水庫(kù)溢流壩段底流消能模型試驗(yàn)分析

翟夢(mèng)恩，姚偉超，劉曉東

（浙江中水工程技術(shù)有限公司湖州分公司，浙江 湖州 313000）

水利水電工程的建設(shè)工作重點(diǎn)在于保證水庫(kù)的安全，同時(shí)使工程效益最大化，由此重中之重在于如何建設(shè)泄水建筑物[1]。泄水建筑物的造價(jià)約占水利水電工程總造價(jià)的1∕2，因此，選取適當(dāng)?shù)男顾ㄖ锛跋茴愋停瑢O大影響到水利水電工程的安全和經(jīng)濟(jì)成本[2，3]。通過研究排水結(jié)構(gòu)及消能結(jié)構(gòu)對(duì)水力特性產(chǎn)生的影響，最終得到增加防挑蓋板的T形消力池能夠有效提高消能效率。該方法分析T形消力池的長(zhǎng)度和形狀，發(fā)現(xiàn)布置T 形墩和適當(dāng)增加高尾坎能夠顯著提高消力池的消能率。

試驗(yàn)中，水庫(kù)工程的泄水建筑物選取溢流表孔堰，通過水工模型得到消力池最初設(shè)計(jì)較短、水流流態(tài)較差、未能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，且河道斷面平直段較短、周圍施工圍堰和導(dǎo)流隧洞的位置導(dǎo)致消力池的長(zhǎng)度不能增長(zhǎng)的結(jié)論[4，5]。根據(jù)以上因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，通過在消力池中擺放輔助消能器，觀察是否可以提高消能效率。

本文以白水水庫(kù)為例，開展相關(guān)水工模型試驗(yàn)，分析消力池水流流態(tài)、流速和消能特性情況，為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

白水水庫(kù)正常蓄水位1257.51m，總庫(kù)容1364萬m3，平均供水量1 362.8萬m3。大壩由引水壩段、溢流壩段和擋水壩段等構(gòu)成，為碾壓混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)181 m，壩頂寬6 m，壩頂高程1 259 m，最大壩高51 m，最低建基面高程1 189 m。消力池為54 m×13.6 m，底板高程1 189 m，兩側(cè)邊墻坡度1∶0.4，在消力池的末端布置尾坎，高為8.6 m，寬為3 m。該水庫(kù)消能通過底流消力池進(jìn)行，臨底流速大，會(huì)出現(xiàn)消能防沖問題。溢流壩平面，如圖1所示。

圖1 溢流壩平面布置

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的模型比尺采用1∶30，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則來進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)如下：長(zhǎng)度比尺λL，計(jì)算公式為式（1），采用值為30；糙率比尺λn，計(jì)算公式為式（2），采用值為1.87；流量比尺λQ，計(jì)算公式為式（3），采用值為4 938.61；流速比尺λv，計(jì)算公式為式（4），采用值為5.59。

應(yīng)用斷面板法構(gòu)成試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ痛笾掠缮嫌螏?kù)區(qū)與下游河道構(gòu)成，消力池主材料為混凝土，溢流壩主材料為有機(jī)玻璃，需要進(jìn)行水泥漿抹面。

本文主要是對(duì)溢流壩底流消力池消能防沖問題進(jìn)行研究，在消力池布置9個(gè)測(cè)量斷面。

2.2 流態(tài)

在消能防沖工況下，消力池產(chǎn)生側(cè)向回流現(xiàn)象，距離尾坎3 m 左右有主流向上水平方向翻滾的狀態(tài)，其上游與前端消力池水躍銜接，大涌浪將涌向消力池高臺(tái)。水流在尾坎處會(huì)有跌水形成，對(duì)下游河道形成沖刷。設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下，消力池后端水流涌浪與消能防沖工況下相比更猛烈，水流紊動(dòng)更加劇烈，維持著較高出池流速，并產(chǎn)生水躍現(xiàn)象。

2.3 流速分布

水流速度是代表水體動(dòng)能的物理量體現(xiàn)，在消力池中分別測(cè)量9 個(gè)斷面左岸、中部和右岸的表面和底部流速。通過試驗(yàn)，得到消力池前8 個(gè)斷面產(chǎn)生回流現(xiàn)象、流速為負(fù)，而最后1 個(gè)斷面流速為正。

在消能防沖工況下，表面流速最小位于8 號(hào)斷面，最快位于2 號(hào)斷面，消力池尾部明顯增快，其變化較為平穩(wěn)的是水平方向上的右岸和中部，左岸較大；底部流速逐漸下降，消力池尾部因?yàn)槲部沧钃鯐?huì)有較大的下降幅度，而在水平方向上沒有多大的差距，右岸要比左岸和中部大，出池較小。

在設(shè)計(jì)洪水工況下，表面流速與消能防沖工況下一致，前8 個(gè)斷面產(chǎn)生回流現(xiàn)象、流速為負(fù)，而最后1 個(gè)斷面流速為正，中部和左岸比右岸大，最大位于2 號(hào)斷面；左右岸和中部底部流速下降幅度一致，下降幅度增大的是消力池尾部，水流主要在表層集中。

在校核洪水工況下，表面流速與消能防沖工況下一致，前8 個(gè)斷面產(chǎn)生回流現(xiàn)象、流速為負(fù)，而最后1 個(gè)斷面流速為正，左岸比右岸和中部大，最大位于2 號(hào)斷面，消力池尾部流速上升快；底部流速左岸比右岸和中部小，因受尾坎阻擋會(huì)有較大降幅。

本方案在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下，消力池均產(chǎn)生了明顯的水躍跡象；因?yàn)樗鞑ɡ思y雜亂，一些小支流在消力池內(nèi)形成涌浪，進(jìn)而激起水流至消力池平臺(tái)之上。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)際運(yùn)行中由于尾坎處水面壅高，河道內(nèi)水流易產(chǎn)生二次水躍，造成下游河道破壞從而危及工程結(jié)構(gòu)安全。

3 跌坎+T形墩

3.1 體型設(shè)計(jì)

堰面下游應(yīng)用水平跌坎，高度2 m，使得消力池底板標(biāo)高減少到1.185 m，尾坎末端降至7.4 m。T形墩主要用于分流、阻流，可進(jìn)行渦流測(cè)量，擴(kuò)大旋流水總量，強(qiáng)制水躍相對(duì)平緩，能夠提高消力池的消能效率。

傳統(tǒng)T形墩前墩厚2 m、高3 m、寬4 m，尾坎高5 m，支腿長(zhǎng)6 m。特定工程設(shè)計(jì)中，對(duì)T形墩各部尺寸制定需要選取恰當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)k。試驗(yàn)中，尾坎高7.4 m，選用k值為1.48合理，根據(jù)傳統(tǒng)T形墩的要求只能設(shè)計(jì)一個(gè)。

3.2 流態(tài)

在消能防沖工況下，采用跌坎消力池與T 形墩后，水流受T 形墩阻擋上揚(yáng)，產(chǎn)生水躍，通過橫軸旋滾能夠把大量水能消泄，效果比較顯著。但是，由于只能設(shè)計(jì)一個(gè)T 形墩，所以無法把T 形墩分流消能的作用充分發(fā)揮出來，仍然還會(huì)有涌浪涌出消力池3 m 左右，消力池內(nèi)水流不良流態(tài)依然沒有改善。因受T形墩的影響，在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下，尾坎的壅高水流有明顯降低，尾坎后跌水情況有所減弱，但是二次水躍在下游仍然還會(huì)出現(xiàn)，但水流銜接會(huì)更加平穩(wěn)。

3.3 流速分布

在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，表面流速受到T 形墩阻擋，1～7 號(hào)斷面會(huì)有回流產(chǎn)生，流速方向指向上游，除了回流斷面提前到T 形墩前墩以外，基本與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一致。

在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，底部流速變化規(guī)律與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一致，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。7 和8 號(hào)斷面（樁號(hào)0+078.30—0+084.50），受T形墩阻擋，流速大幅下降；最大流速達(dá)到21.35 m∕s，位于1號(hào)斷面；消力池尾部流速達(dá)到最小，基本保持在0.5～2.5 m∕s。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，跌坎+T 形墩方案消力池內(nèi)水流流速下降，二次水躍減弱，由此可以看出，消力池通過T形墩與跌坎的雙層設(shè)定消能效果更加明顯。但是，經(jīng)過單個(gè)T 形墩阻擋，水流涌浪較高，流態(tài)不良，不能完全發(fā)揮出T形墩的作用。而且，由于只能布設(shè)一個(gè)T 形墩，其流態(tài)以及消能沒有很大的改善。

4 跌坎+改良T形墩

4.1 體型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)T形墩前墩厚2 m、高3 m、寬4 m，尾坎高5 m，支腿長(zhǎng)6 m。本工程因?yàn)橄Τ氐装鍖挾扰c尾坎高度比值較小，所以只能設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)T 形墩。受此限制，T 形墩的消能效果很難發(fā)揮。為此，根據(jù)消力池底板寬度設(shè)計(jì)一種改良T 形墩，同時(shí)布置2 個(gè)，前墩厚3 m、高4.2 m、寬2.5 m，尾坎高8.5 m，支腿長(zhǎng)9 m。優(yōu)化T形墩，如圖2所示。

圖2 T形墩優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2 流態(tài)

在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，水流流態(tài)有著細(xì)微差別，最終都會(huì)在消力池中產(chǎn)生淹沒式水躍，同時(shí)會(huì)在溢流段反弧段末端產(chǎn)生水躍。當(dāng)水流躍入梯形消力池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向回流現(xiàn)象，主流被T 形墩阻擋隨之上升，發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)且有一定高度的強(qiáng)制水躍，而水平方向的水流均發(fā)生旋滾，使消力池中氣壓增強(qiáng)，由此可看到改良的T 形墩能夠?qū)崿F(xiàn)分流和消能效果。

跌坎+改良T形墩方案與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，消能防沖工況下消力池內(nèi)水流互動(dòng)使消能效果最佳。改良T 形墩和尾坎處的壅高明顯減少且流速下降，設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下水流流量較大且猛烈，因此消能效果更佳。校核洪水工況下，消力池兩側(cè)1 210 m 的高臺(tái)會(huì)發(fā)生涌浪上躍現(xiàn)象。在上述2 個(gè)大流量工況的試驗(yàn)中，水流經(jīng)過尾坎產(chǎn)生二次落差，同時(shí)一些水流會(huì)與河床發(fā)生反應(yīng)從而消能，效果顯著。消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，水流均屬于平緩的淹沒混合流，在經(jīng)過尾坎樁號(hào)0+090.80—0+121.80 段會(huì)有很小的二次水躍。綜上，改良后的T形墩消能效果更佳。

4.3 流速分布

在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，表面流速受改良后T 形墩阻擋，1～7 號(hào)斷面（樁號(hào)0+041.10—0+078.30）水流方向指向上游，回流斷面提前至改良后T形墩前墩。表面流速變化規(guī)律與上述2 種方案基本一致，其中左岸、中部略高于右岸，為2～3 m∕s。

在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，底部流速變化規(guī)律與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相同，表現(xiàn)為大致減小的趨勢(shì)。7～8號(hào)斷面由于改良后T形墩阻擋，水流流速大大降低，最大流速位于1 號(hào)斷面（樁號(hào)0+041.10）為17.75 m∕s，此時(shí)消力池尾部最低約為2.5 m∕s。進(jìn)入消力池內(nèi)流速下降，改良后T 形墩分流和消能效果更加顯著，水流在改良后T 形墩和尾坎處壅高明顯減少且流速下降，消力池下游二次水躍現(xiàn)象明顯減弱，水流為平穩(wěn)淹沒混合流，說明改良后T形墩消能更加充分[6，7]。

試驗(yàn)中，測(cè)量樁號(hào)0+090.80 斷面的出水流速，以評(píng)價(jià)水流是否對(duì)下游河道產(chǎn)生沖刷，結(jié)果詳見表1。在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下，跌坎+改良T 形墩方案的出池流速均有所減小且幅度多為2～3 m∕s，表明改良后的T 形墩可以有效降低水流速度，減少對(duì)下游河道的水侵蝕作用。

表1 不同工況下3種方案出池流速對(duì)比

5 消能效果分析

消能效果用消能率來表征，其計(jì)算公式如下：

式中：E1為上游進(jìn)口斷面總能量（m）；E2為下游出口斷面總能量（m）。

式中：z為各斷面位置水頭（m）；α取1；g為重力加速度（m∕s2）；v為流速（m∕s）。

為了對(duì)比消能防沖、設(shè)計(jì)洪水和校核洪水工況下消力池消能率的變化情況，設(shè)定消力池水躍之前的斷面為初始計(jì)算斷面。因?yàn)樗S現(xiàn)象發(fā)生前水流在斷面之上，很難去測(cè)量得到水深和流速，所以將溢流段堰頂設(shè)定為初始斷面1；水流流經(jīng)T形墩消力池尾坎時(shí)會(huì)喪失一些能量，進(jìn)而產(chǎn)生二次水躍，所以將T形墩消力池尾坎作為斷面2，以此求得消能率，結(jié)果詳見表2。由表2可知，跌坎和改良后的T 形墩并用大大提高了消力池整體消能率。伴隨著水流流量的升高，校核洪水工況下跌坎+改良T形墩方案的消能率最低，可以在維持下游消力池消能效率情況下使水流最大化減緩，能夠減輕對(duì)下游河床的沖刷作用。

表2 消能率計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

本次試驗(yàn)采用水力模型理論，以白水水庫(kù)為研究對(duì)象，選用溢流壩段底流消力池，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、跌坎+T 形墩和跌坎+改良T 形墩3 種方案下的水力特性開展對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）跌坎+T 形墩方案和跌坎+改良T 形墩方案下，消力池在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的不良水流流態(tài)不復(fù)存在，同時(shí)二次水躍現(xiàn)象減少，對(duì)河床沖刷程度較弱，說明T 形墩對(duì)分流和消能有一定的作用。但經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改良T形墩能更好地分流及消能，弱化水流流態(tài)，降低其出池流速，大大減輕了對(duì)下游河道的沖刷，消能效果更好。

（2）跌坎+改良T 形墩并用的整體消能效果最佳，在消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下消能率均大于70%。盡管校核洪水工況下消能效果較小，但經(jīng)綜合考慮認(rèn)為該方案可以保證消能后的水流更加平緩，有利于減輕對(duì)下游河道的沖刷，整體消能效果最佳。