張華群，邱 勇，胡朝英,阮合春

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院， 云南 昆明 650201)

壩口河水庫(kù)總庫(kù)容1375.20萬(wàn)m3，正常蓄水位1605.00m；設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)1606.93m(主汛期)，溢洪洞下泄流量59.80m3/s，泄洪洞下泄流量57.20m3/s；校核洪水位(P=0.1%)1608.78m，溢洪洞下泄流量118.20m3/s，泄洪洞下泄流量58.20m3/s。下游消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇(P=3.33%)，溢洪洞相應(yīng)下泄流量57.00m3/s，泄洪洞下泄流量57.10m3/s。

水庫(kù)樞紐工程包括瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩、溢洪洞及(導(dǎo)流)泄洪隧洞、輸水隧洞。

1 原設(shè)計(jì)方案及存在的問(wèn)題

1.1 底流消能設(shè)計(jì)方案

泄洪洞為導(dǎo)流洞改建而成，位于左壩肩，總長(zhǎng)489.404m(平距)，包括進(jìn)口段、龍?zhí)ь^段、檢修閘室段、有壓段、工作閘室段、出口消能段。其中工作閘室段(0+421.404～0+441.404)位于出口，長(zhǎng)20.00m，底板高程1551.578m；上游側(cè)設(shè)置5.00m長(zhǎng)圓變方壓坡段(由直徑2.40m圓形斷面漸變?yōu)?.00m×2.00m的矩形斷面)；下游側(cè)為底坡i=1∶5.0、長(zhǎng)度21.00m的擴(kuò)散段(寬度由2.00m漸變?yōu)?.00m，擴(kuò)散角5.44°)，泄槽擴(kuò)散段與閘室段以折坡直接相連；泄洪洞出口采用底流消能，消力池長(zhǎng)度26.00m，寬度6.00m，深度1.60m，底板高程1547.378m。消力池出口和河道呈正交，如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)方案消力池平面布置圖

水庫(kù)泄洪以溢洪洞(出口位于泄洪洞下游河段30m位置)為主，當(dāng)水庫(kù)下泄洪水達(dá)到或超過(guò)30年一遇洪水時(shí)，泄洪洞閘門全部開啟，參與泄洪。

1.2 底流消能存在的主要問(wèn)題

根據(jù)水工模型試驗(yàn)研究，泄洪洞泄流能力大于原設(shè)計(jì)取用值，增幅達(dá)12.6%～13.5%，客觀上加大了泄洪洞出口消力池的消能壓力。

30年一遇消能防沖洪水下，泄洪洞工作閘后折坡下游底板出現(xiàn)較大負(fù)壓。盡管泄槽擴(kuò)散段均未見(jiàn)水流脫離邊壁現(xiàn)象，但縱坡變化致使主流集中于軸線中部。里程0+446.000附近，橫斷面水深分布呈明顯的“凸”形，左側(cè)邊墻處水深1.20m、軸線位置處水深2.10m、右側(cè)邊墻處水深0.90m；靠近消力池進(jìn)口(里程0+457.000)附近，橫斷面水深分布才逐漸趨于均勻，左側(cè)邊墻處水深0.90m，軸線位置處水深1.00m，右側(cè)邊墻處水深0.90m。

下泄水流能量相對(duì)集中，消力池內(nèi)未能形成有效淹沒(méi)，如圖2所示，遠(yuǎn)驅(qū)式水躍躍前斷面位于里程0+472.500附近，水深0.71m，流速15.02m/s；出池水流呈挑射狀進(jìn)入下游河床，出挑水流落點(diǎn)距離出口斷面(里程0+489.404)9.00m左右(下游河道水深3.00m)。出池水流直沖河床對(duì)岸，消力池軸線右側(cè)形成較大的漩渦狀回流，左側(cè)水流沿對(duì)岸山坡坡面斜向下游河道方向流動(dòng)，進(jìn)一步加劇了同樣紊亂的溢洪洞消力池出流流態(tài)，使得下游河段水流呈大幅Z形擺動(dòng)。

圖2 原設(shè)計(jì)方案底流消能(P=3.33%)

考慮到泄洪洞出口消力池不能形成有效的淹沒(méi)水躍，出池水流呈急速進(jìn)入下游河道，流態(tài)極為紊亂，需要對(duì)消力池體型進(jìn)行優(yōu)化。

文獻(xiàn)[1]～[4]針對(duì)矩形等寬小底坡泄槽跌擴(kuò)式消能工的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但未涉及泄洪洞出口閘后設(shè)置擴(kuò)散式泄槽的突擴(kuò)跌坎底流消能。

2 突擴(kuò)式跌坎底流消能設(shè)計(jì)

2.1 閘后體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，在多次試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)泄洪洞出口消力池體型優(yōu)化。維持消力池出口里程位置不變、寬度(6.00m)不變，長(zhǎng)度由原來(lái)的26.00m向上游方向增大到30.00m，底板高程降低1.00m到1546.378m，出口設(shè)置高度0.90m的尾坎(消力池池深由1.60m加大到3.50m)；在閘后原折坡位置設(shè)置半徑10.00m的圓弧和下游1∶5泄槽擴(kuò)散段連接。擴(kuò)散段角度減小至3.37°(擴(kuò)散段出口寬度由6.00m調(diào)整為4.00m)，形成跌坎深度2.60m，消力池兩側(cè)邊墻均突然擴(kuò)大1.00m的突擴(kuò)式跌坎底流消能如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案消力池體型圖

2.2 閘后泄槽水流流態(tài)

泄洪洞體型優(yōu)化后，泄槽擴(kuò)散段水流流態(tài)有一定改善，橫斷面水深分布不均勻程度減輕(30年一遇消能防沖洪水下，里程0+447.000附近，橫斷面水深分布仍然呈“凸”形，左側(cè)邊墻1.20m、軸線位置1.95m、右側(cè)邊墻0.90m；里程0+455.000附近，橫斷面水深分布趨于均勻，左側(cè)邊墻1.20m，軸線位置1.05m，右側(cè)邊墻1.20m)，入池水流能夠形成淹沒(méi)水躍如圖4所示。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到閘后泄槽擴(kuò)散段(原底板折坡下游)測(cè)點(diǎn)斷面水力特性見(jiàn)表1。

圖4 優(yōu)化方案底流消能(P=3.33%)

方案里程/(km+m)壓力/m流速/(m/s)空穴數(shù)備注原設(shè)計(jì)方案0+441.992-2.5817.600.37P=0.1%(Q=66.04m3/s)-2.4017.270.39P=2%(Q=64.43m3/s)-2.4016.810.41P=3.33%(Q=64.34m3/s)優(yōu)化方案0+443.365-0.5417.270.52P=0.1%(Q=66.04m3/s)-0.4816.780.55P=2%(Q=64.43m3/s)-0.4516.580.56P=3.33%(Q=64.34m3/s)

表3 優(yōu)化方案消力池水躍特性

從表1可以看出：體型優(yōu)化后，閘后原折坡下游泄槽底板壓力上升明顯，盡管水流流速變化不大，但發(fā)生空蝕破壞的可能性已顯著降低。

2.3 消力池水流流態(tài)[1- 4]

圖5所示為優(yōu)化方案消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)，由圖5(a)可知：立面上入池水流呈淹沒(méi)射流狀，消力池首端水流上下分層明顯，主流下部為底部渦流旋滾區(qū)(射流沖擊區(qū)上游側(cè))，并且紊動(dòng)強(qiáng)度不大，各工況情況下消力池進(jìn)口(里程0+459.904)附近臨底流速均明顯小于沖擊區(qū)臨底流速見(jiàn)表2。入射水流沿泄槽底坡方向在消力池底板形成明顯的沖擊區(qū)，主流受底板約束，流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，水流轉(zhuǎn)向；同時(shí)在上部回淹水流的撞擊下，形成若干渦體，和回淹水流卷入的空氣充分混摻，動(dòng)能通過(guò)熱能轉(zhuǎn)化的方式得以耗散，水流流速衰減明顯。附壁射流區(qū)水流流速沿程減小，主流向表面躍起，形成尺度較大但強(qiáng)度不高的表面水流紊動(dòng)。

表2 優(yōu)化方案消力池臨底流速 單位：m/s

由圖5(b)可知：平面上入射水流位于軸線附近，流速大。由于射流卷吸作用，在主流兩側(cè)形成強(qiáng)烈的反向回流。主流和反向回流之間存在明顯的分界，交界面水體不斷碰撞、摩擦，在大梯度剪切作用下，水體動(dòng)能得到進(jìn)一步消除或減小。

圖5 優(yōu)化方案消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

2.4 優(yōu)化方案消能率

方案優(yōu)化后，消力池內(nèi)能夠形成淹沒(méi)水躍，出池水流較為平順(30年一遇消能防沖洪水下，消力池底板進(jìn)口至出口臨底流速依次下降為10.52、7.38、4.33、1.13m/s)，下泄水流消能率能夠滿足設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表3。

壩口河水庫(kù)泄洪洞下泄30年一遇及以上標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)，流量差別不大，故優(yōu)化后的消力池體型消能率較為接近，均超過(guò)70%。說(shuō)明突擴(kuò)式跌坎底流消能能夠充分實(shí)現(xiàn)入池水體互相撞擊、摻混，通過(guò)摩擦和剪切作用消除高水頭泄水建筑物所具有的泄洪功率。

2.5 消力池出口水流流態(tài)

30年一遇消能防沖洪水情況下，消力池后坎頂水深3.10m，盡管出池水流呈跌落狀，但下游河道水位高于尾坎，受回淹作用，過(guò)坎水流豎向收縮并不明顯。由于出池水流紊動(dòng)現(xiàn)象減輕，水流直沖對(duì)岸山坡現(xiàn)象有所減弱，河道在泄槽軸線右側(cè)漩渦狀回流明顯減小，左側(cè)水流較為平穩(wěn)。

盡管消力池出口底板高于河床，出坎水流呈跌落狀進(jìn)入河道，但水跌落點(diǎn)位置水流流速不大：30年一遇消能防沖洪水情況下，水股落點(diǎn)距離出口4.80m左右(流速3.06m/s)；設(shè)計(jì)洪水情況下(P=2%)，出池水流較為平穩(wěn)，出坎水流落點(diǎn)距離出口5.10m左右(流速3.47m/s)；校核洪水情況下(P=0.1%)，出池水流相對(duì)平穩(wěn)，出坎水流落點(diǎn)距離出口6.30m左右(流速3.86m/s)。泄洪洞出口下游河段水流平順，未見(jiàn)對(duì)泄洪洞下游側(cè)溢洪洞出流產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明，突擴(kuò)式跌坎底流消能在傳統(tǒng)的水躍消能基礎(chǔ)上，一方面通過(guò)跌坎形成的消力池內(nèi)水墊和入池水流的撞擊，消除水體所具有的功率；另外一方面通過(guò)突擴(kuò)邊墻增加入池水流和主流兩側(cè)反向水體的摩擦和剪切，消減下泄水體動(dòng)能，能夠很好地適應(yīng)泄洪洞出口擴(kuò)散式泄槽布置。此外，為改善擴(kuò)散式泄槽段水流流態(tài)，其擴(kuò)散角可考慮控制在3°以內(nèi)(出流流速增大，擴(kuò)散角適當(dāng)減小)。

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