奉紫岑，楊 慶，程文磊， 張其敏，涂書豪

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065;3.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

0 引 言

底流消能作為一種基本的消能形式常在一般的水閘、中小型溢流堰或地質(zhì)條件較差的各類泄水建筑物中采用，其具有霧化影響小等優(yōu)點(diǎn)[1]。底流消能利用水躍來進(jìn)行能量消殺，消力墩、懸柵[2,3]等輔助消能工也常在底流消能中被應(yīng)用，張功育、王海軍等[4]研究了跌坎式底流消能的消能機(jī)理，驗(yàn)證其能有效消能。常規(guī)消力池一般建議宜采用等寬矩形斷面[5]，但受到地形條件限制，有些水利工程的消力池必須設(shè)置在彎段河道。針對(duì)彎道急流的研究主要集中在岸邊溢洪道的陡槽段，常用的措施有:渠底超高法、導(dǎo)流隔墻法、斜坎法、多級(jí)跌水消能法等[6-9]，但關(guān)于底流消能工布置涉及到彎曲河道的研究不多。針對(duì)受實(shí)際條件限制必須在彎曲河道上布置底流消能工的技術(shù)難題，通過某水庫(kù)工程的物理模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究。

1 工程概況與模型制作

1.1 工程概況

某水庫(kù)大壩為堆石混凝土重力壩，壩頂高程550.50 m，最大壩高42.0 m，正常蓄水位為548.00 m。泄水建筑物為溢流堰，孔口尺寸為3-7.0 m×6.0 m(n-b×h)，溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程542.00 m。泄水建筑物采用底流消力池消能。設(shè)計(jì)洪水位548.04 m，相應(yīng)下泄流量639 m3/s；消能防沖洪水重現(xiàn)期為30年，相應(yīng)下泄流量576 m3/s。試驗(yàn)初始方案定為傳統(tǒng)的直線形消力池底流消能，池長(zhǎng)50.25 m，池凈寬26.0 m，消力池進(jìn)口與溢流壩坡采用反弧段曲線相接，池末端設(shè)5.5 m高消力坎，出口與下游彎曲河道轉(zhuǎn)彎段銜接。該方案樞紐布置平面和剖面圖見圖1。

圖1 樞紐平面及剖面布置(單位：m)Fig.1 Flat layout and section of the project

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r

按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為比尺1∶50的正態(tài)模型。流量采用等寬三角形薄壁堰量測(cè)，堰上水頭采用水位測(cè)針測(cè)量，流速測(cè)量采用南京水利科學(xué)研究院研制的旋槳式流速儀。

試驗(yàn)擬定重點(diǎn)研究工況為消能防沖頻率洪水(P=3.3%)即上游水位548.0 m、出庫(kù)流量576 m3/s，重點(diǎn)研究消力池內(nèi)水流流態(tài)、流速、水面線等各項(xiàng)水力學(xué)指標(biāo)，來衡量各消能工布置形式的消能與水流流態(tài)控制優(yōu)良程度，進(jìn)行分析比選。

2 消能工布置試驗(yàn)方案

消力池規(guī)模受入池水流流速、單寬流量等因素影響，理論計(jì)算方法可以得出較為準(zhǔn)確的規(guī)模需求。由溢洪道泄流單寬流量q=22.2 m2/s, 計(jì)算得臨界水深hk=3.69 m;由文獻(xiàn)[5], 取消力池進(jìn)口收縮斷面流速系數(shù)φ=0.9, 計(jì)算出該斷面收縮水深h1=0.88 m。由在護(hù)坦末端修建消能坎所形成傳統(tǒng)矩形斷面平底消力池的這一類型消力池計(jì)算公式[5],計(jì)算得下游消力池躍后水深h2=10.26 m、消力池池長(zhǎng)Lk=50.77 m、坎高c= 6.3 m。

上述計(jì)算結(jié)果反映出初始設(shè)計(jì)方案即方案1中消力池可能長(zhǎng)度略有不足，尾坎高度不夠。但消力池的理論計(jì)算不能很好的幫助我們判斷消力池與下游河道之間的銜接流態(tài)且涉及到曲線型消力池，問題較為復(fù)雜，理論計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合十分重要。故基于初始設(shè)計(jì)方案即方案1，重點(diǎn)針對(duì)消力池消能、水流流態(tài)控制、左岸彎道處水流銜接流態(tài)、沖刷強(qiáng)度等方面對(duì)3種布置方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體內(nèi)容如表1所示，平面布置圖如圖2所示。

表1 底流消能工布置方案Tab.1 Layout of the underflow energy dissipator

圖2 底流消能工平面布置方案(尺寸單位：mm，其他單位：m)Fig.2 Flat layout of the underflow energy dissipator

3 3種不同布置試驗(yàn)結(jié)果比較

3.1 水流流態(tài)

消力池及后段水流流態(tài)方案1～方案3呈現(xiàn)不同流態(tài)，如圖3所示。

圖3 3種不同方案水流流態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of three different schemes about the flow regime

方案1中水躍的旋滾區(qū)發(fā)展至消力池尾坎，而方案2、3水流在到達(dá)尾坎前已完成水躍，還有相當(dāng)部分調(diào)整段長(zhǎng)度；三個(gè)方案中尾坎與下游河道水流銜接均呈跌流流態(tài)，但方案1中跌落水流直接對(duì)沖左岸彎道坡腳部位，局部水流壅高、橫軸旋滾強(qiáng)烈，波動(dòng)幅度較大，影響范圍較廣，消力池出口直接與轉(zhuǎn)彎河段銜接導(dǎo)致的不良流態(tài)十分明顯；方案2中靠近右岸彎道處，出現(xiàn)了大范圍順時(shí)針回流區(qū)，約650 m2，回流會(huì)將消力池內(nèi)主流推擠向左岸，降低了消力池內(nèi)的有效消能水體；方案3中加入了導(dǎo)流消力墩，此處水流銜接順暢，且較之方案1、2中消除了出現(xiàn)水流直接對(duì)沖彎道岸坡現(xiàn)象，右岸彎道回流區(qū)域減少至300 m2左右，較方案2減少53.85%。

3.2 彎道段岸邊水面線

水面線波動(dòng)大小與左右岸的水位差，能代表轉(zhuǎn)彎段處的水流銜接流態(tài)優(yōu)劣，變化越小說明銜接越平順。本工程中消力池直線段出口處的主河床向右岸約偏轉(zhuǎn)68°，左岸水面線波動(dòng)較大。彎道段測(cè)量斷面布置如圖4所示。設(shè)計(jì)控制流量下，3種布置方案下轉(zhuǎn)彎段左岸水面線波動(dòng)情況見圖5。

圖4 彎道段測(cè)量斷面Fig.4 The measured-profiles on the curved section

圖5 轉(zhuǎn)彎段左岸水面線波動(dòng)幅度圖Fig.5 Water surface fluctuation of the left curved section

方案1中，水面波動(dòng)較大，高達(dá)3.0 m，跌落水流直接沖刷岸腳，對(duì)彎道部位岸坡穩(wěn)定性影響較大；方案2、3下水面波動(dòng)幅度均較方案1減小，河道水面銜接相對(duì)平穩(wěn)，但其中方案3效果明顯更優(yōu)，水面波動(dòng)控制在2.0 m以下，且左右岸水位差更小(圖6)，即左右岸水深分布也更均勻，基本消除對(duì)彎道凹岸岸坡的影響。

圖6 轉(zhuǎn)彎段左右岸水位差值圖Fig.6 Water level difference between left and right bank in turning section

3.3 流速分布

流速分布是消能工中水流能量與水流流態(tài)很重要的表現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)量了設(shè)計(jì)控制工況下，3種不同布置方案各斷面相應(yīng)的底、中、表流速。彎道靠近左岸的流速更大，主要原因是約68°的彎道轉(zhuǎn)角帶來的離心力作用。入彎前樁溢0+065.92、彎道段內(nèi)樁溢0+088.15、出彎后樁溢0+103.54三個(gè)斷面的平均流速分布圖，如圖7～圖9所示。

圖7 入彎前樁溢0+065.92處流速分布Fig.7 Velocity distributions at 0+065.92 before curved

圖8 彎道段內(nèi)樁溢0+088.15處流速分布Fig.8 Velocity distributions at 0+088.15 at curved

圖9 出彎后樁溢0+103.54處流速分布Fig.9 Velocity distributions at 0+103.54 after curved

方案1因尾坎位置的設(shè)置，所選入彎前斷面流速遠(yuǎn)小于方案2、3，但出池水流呈跌流流態(tài)與河道彎道段銜接處流速基本分布7 m/s以上，高于方案2、3較多，水流余能對(duì)岸坡沖刷導(dǎo)致的岸坡安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)較方案2、3更大，且明顯看出出池水流進(jìn)入下游河道流速沿程衰減慢，對(duì)下游防護(hù)要求也較高。方案2在一定程度上減輕了方案1中彎道處的不利流速分布，但存在右岸回流區(qū)，回流區(qū)域流速分布較亂，且將消力池內(nèi)主流進(jìn)一步推擠向左岸，主流陣發(fā)性的沖擊左岸彎道，左岸流速進(jìn)一步增大。對(duì)比來看，方案3更優(yōu)，導(dǎo)流消力墩起到一定雍水作用和調(diào)整水流的作用，較之未布置輔助消能工的方案2而言，入彎前流速和彎道內(nèi)流速更小也更均勻。

3.4 消能率

擬定消能率計(jì)算公式為：

其中：

式中：E0為以消力池底板為基準(zhǔn)面的上游水流總能量；E1為消力池尾坎處斷面的水流能量；ΔZ為相對(duì)于下游基準(zhǔn)斷面水頭；v0、v1分別為進(jìn)、出口斷面的斷面平均流速，進(jìn)口斷面取上游庫(kù)區(qū)，v0=0，v1為消力池尾坎斷面平均流速；h1為出口斷面位能，即消力池出口斷面水深。

基于流速與水面線觀測(cè)成果，計(jì)算得到消能防沖頻率工況下方案1的消能率為68.8%，方案2為69.7%，方案3為72.0%?？梢钥吹椒桨?的消能率是其中最大的，但3個(gè)方案消能率的差距并不大。分析認(rèn)為，本工程能量耗散主要包括溢流曲線段的沿程水頭損失與消力池內(nèi)水體紊動(dòng)耗散，直線段消力前池已完成大部分能量消殺。增大消力池規(guī)模和加設(shè)導(dǎo)流消力墩雖然未能明顯增加消力池的消能率，但對(duì)調(diào)整消力池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)和水躍發(fā)展卻作用較大，使水流在各部位的銜接更加平順，且可以避免左岸彎道不被對(duì)沖，提高了運(yùn)行安全度。

4 結(jié) 語

文中提出的主、輔兩級(jí)消力池與導(dǎo)流消力墩這一消導(dǎo)結(jié)合的消能工結(jié)構(gòu)，可以明顯調(diào)整消力池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)，改善彎道段流態(tài)、左右岸水位差、流速分布等水流條件，減小岸坡坡腳沖刷風(fēng)險(xiǎn)，解決了本工程中受實(shí)際條件限制必須在彎曲河道上布置底流消能工的技術(shù)難題。該消能工布置結(jié)構(gòu)可為類似工程提供參考和借鑒，但在彎曲河道上布置底流消能工有一前提條件是，在消力池前段必須保證一定的順直段來消殺大量能量。