消力池尾坎坡度對水躍及排砂效果影響的試驗研究

張春妮，田　忠，王　韋

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都610050)

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消力池尾坎坡度對水躍及排砂效果影響的試驗研究

張春妮，田忠，王韋

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都610050)

摘要：水電工程中常通過在消力池中形成水躍來消能，水躍的類型、發生的位置對于消能率和消力池長度等有重要影響。通過模型試驗研究了4種不同消力池尾坎坡度(i=∞、1∶2、1∶4、1∶10)下的躍首位置、水深和流速，分析了消力池尾坎的坡度對水躍位置以及消能率的影響，并對4個體型的排砂效果進行了觀察比較。試驗結果表明：消力池尾坎坡度越大，水躍位置越趨向上游，消力池所需長度越短，消能率越大，但排砂效果越差；在尾坎坡度為i=1∶2時，能較好的兼顧消能效率和排砂效果。

關鍵詞：消力池；尾坎坡度；水躍位置；消能效率；排砂效果

0引言

消能坎式消力池[1]是底流消能的形式之一，該型消力池既能消減高速水流的能量，也能縮短消力池長度，節省工程造價。目前，消能坎式消力池尾坎的常用體型是上游面為直立面的直角梯形體，韓守都、劉沛清等[2- 6]對尾坎的高度和位置、水躍的躍長和位置以及消能率等進行了研究；王均星等[7- 8]研究了消力池內輔助消能工對水躍消能效率的影響，提出消力池尾坎可縮減消力池長度、提高消能效率；張志昌等[9- 10]分析了消力坎式消力池淹沒系數、坎高的簡化計算方法和水躍長度的理論計算方法；羅嗣荃[11]用迭代法計算了平底寬矩形斷面水躍位置，簡化了常規的圖解法。

對于山區河流水電工程，上游面為直立面的消力池不利于排砂，而將尾坎上游面做成斜面將降低消能效率。為了獲得排砂效果較好，同時兼顧消能效率，本文結合某水電工程，在1∶50的水力學模型上進行了試驗研究，將消力池的尾坎坡度分別設為i=∞(上游面為直立面)、1∶2、1∶4、1∶10。

1理論分析

1.1躍首位置的分析

由于消力池的尾坎對水躍段水體產生反擊力，應用動量方程推導有尾坎時的水躍方程[1]為

(1)

或

(2)

(3)

或

(4)

式中，θ為消力池尾坎的上游斜面與水平面的夾角。

1.2水躍消能率的分析

水躍消能系數Kj為

Kj=E/E1

(5)

2試驗方法

試驗裝置由有機玻璃制作，幾何比尺為1∶50。模擬范圍包括上游水庫、引水電站、泄洪沖沙閘、混凝土消力池、框格梁及其下游河道。圖1和圖2分別為試驗裝置圖和消力池及4個體型的縱剖面圖，取邊孔沖沙閘為研究對象，消力池的模型長78 cm，寬26 cm，斜坡段坡度為1∶5，弧形閘門最大開度為24 cm，各工況中開度分別取e=1/4、1/3、1/2、3/4。流量測量采用矩形薄壁堰(測量精度0.1 L/s)，量堰寬99.5 cm；流場測量采用LGY-II型智能流速儀(精度1.0 cm/s)；水深和水躍位置測量采用鋼尺(精度1 mm)；上、下游水庫水位測量采用水位測針(精度0.1 mm)。

圖1　試驗裝置示意

圖2　消力池及四個體型的縱剖面示意

為了研究消力池尾坎坡度對水躍位置、消能率和排砂效果的影響，選取四種不同坡度的尾坎體型進行試驗。各體型的尺寸：①體型I尾坎坡度為∞，即上游面為直立面；②體型II尾坎坡度為1∶2，底邊長8 cm；③體型III尾坎坡度為1∶4，底邊長16 cm；④體型VI尾坎坡度為1∶10，底邊長40 cm。上述4種體型均高4 cm，寬26 cm。

3試驗結果及分析

3.1躍首位置的試驗結果及分析

本文旨在研究4個體型對水躍和排砂效果的影響差異，因此保證各體型在相同閘門開度下的試驗條件相同，即在4個體型的弧形閘門均取4個不同開度下，控制上游水庫為正常蓄水位、下游各體型相應工況取同一水位進行試驗研究。其中，消力池的理論長度用SL 265—2001《水閘設計規范》[12]中的消力池長度計算公式，由于試驗中體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水躍基本均發生在消力池的斜坡段，為便于測量計算，本試驗中取躍首位置(即以斜坡消力池進口為測量起點至水躍發生處的水平距離，見圖2)代替消力池斜坡段投影長度，消力池的實際長度計算公式為

(6)

(7)

圖3　躍首位置與尾坎坡度關系

3.2水躍消能效率的試驗結果及分析

將試驗所測得4個體型分別在不同開度、相同上下游水位工況下的躍前、后斷面的水深和流速，代入式(5)計算得出各工況的Fr1和Kj值，見表2。試驗結果表明，在閘門開度為1/4時，體型Ⅰ的Fr1為3.12，最大，Kj可達40%，消能效果最好；體型Ⅱ的Fr1為3.08，Kj為38%；體型Ⅲ的Fr1為2.99，Kj為36%；體型Ⅳ的Fr1為2.94，最小，Kj僅為32%，消能效果最差；且4個體型各工況下Fr1和Kj的大小趨勢均如此，即體型Ⅰ的Fr1最大，消能效果最好，體型Ⅱ次之，體型Ⅲ略低于體型Ⅱ，體型Ⅳ的Fr1最小，消能效果最差。由此可見，消力池尾坎坡度越大，Fr1越大，Kj越大，消能率越高，與理論分析相符。

表11/4 、1/3閘門開度下消力池長度計算的相關參數

閘門開度躍首位置L's/cm躍前水深h'1/cm躍后水深h'2/cm躍長L'j/cm實際消力池長L'sj/cm(L-L'sj)/LⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/4081625555.35.215.115.216.116.469.6970.3874.5277.2855.7564.375.6286.820.290.180.03-0.111/31.51018286.66.86.76.917.918.218.318.777.9778.6680.0481.4263.8872.9382.0393.140.180.07-0.05-0.191/20.2915249.49.39.59.420.821.522.122.578.6684.1886.9490.3963.1376.3484.5596.310.190.02-0.08-0.233/40.59.515.52613.213.313.413.423.223.523.623.76970.3870.3871.0755.765.871.882.860.290.160.08-0.06

注：L=78 cm，為消力池的模型長度。

表21/4 、1/3閘門開度下各工況的Fr1、Kj值

閘門開度Fr1KjⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/43.123.082.992.940.40.380.360.321/32.752.692.662.560.330.310.30.261/22.322.292.282.20.260.230.220.173/41.811.781.751.710.150.120.110.09

3.3排砂效果的試驗結果及分析

研究河流中消力池尾坎坡度對排砂效果的影響，用粒徑1 mm左右的砂石模擬推移質，在4個體型中均取閘門開度為1/2的工況下，待上下游水位穩定后在沖沙閘進口處放入等體積的砂石，放水1 h后再觀察消力池中排砂情況，見圖4。

圖4　4種體型排砂對比

試驗表明，體型Ⅰ消力池尾坎處砂石最多，排砂效果最差；體型Ⅳ消力池內基本無砂石，排砂效果最好；體型Ⅱ和體型Ⅲ尾坎處均有一定量砂石，但體型Ⅲ明顯較少；因此就排砂效果來看，體型Ⅳ最優，體型Ⅲ次之。即，消力池尾坎坡度越大，排砂效果越差。由此可見，在山區河流的消力池尾坎設計中，可適當減小消力池尾坎坡度以利于砂石等推移質的排出。

4結論

(2)消能系數Kj隨著尾坎坡度的增大而增大，則體型Ⅰ的消能效率最高，體型Ⅱ次之；但尾坎坡度越大，排砂效果越差，則體型Ⅰ的排砂效果最差。

(3)結合消力池長度的要求，兼顧尾坎坡度對排砂效果和消能率的影響，體型Ⅱ是所選試驗體型中相對較優的。體型Ⅱ的消力池尾坎坡度為1∶2，高4 cm，底邊長8 cm，不僅可以滿足消力池長度要求，不會增加施工成本，且消能效率高，排砂效果較好。

參考文獻：

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[2]韓守都， 劉韓生， 吳寶琴. 布侖口水電站消力池尾坎位置模型試驗[J]. 水利水電科技進展， 2012， 32(1)： 62- 64.

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[4]CHEN Duan， WANG Shan， HAN Jibin. Experimental research on the length of 3D hydraulic jump in joint energy dissipator[C]//Proceedings of 16th IAHR-APD Congress and 3rd Symposium of IAHR-ISHS， 2008： 2037- 2040．

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[12]SL 265—2001水閘設計規范[S]．

(責任編輯王琪)

Experimental Study on Hydraulic Jumps and Desanding Efficiency of Stilling Basin with Different End Slope

ZHANG Chunni, TIAN Zhong, WANG Wei

(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610050, Sichuan, China)

Abstract:The hydraulic jump in stilling basin is used to dissipate energy in hydraulic engineering. The kind and location of hydraulic jump has very important impact in the effect of energy dissipation and the determination of stilling basin length. The hydraulic jump location, water depth and velocity at four different end slopes (i=∞, 1∶2, 1∶4, 1∶10) of stilling basin are studied by model tests. The impacts of end slope on hydraulic jump location and energy dissipation ratio are analyzed, and the desanding efficiencies of four end slopes are also compared. The results show that: (a) when the end slope becomes lager, the location of hydraulic jump tends to move upstream, a shorter length of stilling basin need to be required, a better energy dissipation ratio can be obtained, but the desanding efficiency is worse; (b) When the end slope i equals to 1∶2, the energy dissipation ratio is higher and the desanding efficiency is also better．

Key Words:stilling basin; end slope; hydraulic jump location; energy dissipation; desanding efficiency

中圖分類號：TV135.2

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0107- 04

作者簡介：張春妮(1992—)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向為水工水力學；田忠(通訊作者)．

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51379138)

收稿日期：2015- 07- 08