跌坎消力池充水過程研究

張 浩

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

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跌坎消力池充水過程研究

張 浩

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

實際工程運行中，泄水前消力池無水是可能遇到的一個情況，此時就涉及到消力池的沖水過程。從無水到最終形成完整穩定的水躍的過程中，池內可能形成各種復雜紊亂的流態，這可能會對消力池底板或者尾坎造成一定的危害。針對消力池從無水狀態到最終池內形成穩定完整的水躍形態的整個充水過程當中，池內出現的復雜多變的流態的情況，通過系統研究分析，可采用如下運行方案：在消力池內無水的狀態下，將表孔閘門在小開度下運行一段時間，直至消力池內有足夠水墊后，再逐漸加大開度。

跌坎消力池；充水過程；水流流態；脈動壓強

0 引 言

消力池作為一種消能充分、結構簡單并且能夠適應各種地形條件等突出特點的消能工形式，在工程上得到了廣泛的應用。它的作用機理是將被擋水建筑物(如壩、堤等)攔蓄起來進行集中泄放的水流在較短的距離里由急流狀態迅速轉換為緩流，從而實現出池水流與下游河道的平順銜接，避免高速水流對下游河床或者岸坡造成較強的沖刷破壞[1]。

一般地，實際工程中的消力池由于自然降水或者前期工程運行等情況，在某次泄水之前消力池基本都保持著充滿的狀態，即池內水深與消力池尾坎等高。但是也存在著這樣的一些情況，即消力池檢修需要將池內水體排出又或者消力池板塊漏水等問題造成泄水前池內無水的狀態。這種情況下，在消力池最終形成穩定完整的水躍之前的一段時間存在一個消力池充水的過程，該過程中池內可能形成挑流、面流、戽流等一系列復雜的流態，雖然這段過程相對較短，但是也足以對消力池造成一定的破壞。

本文針對上述工程中可能面對的實際問題，結合某工程跌坎消力池，通過調節閘門開度及消力池內水深，觀察池內水流流態并對消力池底板脈動壓強進行測量分析，以期得出各變量對消力池充水過程的影響，從而對實際工程運行提供一定的研究支持。

本試驗結合某工程進行，該工程采用“表孔寬尾墩+溢流壩接跌坎消力池”的方式進行泄洪消能，表孔共5孔，每孔凈寬15 m。溢流面寬91 m，在反弧末端形成高6.5 m的跌坎，并通過扭面與底寬95 m、兩側斜坡坡度1∶0.5的梯形斷面的消力池進行銜接，消力池池長136.3 m，尾坎高22.5 m，迎水面坡度1∶0.3。試驗過程中保持庫區正常水位不變，并且始終只讓中間孔(即3#孔)參與泄洪。

1 消力池水深對流態的影響

圖1為單開3#中孔0.5 m、4種不同水深h(4 m、8 m、12 m、16 m)時消力池內水流流態。可以看出，當消力池水面低于跌坎一定距離(h=4 m)時，壩面下泄水流以挑流方式與消力池銜接，挑射水流在空中充分擴散并摻氣然后跌入消力池當中，此時進入池內的水體能量已經比較分散，所以不會對尾坎造成直接的沖擊作用，但是由于挑流的存在，水舌落點位置的沖擊壓強以及脈動壓強將相對較大；當池內水深為6.5 m左右時，形成類似遠驅水躍的流態，表層高速水流在下游水體上部運動，此時溢流壩下泄水流直沖尾坎，這對尾坎的結構安全有不利影響；當池內水深為8 m時，來流被下游水體托起，反弧段中部為高速下泄的水流，而兩側為波動水體，兩側水面高于中部運動水流水面；當池內水深達到12 m后，在反弧段形成淹沒水躍流態，反弧段內水流波動較強；隨著池內水深進一步增加，池內始終保持淹沒水躍流態，但躍首位置隨水深增加向上游移動。

試驗表明，當工作弧門開度一定時，消力池內水流隨著水深的逐漸增大依次呈現挑流、面流、遠驅水躍、淹沒水躍的流態。在最終形成完整穩定的水躍之前，由于池內無足夠的水體可供消能，這導致消力池剛開始充水的時段高速水流直沖尾坎，這對尾坎的結構安全有一定的不利影響。故而實際工程中遇到即將泄水而池內無水的情況時，可以考慮微弱開啟溢流表孔，事先緩慢地向消力池充水。

圖1 閘門開度0.5 m，不同池內水深時消力池流態

2 閘門開度對底板脈動壓強的影響

大量試驗及原型資料表明[2,3]，造成消力池破壞的主要原因不是時均壓強，而是由于紊流產生的脈動壓強，所以本文對消力池底板的脈動壓強進行了測量。

圖2分別為消力池水深不同時，各閘門開度下消力池底板脈動壓強均方根值σ的分布情況。可以看到，當消力池水深保持不變時，池底板脈動壓強隨著閘門開度的增大而逐漸增強，消力池水深為12 m和16 m時基本保持了一致的規律，這是因為，隨著閘門開度的逐漸增大，溢流壩下泄的水量逐漸增大，其攜帶的能量也逐漸增大，這就需要消力池具有更多的消能水體以實現來流從急流到緩流的迅速轉換。3#閘門開度為5.0 m、7.5 m時，各測點脈動壓強均方根值大于小開度時底板的脈動壓強，最大值為4.97×9.8 kPa，位于中線樁號(壩)0+147 m的測點，此時閘門開度為7.5 m；當消力池水深為16 m后，消力池底板中線脈動壓強均方根值同樣隨閘門開度的增大而增加，最大值出現在樁號(壩)0+147 m附近。

另外，當閘門保持小開度(e=0.5 m～2.5 m)時，消力池底板脈動壓強沿程基本保持一致，無較大的波動；隨著閘門開度的逐漸增大，在消力池前半部分出現了脈動壓強峰值，這是因為隨著來流量的增大，水體攜帶的能量也增大，高速水流開始出現下潛的情況，從而引起了底板脈動壓強的增大。

3 消力池水深對脈動壓強的影響

圖3為3#表孔閘門各開度對應不同消力池水深時池底板中線上脈動壓強均方根值的沿程分布情況。可以看出，當3#表孔閘門開度為0.5 m和1.0 m時，消力池底板脈動壓強均方根值較小，且隨池內水深的增加而呈現減小的趨勢。實測閘門開度1.0 m時脈動壓強均方根的最大值約為對比圖3a和圖3b可以看到，單開3#表孔，開度為0.5 m和1 m，當消力池水深為4 m時，消力池底板脈動壓強均方根出現最大值，根據該最大值出現的位置可以判斷其原因：是由于池內水深低于跌坎，下泄水流形成挑流，沖擊底板，該處水流對底板的作用強烈，壓強波動相對也大，造成脈動壓強相對較大；當消力池內水深超過8 m后，底板脈動壓強均方根值都小于0.8×9.8 kPa，壓強沿程分布變化相對不大。

圖2 相同水深條件下，σ隨閘門開度的變化情況

1.6×9.8 kPa，測點位于底板中線上樁號(壩)0+167 m處。

圖3c、3d為3#表孔開度分別為2.0 m、2.5 m時，消力池水深對底板脈動壓強均方根值的影響。3#表孔閘門開度2.0 m時，消力池底板脈動壓強均方根的最大值為2.04×9.8 kPa，位于中線樁號(壩)0+147 m的測點，此時池內水深8 m；3#表孔閘門開度2.5 m時，消力池底板脈動壓強均方根的最大值為1.52×9.8 kPa，位于中線樁號(壩)0+171 m的測點，此時池內水深8 m。結合流態觀察，當池內水深8 m，閘門開度2 m、2.5 m時，下泄水流以面流形式進入消力池，嚴重時甚至直沖尾坎，池內水流波動劇烈，底板脈動壓強主要體現了水流流態對底板的作用。

圖3 固定閘門開度條件下，σ隨消力池水深的變化情況

4 結 語

從分級開啟試驗結果來看，底板脈動壓強均方根值隨消力池水深增加而減小，隨閘門開度增加而增大；從動態開啟過程中底板脈動壓強均方根值的測量結果來看，當開度不超過2.5 m，閘門開啟過程中消力池底板脈動壓強均方根與正常庫水位泄洪時底板的脈動壓強均方根相比較小；從閘門開啟至某一開度給消力池充水過程中消力池內水流流態來看，當開度大于1 m時，中間會出現表層水股直接沖擊消力池尾坎的現象，而開度為0.5 m時，不會出現直接沖擊尾坎的現象。

實際工程運行中，泄水前消力池無水是可能遇到的一個情況，此時就涉及到消力池的沖水過程。從無水到最終形成完整穩定的水躍的過程中，池內可能形成各種復雜紊亂的流態，這可能會對消力池底板或者尾坎造成一定的危害。針對消力池從無水狀態到最終池內形成穩定完整的水躍形態的整個充水過程當中，池內出現的復雜多變的流態的情況(這些情況造成的最直接后果就是消力池底板脈動壓強增大或者消力池尾坎直接受沖等)，通過系統研究分析，可采用如下運行方案：在消力池內無水的狀態下，將表孔閘門在小開度下運行一段時間，直至消力池內有足夠水墊后，再逐漸加大開度。

[1] 吳持恭.水力學(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 姜文超，梁興蓉，應用紊流理論探討脈動壓力沿縫隙的傳播規律，水利學報，1983，9，PP53-59.

[3] 趙耀南，梁興蓉，水流脈動壓力沿縫隙的傳播規律，天津大學學報，1988,3，PP55-65.

(責任編輯：卓政昌)

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2017-05-09

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B

1001-2184(2017)03-0117-03

張 浩(1988-)，男，安徽宿州人，工程師，四川大學農業水利工程專業畢業，從事水利水電工程設計工作.