階梯式消能在壩口河水庫溢洪洞中的應用

段勝禹，邱 勇，陳秋蓉，王尚今，李鑫龍

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

通訊作者：邱 勇(1971年—)，男，教授。

壩口河水庫坐落于云南省鎮雄縣烏峰鎮，位于烏江一級支流六沖河的右岸支流上，總庫容為1375.20萬m3，壩高為71.40m。水庫校核洪水位(P=0.1%)為1608.78m，下泄流量為110.36m3/s；設計洪水位(P=2%)為1607.93m，相應流量為52.57m3/s；消能防沖洪水(P=3.33%)下泄流量為49.76m3/s。樞紐建筑物包括瀝青心墻土石壩、溢洪洞、輸水隧洞、泄洪(導流)放空洞。

溢洪洞軸線靠左壩肩布置，全長336.690m，由進口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段組成。

進口段(溢0-006.038—溢0+000.000)為圓弧導墻，底坡為平坡，底板高程1602.000m?？刂贫?溢0+000.000—溢0+011.600)采用WES實用堰，長11.60m，堰頂高程為1605.000m。下接1∶1.087的第一泄槽段(溢0+011.600—溢0+058.810)，后經反弧銜接1∶25的第二泄槽段(溢0+058.810—溢0+278.000)，寬度為5.00m，總長342.718m。消能段(溢0+278.000—溢0+317.000)采用底流消能，消力池長40.00m，寬5.00m，池深為1.50m，底板高程1549.70m。尾水渠段(溢0+317.000—溢0+336.680)坡度為1∶50，長18.70m，寬為5.00m。消能后水流直接進入河道。具體布置如圖1所示。

壩口河溢洪洞出口和下游河道近為正交，且右岸山體巖層為順向坡，出池水流直沖對岸，影響右岸岸坡穩定。

1 原設計方案試驗情況

溢洪洞原設計采用光滑泄槽+消力池的方案。根據水工模型試驗研究，在消能防沖設計工況下，原設計體型溢洪洞反弧段末端斷面(里程0+058.810)流速達23.21m/s，消力池進口處斷面流速達17.05m/s。消力池未形成有效淹沒，下泄水流呈挑射狀進入下游河道，流態極為紊亂，河道及岸坡沖刷在所難免。

此外，高水頭泄水建筑物泄洪時下泄水體能量較大，同時摻帶大量氣體，導致下游河道溶解氣體過飽和。而過飽和的水體會導致河道內魚類患氣泡病，甚至給水生生物特別是魚類帶來毀滅性的災難[7]。

2 階梯布置設計

針對上述問題，考慮在第一泄槽段增設階梯，以減輕出口消能壓力，同時改善下游河道水流摻氣現象：階梯位于里程0+010.060—0+058.810，起始斷面和控制段拋物線相切，出口位于原反弧段末端。臺階高度0.60m、長度0.75m，階梯數量65級，如圖2所示。

圖1 溢洪洞縱斷面圖

圖2 第一泄槽段階梯布置示意圖

3 階梯消能水力特性

3.1 特征工況流速變化

流速表征流體在單位時間內流過的距離，大小可以反映底板穩定、沖磨破壞及空蝕破壞的影響。

通過水工模型試驗，測得增設階梯后，反弧段末端和消力池進口的流速見表1。

由表1知，對于原設計體型，在里程0+058.810(反弧段末端)處，5年一遇洪水流速已達20.63m/s，增設階梯后，流速下降至12.97m/s，降幅37.13%；設計洪水情況下，流速為23.73m/s，下降至16.82m/s，降幅為29.12%；校核洪水時，流速從28.04m/s下降至21.91m/s，降幅21.86%。

由于第二泄槽段產生壅水曲線，在消力池進口斷面(里程0+278.000)，上述工況下的流速較之反弧段處下降幅度均超過20%。

表1 增設階梯前后不同工況特征斷面流速變化情況 單位：m/s

注：v1、v3是原方案特征斷面流速；v2、v4是增設階梯后特征斷面流速。

結合流態分析，5年一遇洪水流量時，里程0+017.060處水深0.51m，階梯泄流已為滑行水流，但階梯切割作用仍然較為明顯，角隅處可見少許的氣泡旋滾；里程0+020.810附近，角隅處的氣泡旋滾已經擴大為穩定的漩渦，表明沿程水流漸趨紊亂；同時，階梯水體表面的水氣摻混顯著增強，水氣交界面呈現明顯的乳白色。隨著水深進一步減小(0.39m)，里程0+041.450處，泄流開始表現出過渡水流特征，階梯的加糙作用更為明顯，角隅處有順時針方向的漩渦，部分角隅處偶見密閉空腔，水體內部紊動增強；階梯末端(里程0+058.810)水深(0.34m)進一步減小，水流近呈跌落狀進入第二泄槽段，階梯角隅處可見回水空腔。

設計洪水流量時，整個階梯上水體均表現為滑行水流：自里程0+010.060開始，泄流水體均呈透明狀，階梯幾乎未對水體產生有效切割；在0+033.941(水深0.56m)處，角隅處出現氣泡旋滾，表明階梯切割作用逐漸顯現，里程0+038.441開始，角隅處趨于穩定，階梯水流表面開始自摻氣；階梯末端(水深0.53m)角隅處有穩定的順時針漩渦，尺度達0.60m。

校核洪水流量時，階梯上為完全的滑行水流：自堰頂(水深3.41m)以下，階梯作用不明顯，只是在里程0+048.200處(水深0.54m)，可以觀察到角隅處的穩定漩渦，尺度為0.45m；階梯末端角隅處的漩渦隨同水流下泄，斷面水深0.53m，小于原設計的隧洞直墻高度，表明增設階梯后，原有隧洞凈空能夠滿足要求。

3.2 能量變化及階梯消能率

水體所具有的能量(泄洪功率)表征下泄水體對下游的沖刷能力。通過試驗，測試得到增設階梯后特征斷面的能量變化情況見表2—3。

表2 增設階梯后不同工況特征斷面能量變化情況

注：E1為原設計體型反弧段末端斷面能量；E2為增設階梯后反弧段末端斷面能量；η1為階梯消能率。

根據表2，第一泄槽段增設階梯后，在反弧段末端(里程0+058.810)，消能防沖洪水時，下泄水體能量水頭由27.91m下降至13.21m，消能率達到52.67%。即便是設計洪水，階梯消能率也可達到51.01%；校核洪水情況下，階梯消能率為42.86%。

消能防沖洪水流量時，整個階梯上水體均表現為滑行水流：自里程0+010.060—0+031.690，階梯以上水體呈透明狀，階梯的加糙作用不明顯；從里程0+031.690—0+058.810，階梯角隅處同樣可見順時針方向橫軸旋渦，階梯的加糙作用增加明顯，水流紊動增強，水體之間的碰撞以及水體和固體邊界之間的摩擦、撞擊加大，整個階梯上部水體呈現為乳白色的水氣混合流。亦即，下泄水體的位能，相當一部分已經通過水體內部的旋滾、撞擊以及和固體邊界的摩擦，轉化為熱能耗散。

隨流量增加，階梯對下泄水體的加糙作用下降，水流流態趨于好轉：無論是設計洪水，還是校核洪水，其反弧段斷面的消能率均有降低。

表3 不同工況消力池進口斷面能量變化情況

注：E3為原方案消力池進口斷面能量；E4為改進后消力池進口的斷面能量。

由表3可知，第一泄槽段增設階梯后，在消能防沖洪水情況下，消力池進口斷面(里程0+278.000)能量由15.41m下降為9.51m，設計洪水、校核洪水亦即其它特征工況對應洪水下的能量也有明顯降低。消力池進口能量的減小，有效改善池內水體紊動程度，消能后水體摻氣量相應減輕，水體溶解氣體飽和度下降，客觀上減輕了消能后水體對下游河道水生動物原有棲息環境的不利影響。

3.3 小流量(常遇洪水)流態演變

對于水庫運用而言，溢洪洞能夠遭遇到的洪水多為小流量。階梯消能需要避免在常遇洪水情況下受到破壞。

根據試驗研究，得到壩口河水庫溢洪洞第一泄槽段增設階梯后，小流量情況下的水流流態演變如圖3所示。

圖3 階梯水流流態示意圖

流量逐漸增大時，階梯上開始出現附壁水流，水體沿階梯呈折線狀貼壁下泄，然后水體直接跌落在階梯上，形成多級跌水。由于固體邊界限制，跌落水體和階梯側壁可見密閉的空腔，空腔內無積水，整個階梯上的水體呈“Z”型下泄。隨著流量繼續增大，水體的跌落點沿階梯長度方向前移，空腔變大，空腔內開始出現積水如圖3(a)所示。

當流量大于1.24m3/s時，水體開始淹沒階梯，水流跌落現象逐漸消失，部分階梯空腔消失，在角隅出現沿泄流方向旋滾的水體，部分階梯處空腔仍舊存在，此時，階梯切線上層可見一層乳白色的水汽混合體，與階梯角隅處水體很好的融合如圖3(b)所示。當流量為6.70m3/s左右，階梯角隅處空腔都消失，可見穩定的水體旋滾，此時過渡水流開始向滑行水流過渡。

當水庫洪水超過5年一遇(Q=25.4m3/s)，溢洪洞下泄流量達到26.40m3/s時，整個階梯段為完全滑行水流如圖3(c)所示。階梯沿程上段可見明顯的清水區、摻氣發展區(階梯角隅處有順時針方向水體旋滾)和摻氣均勻區(順時針方向的旋滾尺度加大，上層水體呈現為乳白色的水氣混合流)。

綜上所述，常遇洪水在階梯上形成跌落水流或過渡水流所對應的流量值均較小，對階梯的安全穩定運行不構成威脅。

4 結語

根據壩口河水庫水工模型試驗研究，得出如下結論：在第一泄槽段增設階梯后，消能防沖洪水時，階梯能夠有效消減水體能量，消能率達到52.67%，消力池進口流速下降至13.01m/s，原有消力池體型能夠滿足水流平順要求；即使在校核洪水時，消能率仍可達到42.86%。此外，壩口河水庫溢洪洞階梯跌落水流和過渡水流的界限值為1.24m3/s；流量6.70m3/s時，過渡水流開始向滑行水流過渡；流量超過26.40m3/s后，階梯上形成完全的滑行水流。

增設階梯后，溢洪洞第一泄槽段消能效果明顯，有效減輕了出口消力池內水體紊動，使消能后水流含氣量降低，對下游河道具有明顯的生態效益。