李琳，王夢婷，白兆亮，譚義海

（新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

KYD水庫底孔泄洪洞平底漸擴式消力池優(yōu)化試驗

李琳，王夢婷，白兆亮，譚義海

（新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

通過新疆青河縣KYD水庫底孔泄洪洞平底漸擴式消力池設計方案的試驗，發(fā)現消力池池深、池長、邊墻高遠不能滿足安全泄流要求。優(yōu)化方案試驗結果表明，對于漸擴角1.37°的漸擴式消力池按等寬度矩形消力池估算時池長基本滿足要求，但是池深估算誤差較大。聯立溢洪道設計規(guī)范中的漸擴式消力池共軛水深計算公式和漸擴式消力池池深經驗公式可較準確地計算池深。為了減小躍后水流劇烈脈動，降低躍后水深，采用了懸柵式消能工。試驗結果表明，水躍淹沒度增大，懸柵起到了破碎柵條上部水躍劇烈回旋運動引起的表面漩滾，消力池內水深降低，最大水深減小1.0 m，陡坡段和消力內水流脈動明顯減弱，浪花濺起高度明顯小于加懸柵前。

底孔泄洪洞；懸柵式消能工；平底漸擴式消力池

底流式消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水躍發(fā)生的位置，通過水躍產生的表面漩滾和強烈的紊動以達到消能的目的。底流消能的消能池型式主要包括降低護坦高程的挖深式消力池和在護坦末端修建消能坎來壅高水位形成的坎式消力池。在實際工程中，由于溢洪洞或泄洪洞出口一般較窄，下游河床一般較寬，為了使溢洪洞出口的水流與寬闊的下游河槽平順銜接，工程中也常采用漸擴式挖深消力池和漸擴式坎式消力池。但對于漸擴式消力池，無論是水躍參數還是消力池深度的研究，都不如矩形消力池研究的深入和透徹，不同經驗公式的計算結果區(qū)別較大［1-5］，因此關于漸擴式消力池池深和池長的確定往往要通過水力模型試驗來確定。

新疆青河縣某水庫工程泄洪（放空）洞布置在左岸溢洪洞右側，進口高程1 462.00 m，上游段為壓力圓洞，洞長28.22 m，洞徑2.75 m；閘后為無壓城門洞，洞長220 m，斷面尺寸為2.75 m×4.2 m，全斷面混凝土襯砌，出口消能采用漸擴挖深式消力池，消力池進口底寬為3.52 m漸擴至5 m，即消力池底板為等腰梯形，漸擴角為1.371°。消力池底板高程為1 449.4 m，池深1.0 m，陡坡段底坡為1：4，池長30 m，池邊墻高3 m。泄洪洞最大泄流量69 m3/s，最大流速為21.47 m/s。設計洪水時采用表孔溢洪洞泄洪，底孔泄洪洞不參與泄洪，即泄流量為0，校核洪水時溢洪洞與泄洪洞聯合泄洪，校核洪水位為1 494.21 m。由于底孔泄洪洞水頭較大，流速較高，泄洪洞進口及洞身下游消力池的水流流態(tài)和消能效果如何需要通過水力學模型試驗對設計方案進行驗證，并根據試驗結果提出可行的優(yōu)化方案，為設計提供科學的參考資料。

1 模型設計及試驗工況

模型采用正態(tài)模型，按重力相似準則設計，即幾何相似，水流運動相似以及重力相似。根據試驗場地及供水條件，模型幾何比尺確定為1：30。其他比尺如表1所示。

模型模擬長度為670 m，其中壩上游庫區(qū)段80 m，壩下游段590 m。模型由上游水庫供水，上游水庫設有消浪前池和穩(wěn)水柵，以確保上游水庫進入模型的水流平穩(wěn)。下游渠道水位通過尾水閘板的開度來控制。模型流量量測系統(tǒng)由上游量水堰（水庫首部）和下游量水堰組成，入庫流量由上游量水堰量測，泄洪洞和溢洪洞過流量由下游量水堰量測泄洪洞引渠段、控制段、陡槽段、消能段均采用有機玻璃制作，并具有拆卸功能，便于觀察水流流態(tài)，能夠滿足修改模型和優(yōu)化設計的要求。有機玻璃的糙率為0.008～0.009，換算成原型為0.014～0.016，與混凝土糙率十分接近，可以滿足相似要求。上、下游水位由水位測針量測。各典型斷面的水流流速由畢托管進行量測，壓強由測壓管測讀。根據設計說明可知，底孔泄洪洞僅在校核洪水時與溢洪洞聯合泄洪，校核洪水位為1 494.21 m，設計泄流量為317 m3/s，其中泄洪洞設計泄流量為69 m3/s，溢洪洞設計泄流量為248 m3/s。因此，本試驗工況見表2。

表1 模型比尺Tab.1 Model scale

表2 模型試驗工況Tab.2 Model test conditions

2 消能工方案優(yōu)化

2.1 原設計方案試驗

原設計方案消力池布置見圖1。試驗表明，泄洪洞泄流量小于30 m3/s時，池內形成波狀水躍，由于沒有漩滾，消能率很低，并且部分動能轉變?yōu)椴▌幽芰浚涊^長距離后才能衰減；當泄流量大于30 m3/s小于50 m3/s時，消力池內形成遠離式水躍，水躍躍出池外，池長、池深均明顯不足；當泄流量大于50 m3/s時，消力池內無水躍形成，池內呈現急流直沖消力池尾檻，撞擊尾檻后形成遠超出邊墻高的涌浪（圖2）。試驗表明，設計方案泄洪洞消力池池深1 m、池長30 m、邊墻高3 m遠不能滿足安全泄流要求，應對原設計方案進行修改。

2.2 修改方案試驗

2.2.1修改方案一

由于底孔泄洪洞消力池為漸擴挖深式消力池，消力池底寬由3.52 m漸擴至5 m，消力池邊墻漸擴角僅為1.37°，且由于規(guī)范中未給出漸擴式消力池池深和池長的計算公式，修改試驗前先根據《水力計算》手冊按照矩形消力池池深、池長計算公式對該消力池進行估算，估算池深為3 m，池長約為48 m。由于池深加深，池底板高程降低，陡坡段坡度由原來的1：4改為1：3，邊墻高度增加至9 m。試驗發(fā)現，消力池池深、池長加大后，池內流態(tài)有了改善，消力池內形成了遠離式水躍，水躍躍前斷面位置位于2/3池長處（即樁號0+279.20處），池內水流脈動劇烈，水躍區(qū)水流翻騰跳躍，浪花四濺，流態(tài)惡劣（圖3）。在消力池出口至下游海漫段產生周期性的涌浪，涌浪高度超過扭面段邊墻高度。試驗結果表明池長48 m滿足要求，但是池深仍然不足。

2.2.2修改方案二

圖1 原設計方案消力池布置圖Fig.1 Arrangement plan of stilling basin of original design

圖2 原設計方案小于校核洪水時泄洪洞消力池流態(tài)Fig.2 Flow pattern in stilling basin of discharge tunnel when water level is less than check flood level

修改方案一的試驗結果表明，漸擴式消力池池長按照矩形消力池來估算，誤差較小，而池深估算值與實測值偏差較大。主要原因是漸擴式消力池由于邊墻沿程逐漸擴散，使得在同一流量下的躍后水深小于矩形斷面消力池的水深，即池內的實際水深值小于計算值，因此，按照矩形消力池估算消力池在某一深度下應形成稍有淹沒式水躍時，而實際池內可能會發(fā)生遠離式水躍。因此，按照溢洪道設計規(guī)范給出的計算共軛水深公式（1）和文獻［1］給出的漸擴式消力池深度公式（2）估算消力池池深。

式中：h2為第二共軛水深；h1為躍前水深；Fr1為躍前斷面佛汝德數；b1為消力池進口寬度；b2為消力池末端的寬度；d為消力池池深；σj為淹沒系數，一般取1.05～1.1；Q為流量；?為流速系數；E0為以下游河床算起的上游總水頭；ht為下游水深。將Q=69 m3/s，b1=3.52 m，b2=5.0 m，ht=2.12 m，h1= 0.91 m代入式（1）、式（2）中，計算消力池深度為4.2 m。

為了減少工程造價，避免消力池進一步挖深，根據計算池深4.2 m，保持修改方案一池深3 m不變，在消力池尾檻頂上增加一梯形消能坎，坎高1.2 m，頂寬1 m，底寬2 m，邊坡為1：1，其他尺寸與修改方案一相同。試驗發(fā)現消力池內形成了稍有淹沒式水躍，流態(tài)大為改善（圖4）。試驗結果表明，為了減小池深，通過增加具有一定高度的消能坎，池深與坎高之和與式（1）和式（2）聯立求解得漸擴式消力池池深相等，試驗結果與計算結果一致。但是由于躍后水深的增加，加上水躍波動劇烈，濺起浪花有漫出邊墻的現象，最大摻氣水深為9.75 m，邊墻高度9 m不能滿足要求，需加高邊墻。為了適當降低池內水深，減小池內劇烈脈動，對修改方案二進一步修改見2.2.3節(jié)。

圖3 修改方案一校核洪水時泄洪洞消力池內流態(tài)Fig.3 Modification program 1-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

2.2.3修改方案三實驗

消力池內加設消力墩，在達到同樣消能率時，可縮短池長，降低消力池躍后水深，降低邊墻高度。但是《水力計算手冊》中已明確規(guī)定，在池內加設消力墩時，入池流速應小于16 m/s。本試驗中消力池入池流速超過20 m/s，不能選擇常用的消力墩等輔助消能工。區(qū)別于傳統(tǒng)消能工，懸柵式消能工［6-8］不受消力池入池流速的制約。在修改方案二的基礎上，通過多組次、不同柵高和不同柵距的懸柵消力池泄流試驗，優(yōu)選出了柵條最佳布置方式。

試驗過程中發(fā)現按照以往的懸柵布設方式［6-8］，陡坡段和消力池段水流劇烈脈動現象無法改善，而且懸柵沿水流方向長度小于懸柵高度時，不但不能降低水深，反而由于柵條厚度過大，增加了阻水作用，而使水深增大。因此，經過優(yōu)化試驗，將懸柵的起始端設置于陡坡段樁號0+249.32，距消力池始端（0+257.12 m）7.8 m位置處，陡坡段共布置5根柵條，采用了前3根由高到低后2兩根由低到高的布置形式；消力池內共布置16根柵條，柵條頂高程相同。懸柵寬度與池寬相同，斷面形狀為矩形，從上游至下游1～5號懸柵橫斷面尺寸為0.90 m×0.21 m，6～21號懸柵橫斷面尺寸為0.75 m×0.21 m（圖5）。

圖4 修改方案二校核洪水時泄洪洞消力池內流態(tài)Fig.4 Modification program 2-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

修改方案三流態(tài)見圖6。加懸柵前后泄洪洞明流段水面線對比見圖7。試驗發(fā)現，加設懸柵后，水躍淹沒度增大，消力池入口柵條上部產生乳白色漩滾，偶爾有水花濺出邊墻，進入消力池后，池內水流波動與修改方案二相比明顯減弱，濺出的水花明顯少于加懸柵前，水流紊動明顯減弱，消力池段最大水深由加懸柵前的9.75 m降低至8.55 m，均小于設計邊墻高度9.9 m，消力池消能率為60.4%。試驗結果表明，泄洪洞消力池內加設懸柵后，優(yōu)化后的消力池中水面較原方案平穩(wěn)，說明懸柵起到了平穩(wěn)池中水流翻滾的作用。傳統(tǒng)的懸柵布置方式為柵條高程相同，懸柵沿水流方向長度小于懸柵高度。本方案中采用了懸柵水流方向長度大于懸柵高度的布置形式，且位于陡坡段的前3根柵條高程逐漸降低，與陡坡坡度一致，使柵條安裝位置高于主流水深，避免了主流和水躍回流漩滾區(qū)直沖柵條而引起陡坡段水深劇增。同時，消力池內增加懸柵后，水流阻力增大，躍后水深增加，池內形成淹沒式水躍。陡坡段第4根柵條至消力池內最后一根柵條由低到高的布置方式，使水躍上部回水流動阻力增大，漩滾區(qū)回流流量減小，躍后水深降低，使水躍躍前斷面向下游移動，形成了淹沒度較小的淹沒水躍。在柵條壁面摩阻力和水流沖擊柵條時產生的反作用力的作用下，水躍摻氣濃度增加，且摻氣水流在消力池始端形成了中等尺度的環(huán)流和漩渦，使水流沿懸柵底部和頂部急劇擴散與收縮，摩擦混摻作用非常強烈，消耗大量機械能。另外，流速量測結果也表明向上運動的水流速度矢量所占池寬明顯大于傳統(tǒng)消力池內所占池寬，使得主流流速減小，躍后水深小于傳統(tǒng)的消力池躍后水深。

圖5 修改方案三泄洪洞消力池布置圖Fig.5 Modification program 3-arrangement plan of stilling basin of discharge tunnel

3 結語

原設計方案試驗結果表明，KYD水庫底孔泄洪洞下游漸擴式消力池陡坡段邊墻高、池深、池長、消力池邊墻高度均不能滿足設計泄洪要求。優(yōu)化方案試驗結果表明，雖然消力池邊墻漸擴角很小，但是將漸擴式消力池按矩形消力池進行池深的估算誤差較大，池長基本滿足要求。池深計算可按照溢洪道設計規(guī)范給出的共軛水深計算公式（1）和文獻［1］中給出的公式（2）進行計算，計算結果與試驗結果一致。為了減小水躍躍后的水流劇烈脈動，降低躍后水深，本文采用了不同于傳統(tǒng)懸柵柵條布置方式的（即柵條安裝高度同高或者逐漸抬高的階梯式）新的形式，即在陡坡段采用了前3根柵條頂高程由高到低后2兩根由低到高，消力池內柵條頂高程相等。柵條橫截面的長寬比也不同于傳統(tǒng)形式，采用了懸柵水流方向長度大于懸柵高度的布置形式。試驗結果表明，采用了懸柵消能工，消力池內水深降低，最大水深減小1.0 m，使陡坡段和消力池內水流脈動明顯減弱，浪花濺起高度明顯小于加懸柵前。但是增加懸柵后消力池消能率略有降低，但是消能率滿足下游消能要求。此類布置方式可為其他同類工程提供參考。

圖6 修改方案三泄洪洞消力池校核洪水時流態(tài)Fig.6 Modification program 3-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

圖7 修改方案二和修改方案三消力池水面線對比圖Fig.7 Comparison of water surface profile between modification program 2 and program 3

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Optimization tests on gradually expanding flat?bottom stilling basin of deep flood discharge tunnel of KYD Reservoir

LI Lin，WANG Meng?ting，BAI Zhao?liang,TAN Yi?hai
（College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052，China）

Through the test of design scheme for the gradually expanding flat?bottom stilling basin deep flood discharge tunnel of KYD Reservoir in Green River county in Xinjiang,it is found that length,depth and sidewall height can not meet the security requirements.The design scheme shows that∶the length of stilling basin basically meets the requirements of the stilling basin with the divergent angle of 1.37°,when estimates according to stilling ba?sin which is equal width and rectangle,but estimated error is large.The formula of conjugate depth of gradually ex?panding stilling basin was combined with the empirical formula of width of gradually expanding stilling basin to cal?culate the width directly.Suspended grid energy dissipater was used to decrease intense pulsating water and se?quent depth.The results show that the surface eddies which caused by upper water jump intense cyclotron motion are broken with the increase of submergence degree.What is more,the maximum depth in stilling basin decreases by 1 m.Flow pulsation reduces significantly,and the height of waves splashing is significantly less than before.

deep flood discharge tunnel;suspended grid energy dissipater;gradually expanding flat?bottom stilling basin

TV 651.1；TV 653

A

1005-8443（2015）02-0140-05

2014-12-10；

2015-01-06

新疆水利水電工程重點學科基金（xjzdxk-2002-10-05）

李琳（1979-），女，山東省青島人，副教授，博士，主要從事水力學及河流動力學研究。

Biography：LI Lin（1979?），female，associate professor.