張 浩

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

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跌坎消力池充水過程研究

張 浩

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

實(shí)際工程運(yùn)行中，泄水前消力池?zé)o水是可能遇到的一個(gè)情況，此時(shí)就涉及到消力池的沖水過程。從無水到最終形成完整穩(wěn)定的水躍的過程中，池內(nèi)可能形成各種復(fù)雜紊亂的流態(tài)，這可能會(huì)對(duì)消力池底板或者尾坎造成一定的危害。針對(duì)消力池從無水狀態(tài)到最終池內(nèi)形成穩(wěn)定完整的水躍形態(tài)的整個(gè)充水過程當(dāng)中，池內(nèi)出現(xiàn)的復(fù)雜多變的流態(tài)的情況，通過系統(tǒng)研究分析，可采用如下運(yùn)行方案：在消力池內(nèi)無水的狀態(tài)下，將表孔閘門在小開度下運(yùn)行一段時(shí)間，直至消力池內(nèi)有足夠水墊后，再逐漸加大開度。

跌坎消力池；充水過程；水流流態(tài)；脈動(dòng)壓強(qiáng)

0 引 言

消力池作為一種消能充分、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且能夠適應(yīng)各種地形條件等突出特點(diǎn)的消能工形式，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。它的作用機(jī)理是將被擋水建筑物(如壩、堤等)攔蓄起來進(jìn)行集中泄放的水流在較短的距離里由急流狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為緩流，從而實(shí)現(xiàn)出池水流與下游河道的平順銜接，避免高速水流對(duì)下游河床或者岸坡造成較強(qiáng)的沖刷破壞[1]。

一般地，實(shí)際工程中的消力池由于自然降水或者前期工程運(yùn)行等情況，在某次泄水之前消力池基本都保持著充滿的狀態(tài)，即池內(nèi)水深與消力池尾坎等高。但是也存在著這樣的一些情況，即消力池檢修需要將池內(nèi)水體排出又或者消力池板塊漏水等問題造成泄水前池內(nèi)無水的狀態(tài)。這種情況下，在消力池最終形成穩(wěn)定完整的水躍之前的一段時(shí)間存在一個(gè)消力池充水的過程，該過程中池內(nèi)可能形成挑流、面流、戽流等一系列復(fù)雜的流態(tài)，雖然這段過程相對(duì)較短，但是也足以對(duì)消力池造成一定的破壞。

本文針對(duì)上述工程中可能面對(duì)的實(shí)際問題，結(jié)合某工程跌坎消力池，通過調(diào)節(jié)閘門開度及消力池內(nèi)水深，觀察池內(nèi)水流流態(tài)并對(duì)消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量分析，以期得出各變量對(duì)消力池充水過程的影響，從而對(duì)實(shí)際工程運(yùn)行提供一定的研究支持。

本試驗(yàn)結(jié)合某工程進(jìn)行，該工程采用“表孔寬尾墩+溢流壩接跌坎消力池”的方式進(jìn)行泄洪消能，表孔共5孔，每孔凈寬15 m。溢流面寬91 m，在反弧末端形成高6.5 m的跌坎，并通過扭面與底寬95 m、兩側(cè)斜坡坡度1∶0.5的梯形斷面的消力池進(jìn)行銜接，消力池池長136.3 m，尾坎高22.5 m，迎水面坡度1∶0.3。試驗(yàn)過程中保持庫區(qū)正常水位不變，并且始終只讓中間孔(即3#孔)參與泄洪。

1 消力池水深對(duì)流態(tài)的影響

圖1為單開3#中孔0.5 m、4種不同水深h(4 m、8 m、12 m、16 m)時(shí)消力池內(nèi)水流流態(tài)?？梢钥闯?，當(dāng)消力池水面低于跌坎一定距離(h=4 m)時(shí)，壩面下泄水流以挑流方式與消力池銜接，挑射水流在空中充分?jǐn)U散并摻氣然后跌入消力池當(dāng)中，此時(shí)進(jìn)入池內(nèi)的水體能量已經(jīng)比較分散，所以不會(huì)對(duì)尾坎造成直接的沖擊作用，但是由于挑流的存在，水舌落點(diǎn)位置的沖擊壓強(qiáng)以及脈動(dòng)壓強(qiáng)將相對(duì)較大；當(dāng)池內(nèi)水深為6.5 m左右時(shí)，形成類似遠(yuǎn)驅(qū)水躍的流態(tài)，表層高速水流在下游水體上部運(yùn)動(dòng)，此時(shí)溢流壩下泄水流直沖尾坎，這對(duì)尾坎的結(jié)構(gòu)安全有不利影響；當(dāng)池內(nèi)水深為8 m時(shí)，來流被下游水體托起，反弧段中部為高速下泄的水流，而兩側(cè)為波動(dòng)水體，兩側(cè)水面高于中部運(yùn)動(dòng)水流水面；當(dāng)池內(nèi)水深達(dá)到12 m后，在反弧段形成淹沒水躍流態(tài)，反弧段內(nèi)水流波動(dòng)較強(qiáng)；隨著池內(nèi)水深進(jìn)一步增加，池內(nèi)始終保持淹沒水躍流態(tài)，但躍首位置隨水深增加向上游移動(dòng)。

試驗(yàn)表明，當(dāng)工作弧門開度一定時(shí)，消力池內(nèi)水流隨著水深的逐漸增大依次呈現(xiàn)挑流、面流、遠(yuǎn)驅(qū)水躍、淹沒水躍的流態(tài)。在最終形成完整穩(wěn)定的水躍之前，由于池內(nèi)無足夠的水體可供消能，這導(dǎo)致消力池剛開始充水的時(shí)段高速水流直沖尾坎，這對(duì)尾坎的結(jié)構(gòu)安全有一定的不利影響。故而實(shí)際工程中遇到即將泄水而池內(nèi)無水的情況時(shí)，可以考慮微弱開啟溢流表孔，事先緩慢地向消力池充水。

圖1 閘門開度0.5 m，不同池內(nèi)水深時(shí)消力池流態(tài)

2 閘門開度對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響

大量試驗(yàn)及原型資料表明[2,3]，造成消力池破壞的主要原因不是時(shí)均壓強(qiáng)，而是由于紊流產(chǎn)生的脈動(dòng)壓強(qiáng)，所以本文對(duì)消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行了測(cè)量。

圖2分別為消力池水深不同時(shí)，各閘門開度下消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值σ的分布情況。可以看到，當(dāng)消力池水深保持不變時(shí)，池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)隨著閘門開度的增大而逐漸增強(qiáng)，消力池水深為12 m和16 m時(shí)基本保持了一致的規(guī)律，這是因?yàn)?，隨著閘門開度的逐漸增大，溢流壩下泄的水量逐漸增大，其攜帶的能量也逐漸增大，這就需要消力池具有更多的消能水體以實(shí)現(xiàn)來流從急流到緩流的迅速轉(zhuǎn)換。3#閘門開度為5.0 m、7.5 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值大于小開度時(shí)底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)，最大值為4.97×9.8 kPa，位于中線樁號(hào)(壩)0+147 m的測(cè)點(diǎn)，此時(shí)閘門開度為7.5 m；當(dāng)消力池水深為16 m后，消力池底板中線脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值同樣隨閘門開度的增大而增加，最大值出現(xiàn)在樁號(hào)(壩)0+147 m附近。

另外，當(dāng)閘門保持小開度(e=0.5 m～2.5 m)時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)沿程基本保持一致，無較大的波動(dòng)；隨著閘門開度的逐漸增大，在消力池前半部分出現(xiàn)了脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值，這是因?yàn)殡S著來流量的增大，水體攜帶的能量也增大，高速水流開始出現(xiàn)下潛的情況，從而引起了底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的增大。

3 消力池水深對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響

圖3為3#表孔閘門各開度對(duì)應(yīng)不同消力池水深時(shí)池底板中線上脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值的沿程分布情況。可以看出，當(dāng)3#表孔閘門開度為0.5 m和1.0 m時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值較小，且隨池內(nèi)水深的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。實(shí)測(cè)閘門開度1.0 m時(shí)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的最大值約為對(duì)比圖3a和圖3b可以看到，單開3#表孔，開度為0.5 m和1 m，當(dāng)消力池水深為4 m時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根出現(xiàn)最大值，根據(jù)該最大值出現(xiàn)的位置可以判斷其原因：是由于池內(nèi)水深低于跌坎，下泄水流形成挑流，沖擊底板，該處水流對(duì)底板的作用強(qiáng)烈，壓強(qiáng)波動(dòng)相對(duì)也大，造成脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較大；當(dāng)消力池內(nèi)水深超過8 m后，底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值都小于0.8×9.8 kPa，壓強(qiáng)沿程分布變化相對(duì)不大。

圖2 相同水深條件下，σ隨閘門開度的變化情況

1.6×9.8 kPa，測(cè)點(diǎn)位于底板中線上樁號(hào)(壩)0+167 m處。

圖3c、3d為3#表孔開度分別為2.0 m、2.5 m時(shí)，消力池水深對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值的影響。3#表孔閘門開度2.0 m時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的最大值為2.04×9.8 kPa，位于中線樁號(hào)(壩)0+147 m的測(cè)點(diǎn)，此時(shí)池內(nèi)水深8 m；3#表孔閘門開度2.5 m時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的最大值為1.52×9.8 kPa，位于中線樁號(hào)(壩)0+171 m的測(cè)點(diǎn)，此時(shí)池內(nèi)水深8 m。結(jié)合流態(tài)觀察，當(dāng)池內(nèi)水深8 m，閘門開度2 m、2.5 m時(shí)，下泄水流以面流形式進(jìn)入消力池，嚴(yán)重時(shí)甚至直沖尾坎，池內(nèi)水流波動(dòng)劇烈，底板脈動(dòng)壓強(qiáng)主要體現(xiàn)了水流流態(tài)對(duì)底板的作用。

圖3 固定閘門開度條件下，σ隨消力池水深的變化情況

4 結(jié) 語

從分級(jí)開啟試驗(yàn)結(jié)果來看，底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值隨消力池水深增加而減小，隨閘門開度增加而增大；從動(dòng)態(tài)開啟過程中底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值的測(cè)量結(jié)果來看，當(dāng)開度不超過2.5 m，閘門開啟過程中消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根與正常庫水位泄洪時(shí)底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根相比較??；從閘門開啟至某一開度給消力池充水過程中消力池內(nèi)水流流態(tài)來看，當(dāng)開度大于1 m時(shí)，中間會(huì)出現(xiàn)表層水股直接沖擊消力池尾坎的現(xiàn)象，而開度為0.5 m時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)直接沖擊尾坎的現(xiàn)象。

實(shí)際工程運(yùn)行中，泄水前消力池?zé)o水是可能遇到的一個(gè)情況，此時(shí)就涉及到消力池的沖水過程。從無水到最終形成完整穩(wěn)定的水躍的過程中，池內(nèi)可能形成各種復(fù)雜紊亂的流態(tài)，這可能會(huì)對(duì)消力池底板或者尾坎造成一定的危害。針對(duì)消力池從無水狀態(tài)到最終池內(nèi)形成穩(wěn)定完整的水躍形態(tài)的整個(gè)充水過程當(dāng)中，池內(nèi)出現(xiàn)的復(fù)雜多變的流態(tài)的情況(這些情況造成的最直接后果就是消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)增大或者消力池尾坎直接受沖等)，通過系統(tǒng)研究分析，可采用如下運(yùn)行方案：在消力池內(nèi)無水的狀態(tài)下，將表孔閘門在小開度下運(yùn)行一段時(shí)間，直至消力池內(nèi)有足夠水墊后，再逐漸加大開度。

[1] 吳持恭.水力學(xué)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 姜文超，梁興蓉，應(yīng)用紊流理論探討脈動(dòng)壓力沿縫隙的傳播規(guī)律，水利學(xué)報(bào)，1983，9，PP53-59.

[3] 趙耀南，梁興蓉，水流脈動(dòng)壓力沿縫隙的傳播規(guī)律，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1988,3，PP55-65.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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2017-05-09

TV7；TV147+.5；TU991.34+3

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1001-2184(2017)03-0117-03

張 浩(1988-)，男，安徽宿州人，工程師，四川大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)畢業(yè)，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.