某閘壩工程跌坎底流消力池體形優化試驗研究

崔曉玉，李奇龍，李大貴，張宗孝

(西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048)

目前國內修建了很多以灌溉、發電、防洪為主要任務的水利閘壩樞紐工程，工程建設中遇到很多需要解決的問題[1-3]。低弗勞德數水流的消能問題是閘壩建設難題之一[4-5]。低Fr水流易在消力池內產生波狀水躍，消能效率低、躍后余能大，易引起下游河道基巖的沖刷。工程中常采用多級消力池、池內增設輔助消能工等措施來改善消能[6-8]。黃河天橋水電站泄洪閘在設計與校核洪水流量時，消力池流態及消能不滿足要求，呈遠驅式水躍，后消力池采用折線型，且池長增至64 m，改善了池內水流條件，實現了充分的水躍消能[9]。但由于池長增加、消力池折線型設計，體型復雜、工程造價增加。遼寧清原水庫泄洪道泄洪具有低Fr、消能率低特點，經研究采用加深消力池，在護坦段加設消能墩的措施來消除余能，平順水流[10-11]。本文以某水電站工程為例，針對閘孔局開時，下游水位低、單寬流量大、入池水流Fr小，消力池內易存在不穩定水躍流態和消能率低等問題，進行了消力池的體型優化研究，并提出一種適應水流條件強、流態穩定、消能充分、簡單經濟的消力池體型。

1 工程概況

本工程為混凝土閘式溢流壩，壩頂高程247 m，最大壩高58 m。擋水建筑物從右到左為右岸非溢流壩段、右7孔沖砂泄洪閘壩段、右導墻壩段、左5孔沖砂泄洪閘壩段、左導墻壩段、主機間壩段、安裝間壩段。其中左5孔沖砂泄洪閘壩段為主要的泄洪消能段，閘室后接消力池，該段共5孔閘室，單孔凈寬14 m，閘墩厚4.5 m，采用弧形閘門控制水流。消力池采用底流消能方式，為小挑角跌坎消力池。左5孔的中孔沖砂泄洪閘縱剖面見圖1。該工程采用百年一遇洪水標準設計，對應流量27 500 m3，庫水位240.25 m，電站運行正常蓄水位241.0 m。設計水位下，左5孔單孔下泄設計流量2 260 m3/s。

圖1 左5孔沖砂泄洪閘縱剖面(單位：m)

2 模型設計、試驗量測與試驗工況

2.1 模型設計與制作

本文采用模型試驗的方法進行研究，選擇左5孔沖砂泄洪閘的中閘孔進行單體模型試驗。試驗模型按重力相似準則設計，幾何比尺為1∶40。模型過流寬度選擇中閘孔與兩側相鄰1/4閘孔寬度進行模擬，上游庫區與下游河道按等寬模擬。上游庫區按定床模擬，模擬長度200 m；下游消力池后進行動床模擬，動床模擬長度160 m，動床后再按定床延長模擬120 m。動床模擬時，基巖抗沖流速4.0 m/s，模型采用0.8～1.6 cm當量直徑的砂礫石模擬，鋪沙高程211 m。沖砂閘閘室段與消力池模型采用有機玻璃模擬制作，以保證邊壁對水流阻力的相似。

2.2 量測內容與方法

試驗對水流流態、壁面壓強、水面線、流速、脈動壓強等水力特性進行了量測。其中，流量采用矩形薄壁堰量測；上下游水位、水面線用精度為0.1mm的水位測針量測；流速用畢托管量測；壁面壓強用測壓管量測；典型工況下堰面曲線、挑坎及消力池底板等位置，采用脈動壓力傳感器與DJ800數據采集系統進行了脈動壓強量測。

2.3 試驗工況

試驗工況見表1。

表1 試驗工況

3 原設計方案試驗成果

3.1 流態

工況6、7下閘門全開，上、下游水位差小，流態穩定。工況5時，下游水位相對較高，消力池內為淹沒水躍，躍首位于挑坎前，流態良好。工況4時，上、下游水面落差變大，在挑坎處水面略有挑起，并在消力池前部產生二次水躍，消力池內水面出現較大幅波動。工況3時，閘門局開且開度較大，閘孔底部為有壓孔口出流，出流較急，挑坎處水面挑起后在坎后跌落明顯，消力池內水面波動大，流態不穩定。正常蓄水位閘門局開5 m和8 m時，由于上下游水位差較大，閘孔出流流速較大，在挑坎前會形成表面小水躍，挑起水流受水躍影響出現小幅擺動且不穩定，當跌落至消力池后使得產生的二次跌落水躍也不穩定，池內水面劇烈波動，流態差。

試驗還發現，在正常蓄水位閘門單孔敞泄時，當下游水位降低且池內水面低于挑坎水流頂部高度時，會呈現與閘孔局開5 m和8 m工況相同的不穩定流態。當下游水位繼續升高，當水躍發展至挑射水流的整個中上層，挑射水流紊動會更為劇烈，進而引起消力池后水面大幅波動震蕩。當下游水位升高至與挑射水流頂部高程相同時，則呈臨界淹沒狀態，此時挑射水流不明顯，水躍位于挑坎前，且躍首位置相對靠前，挑坎處與消力池前部為淹沒水躍；由于受挑坎的影響，一定程度上破壞了臨界淹沒水躍整體結構，流動較復雜，紊動也較劇烈。

3.2 壁面壓強

閘室堰面、挑坎及消力池壓強分布基本合理。弧形閘門局開時，堰面曲線段將出現較小負壓，上述試驗工況，閘門局開2.78、5.0 m和8.0 m時，最大負壓-0.5、-1.8、-1.2 m，由于負壓值較小，且堰面流速不超過20 m/s，因此不易發生空化空蝕。

3.3 水面線與流速

3.3.1水面線

當閘門開度較大時，消力池內水面波動較大，閘門開度越大，上游水位越高，水面起伏與波動也將越大。在工況3時，挑坎最高水面與消力池前部水面差約4.6 m，池內最大水面波動約4.4 m。

對于閘門局開5 m和8 m工況，上下游水位落差大，下游水位低，挑坎最高水面與消力池前部水面差分別約4.1、4.3 m，池內最大水面波動約2.3、2.8 m，水面起伏與波動大。

3.3.2流速

閘門局開時，堰面最大流速約20 m/s，工況3時，出消力池后的下游河道表面流速略大，最大流速約6.7 m/s。全開敞泄時，流速明顯減小，設計洪水工況時斷面最大流速不超過7 m/s。

對于閘門局開5 m和8 m工況，由于上、下游水位落差大，堰閘段和消力池內流速均較敞泄工況大。堰面曲線最大流速分別約21.7、21.5 m/s，消力池前段底部產生漩渦為負流速，最大約-3.7、-3.9 m/s，消力池后段底部最大，流速約4.6、3.2 m/s。其中，閘門局開8 m工況水面線與流速分布見圖2。

圖2 原方案正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線及流速分布(單位：高程，m；流速，m/s)

4 原設計方案中存在的問題與體型優化

原方案試驗成果表明，當閘門局開，上、下游水位差較大，下游水較低運行時，消力池內因挑坎挑射水流與池內水流銜接易產生不穩定流態，水面波動大。經計算，各全開工況，最大Fr數為1.26，局開工況下，閘門局開2.78 m入池水流Fr數最大為4.98，可見，該泄洪閘運行時多為低Fr入流泄洪消能。消力池內水位由低于挑射水流頂部高程，逐漸升高至接近，再到超過其頂部高程，挑射水流與池內水流銜接將會產生類似挑流消能、面流消能和底流消能3種形式。挑流消能易造成池內水面波動大，且挑射水流表面若存在水躍，隨水躍增強會引起挑射水流形成小幅擺動，并引起池內水面波動加劇；面流消能易導致下游水面波動大，同時消能率也較低；而該底流消能受挑坎影響而水躍結構不完整，是造成水流不穩定的主要原因。

為了避免和解決原方案中的上述問題，根本在于解決入池水流與池內水流的銜接問題，因此取消消力池入池挑坎，改為平角跌坎，并為解決池內消能，在消力池內布置消力坎，其位于距池首35 m位置處。

5 優化方案試驗成果

5.1 流態

各全開工況，上下游水位落差小，水流銜接平穩，流態良好。

閘門局開時，由于小挑坎調整為平角跌坎，解決了入池水流與池內水流銜接問題，池內均呈穩定的淹沒水躍消能流態。且由于池內增加了消力坎，池內消能可以得到保障，在閘門局開開度較大、下泄流量較大時，消力坎前后的兩級消力池內水流穩定。其中，在一級消力池內為穩定的底流式水躍消能，在消力坎及二級消力池內形成消力坎處水流微弱涌動、二級池內形成反向漩滾的類似戽流消能的流態。消能大部分主要集中在消力坎前的前一級消力池內，消力坎處也未見明顯的雍水或大幅的水面起伏現象，池內流態良好。

優化方案較好地解決了原方案中閘門局開且上下游水位落差大時，消力池內水流劇烈紊動和水面大幅波動問題；同時也避免了小挑坎挑射水流與池內水流銜接時，因不同下游水位而出現不同流態轉換的問題。

5.2 壁面壓強

閘室堰面曲線、消力池及池內消力坎等各過流曲面上，壓強分布均合理。閘門局開時，堰面曲線的較小負壓與原方案基本一致。其中，正常蓄水位閘門局開8 m工況下各位置壁面壓強分布見圖3。

圖3 優化方案局開8 m壁面壓強分布(單位:m)

5.3 水面線和流速

5.3.1水面線

閘門全開在各工況下水面銜接均平穩。對于閘門局開工況，出閘孔水流在消力池內形成水躍，水躍局部存在較大水面起伏。池內消力坎位置未見明顯的水面起伏，在消力坎后的消力池內，水面沿程變化平穩，波動也較小。出消力池尾坎處水面變化也小，無明顯跌落。正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線見圖4。可見，優化方案有效地改善了原方案中特別是局開工況下的小幅挑射水流與池內水流水面銜接與水面波動等問題。

圖4 優化方案正常蓄水位閘門局開8 m工況水面線與流速分布(單位：高程，m；流速，m/s)

5.3.2流速

閘門局開時，一級消力池內臨底水流速度均較小，不超過10 m/s，二級消力池內更小，不超過4.6 m/s。消力池前跌坎與消力池內消力坎的存在較大程度地抑制了消力池內臨底流速。消力坎頂最大流速不超過14 m/s。出消力池后的下游河道內流速均較小，且沿斷面分布較均勻，臨底流速最大不超過3 m/s。其中，正常蓄水位閘門局開8 m工況的水面線及流速分布見圖4。

5.4 脈動壓強

堰面曲線上會出現較小負壓，最大瞬時負壓僅為-29.2 kPa，負壓值在安全范圍內，不影響結構安全；均方根在閘門局開下的消力池前部局部位置略大，最大為21.2 kPa，其余位置或其他工況各位置的水流脈動幅度均較小；最大優勢頻率僅在局開時消力池前部局部位置略大，最大3.787 Hz，其余位置及閘門全開工況各位置基本都小于1 Hz，屬低頻脈動，遠小于泄水建筑物的自振頻率，水流紊動不會對結構安全造成影響。

5.5 消能率

試驗對各工況下的消能率進行了計算，閘門局開時，消力池消能率在30%～60%；閘門全開時，消能率雖然較低，但此時各閘孔處于敞泄狀態，上下游水位落差小，下游水深深，流速小，即使消力池消能率低，但不會造成下游河道產生嚴重沖刷問題。可見，在閘門局開和閘門全開各工況下，采用兩級消力池的消能方式，均可以較好地滿足泄水建筑物各泄流條件下的消能要求。

6 結 論

(1)原方案采用小挑角跌坎消力池，在閘門局開、上下游水位差較大時，消力池內因挑坎挑射水流與池內水流銜接會產生類似挑流消能、面流消能和底流消能三種形式過渡的不穩定流態，水流紊動劇烈，水面波動大。

(2)取消原方案消力池入池挑坎，并在消力池內布置消力坎后，閘門局開不利工況下均為穩定淹沒水躍，水面沿程變化平穩。消力池前跌坎與池內消力坎較大程度地抑制了消力池內臨底流速，消力池內臨底水流速度均較小，不超過10 m/s。水流脈動為低頻脈動，不影響結構安全。

(3)采用平角跌坎消力池+池內消力坎方案，有效避免了小挑坎挑射水流與池內水流銜接時因不同下游水位而出現不同流態轉換的問題，從根本上解決了水流銜接引起的池內水流劇烈紊動和水面大幅波動問題。該消力池體型適應水流條件強、流態穩定、消能充分、簡單經濟，可為低Fr水流消能相關工程提供借鑒。