水洞出口與下游河道有一定夾角，挑流水流偏向左岸，水流落點在河道左岸；排水洞落差將近100 m，下泄200年一遇洪水時,挑流出口水流流速達到25 m/s，池內(nèi)產(chǎn)生不完整水躍,水流劇烈紊動,漩滾不明顯。主流集中于左股并沖出尾坎,尾坎處水面涌高。坎后水流呈底流式分布,左側流速達13 m/s，中間流速達11 m/s，右側流速5 m/s，橫斷面流速分布懸殊很大，坎后發(fā)生斜向的二次水躍。本試驗說明,挑流加消力池聯(lián)合消能有一定效果,但消力池內(nèi)流態(tài)較差；受地形的限制，消力池內(nèi)消能不充分，在消力池后形成了斜向二級水躍，如果不對消力池進行有效的優(yōu)化，將對下游河道造成了嚴重的沖刷，其下游流態(tài)流速如圖2；為改善流態(tài),提高消能效果，又進行了多個設置輔助消能工的對比試驗。其中，有代表性的是，在一級消力池后，布置了一排三角形消力墩。

圖2 200年一遇初始體型下游河道流速分布圖

3 消力池的優(yōu)化

3.1 輔助消能工的設計

在一級消力池后布置消力墩后形成二級消力池，消力墩均被用來穩(wěn)定水躍,并消殺各類水工建筑物（如溢洪道、泄水道、底孔及其跌水建筑物等）下游的剩余動能。這便是眾所周知的強迫水躍,強迫水躍的特征與典型的自由水躍大不相同它不僅使水流分離,并在消力墩后產(chǎn)生渦流,而且在消力墩上還作用著一種阻力。是底流消能的基本形式，是一種輔助消能工。

由于一級消力池出口水流偏向左岸，橫斷面流速分布懸殊很大，左岸水流流速較大，在200年一遇洪水流量時，橫斷面流速分布懸殊很大，在消力池后形成了流速約為13 m/s的斜向二級水躍，在此種情況下，根據(jù)地形，為了在二級消力池內(nèi)形成淹沒水躍，達到消能效果。文中提出了在消力池下游設置一排與一級消力池平行的7個三角形消力池趾墩，以抬高下游水位，借以產(chǎn)生強迫水躍來進行消能。由于左岸流速比右岸流速大，左岸趾墩布置比右岸稍微密集。為了保證最不利情況下水躍仍發(fā)生在二級消力池內(nèi);反復通過模型試驗研究,最后確定二級消力池池底高程610 m,池長為15 m,尾坎高3 m,三角形趾墩的底邊長5 m，高3 m，兩邊長3.9 m。左岸第一個趾墩盡量與左岸靠近，左岸4個三角形趾墩，每個趾墩相距4.8 m，右岸4個趾墩每個趾墩相距6 m。

3.2 下游流態(tài)分析

一級消力池出口水流流速大、能量高,行進中受到二級消力池趾墩的阻擋、分流后,在趾墩前產(chǎn)生較強烈的旋滾、紊動,并形成一些小尺度旋渦,消散了部分動能；通過疏密相間的趾墩后的水流流量沿橫向重新進行了分配,使其在池中得以均勻擴散,有效消除了原設計中存在斜向二級水躍,坎后左側流速達4 m/s,中間流速達3.8 m/s,右側流速3 m/s,可見，消能效果較好，下游流態(tài)也得到了改善，同時下游河道沿程水面高程有所降低，可以有效的減少河道護坡的高程，減少工程量。其下游流態(tài)、流速及下游河道水面高程比較見圖3，表1。

表1 消力池優(yōu)化前后（200年一遇）下游水面高程比較m

圖3 優(yōu)化后200年一遇下游河道流速分布圖

4 結語

輔助消能工主要靠小尺度漩渦，在池內(nèi)摻混、剪切、劇烈紊動而形成強迫水躍，提高池內(nèi)消能率，調(diào)整下游流速分布，減小沖刷。

由于一級消力池出口水流偏向左岸，消力池出口水流不均勻，橫斷面流速分布懸殊很大，在消力池后形成了流速約為13 m/s的斜向二級水躍。本文通過水工模型試驗，對消力池進行優(yōu)化，提出了在消力池后增設一排疏密相間消力池趾墩。結果表明，通過優(yōu)化后，消力池下游二級水躍情況基本上消除了，同時減少了下游河道護坡高程，減少了工程量。本工程根據(jù)試驗選定的輔助消能型式，結構簡單，經(jīng)濟實用，充分發(fā)揮了其消能效果，該成果已被工程所采納。

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