跌坎型消力池底板脈動壓強試驗研究及體型優化

盧洋亮　尹進步　張曙光　陽洲　楊浩宇

摘要：脈動壓強是衡量消力池底板安全穩定的重要指標，當泄槽末端與跌坎型消力池進口采用突擴或漸擴銜接時，消力池內脈動壓強分布較為復雜。為了深入研究跌坎型消力池的脈動壓強分布特性，基于金沙江梨園水電站構建了1∶50的物理模型，對高水頭、大單寬流量下跌坎型消力池底板脈動壓強分布開展系統研究。研究結果表明：跌坎突擴型消力池底板的前中部與泄槽延長線附近脈動壓強普遍較大;將突擴調整為漸擴后，減輕了立軸漩渦對底板的作用，脈動壓強系數最大值降低16.4%，但仍然超過安全閾值;將入射角由-10°優化為-8°后，各工況下脈動壓強系數最大值降幅分別為37.4%，23.6%，62.1%，該優化體型在各工況下的脈動壓強均為低頻振動，不易對消力池底板產生共振破壞。

關鍵詞：跌坎型消力池; 體型優化; 入射角; 漩渦; 脈動壓強系數; 物理模型試驗

中圖法分類號： TV653

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.032

0引 言

跌坎型消力池的消能原理是在常規底流消力池的基礎上，底板整體下挖形成跌坎，入射水流在跌坎作用下沿程擴散形成淹沒射流，并與周圍水體發生強烈的紊動混摻和剪切作用，以有效降低臨底流速[1-3]。國內外相關研究成果表明，邊墻兩側突然擴大形成突擴，可使入池水流充分紊動剪切，增加能量耗散以提高消能率[4-5]。雖然跌坎和突擴可降低消力池內臨底流速，但是在跌坎作用下入射主流下方會形成順時針橫軸漩渦，同時受卷吸作用影響，在突擴后形成立軸漩渦，橫軸和縱軸漩渦疊加[6-8]致使跌坎突擴型消力池內脈動壓強分布尤為復雜，作用在消力池底板的脈動壓強容易引起底板破壞[9-10]。

以前的大部分研究主要關注跌坎消力池中心線沿程縱向脈動壓強分布，但針對跌坎突擴和跌坎漸擴型消力池底板脈動壓強橫向分布規律研究較少，故有必要通過物理模型試驗深入分析，以為相關跌坎型消力池設計提供一定參考。

1工程簡介

針對向家壩等相關工程[11]的試驗結果表明，跌坎型消力池在降低消力池臨底流速與底板脈動壓強方面發揮了很好的作用。基于這一思路，金沙江梨園水電站溢洪道消力池進口也采用跌坎型底流消能工。該溢洪道水平全長約790 m，由引渠、閘室、泄槽、消力池、護坦5部分組成。泄槽寬73.50 m，消力池寬111.00 m，突擴比為1.51，該工程體型布置見圖1，典型運行工況參數見表1。

2試驗布置

物理模型為正態單體模型，按照重力相似準則1∶50比尺布置，選取3種運行工況，閘門運行方式為4孔全開。溢洪道為對稱布置，為全面了解消力池底板水流脈動特性，共布置50個脈動壓強測點，包括消力池中線、3號孔中線（A列）、3號、4號孔閘墩軸線（B列）、4號孔中線（C列）和泄槽末端延長線（D列）5列測點，測點布置見圖1。測試儀器采用中國水利水電科學研究院研制的DJ800軟件及其脈動壓力傳感器，試驗中采樣頻率為50 Hz，每一測點采樣歷時T=81.92 s，采樣時間間隔約Δt=0.02 s，采樣次數N=4 096次。為反映來流條件，引入無量綱化參數流能比k：

k=q/（g0.5h1.5）（1）

式中：q代表泄洪單寬流量，m2/s;h代表溢洪道上下游水頭差，m;k可衡量流量和水頭的綜合作用[12]。

3原消能方案及其存在的問題

3.1消力池底板脈動壓強系數分布

本次模型試驗采集的脈動壓強信號是恒定流情況下采集而得，可視為一次時間平穩隨機過程。脈動壓強均方根是衡量脈動壓強隨機過程的幅值特性[13]，其定義為

就跌坎突擴型消力池縱向分布而言，3組工況下在泄槽末端均形成微淹沒水躍，該區域屬于強紊流區，水躍引起的紊動和自由表面的波動都會對消力池底板的脈動壓強分布造成重要的影響。從圖2（a）可以發現：3組流能比下脈動壓強在消力池前部均較小，由于橫軸漩渦導致水流紊動十分劇烈，在底流旋滾區末端與沖擊區逐漸增大并達到峰值，在中后段臨底流速降低且分布較為均勻，故脈動壓強逐漸降低且趨于平緩，該分布與時均壓強沿程增加趨勢存在一定差異;流能比越小代表水流承載能量降低，脈動壓強系數也隨之增大。

文獻[14]的分析結果表明：當跌坎高度不變時，跌坎下水流再附長度隨泄洪流量的減小會有所減小，而跌坎下的再附長度也是一種能量的體現，流量減小，立軸漩渦與橫軸旋滾兩種作用傳遞的能量都在減小，故消力池底板脈動壓強也會隨之減小。

消力池底板紊動壓強系數橫向分布見圖2（b），當k=0.06時脈動壓強系數沿x軸方向基本保持一致，但是橫向分布存在較大差異，在消力池前部先增大后緩慢減小，C列測點脈動壓強系數達到峰值，該列測點最大值將近是消力池中線最大值的3倍。

3.2原方案存在的問題

目前對于底流消力池脈動壓強指標控制尚無統一標準，本文采用謝省宗[15]提出的脈動壓強均方根作為控制指標，其消力池底板脈動壓強均方根為泄槽末端入池流速水頭的5%～10%，即：

σp′=（0.05～0.1）V2c/（2g）（4）

各工況脈動壓強系數控制指標見表1。由模型試驗實測入池流速可知，k=0.06時消力池底板脈動壓強均方根應該控制在3.32～6.64 m，則相應脈動壓強系數控制在0.034～0.068范圍以內。

圖2（b）明顯可看出，當k=0.06時C列測點最大脈動壓強系數高達0.12。根據已建成的安康、景洪、五強溪等3個消力池底板破壞案例和向家壩、索風營、東風、阿海等未見有失穩破壞報道的工程，若將脈動壓強均方根的安全閾值控制在5 m水頭，超過安全閾值5 m水頭的工程消力池均發生了破壞，而脈動壓強均方根低于5 m水頭的工程結構安全性能大大提高。顯而易見k=0.06時C列測點最大脈動壓強明顯超過該安全閾值，