李 鑫，邱 勇，阮合春，余遠(yuǎn)浩，張家鼎

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

消力池是工程中常用的消能工，主要靠消力池內(nèi)水體強(qiáng)烈紊動(dòng)、剪切和混摻作用消能。突擴(kuò)式跌坎消力池與常規(guī)底流消能工相比，其體型在橫向和豎向均有突擴(kuò)，邊墻突擴(kuò)增加了入池水流和主流兩側(cè)水體的摩擦和剪切[1]，跌坎加大了池內(nèi)水深,避免入池水流直接沖擊消力池底板。消力池體型和入池水流條件的改變均會(huì)影響水流流態(tài)，從而改變消力池局部或整體水力特性。已有文獻(xiàn)對(duì)影響跌擴(kuò)型底流消能水力特性因素進(jìn)行了大量研究：文獻(xiàn)[2]研究了跌坎高度、突擴(kuò)比、入池弗勞德數(shù)、尾水深度對(duì)底板中軸線(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)的影響；文獻(xiàn)[3]研究成果表明，由于跌坎和突擴(kuò)的存在，臨底流速和臨邊流速大大減小，消能效果提高；文獻(xiàn)[4]對(duì)多股跌擴(kuò)型底流消能工建立三維數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為跌擴(kuò)式底流消能工消能效果顯著，能有效解決高水頭、大單寬流量消力池力學(xué)指標(biāo)過(guò)高的力學(xué)問(wèn)題。

以上研究均是針對(duì)等寬矩形泄槽、尾水渠與消力池等寬的突擴(kuò)式跌坎消力池。在實(shí)際工程中，多數(shù)泄水建筑物采用擴(kuò)散式泄槽，以減小消力池入池水流單寬流量，降低單位水體所具有的能量，緩解下游消力池消能壓力，因而針對(duì)擴(kuò)散式泄槽，對(duì)消力池內(nèi)水力特性影響進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案及模型布置

1.1 研究?jī)?nèi)容及方案

泄槽擴(kuò)散角太大，水流容易脫離邊界，擴(kuò)散角太小則達(dá)不到降低單寬流量的目的，工程上所采用的擴(kuò)散角通常不大于3°。故通過(guò)水工模型試驗(yàn)，基于擴(kuò)散角為3°的擴(kuò)散式泄槽，通過(guò)改變消力池深度，研究突擴(kuò)式消力池水力特性。試驗(yàn)方案選擇如下：方案一,跌坎深度T=5 cm；方案二,跌坎深度T=10 cm；方案三,跌坎深度T=15 cm。試驗(yàn)測(cè)試了不同方案下3組流量(Q=9、12、15 L/s)消力池底板的時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)強(qiáng)度和臨底流速。

1.2 模型布置

模型控制段為WES實(shí)用堰，最大水頭2.40 m，消力池進(jìn)口接擴(kuò)散角α=3°、底坡i=1∶1.5的擴(kuò)散式泄槽，泄槽由15 cm 擴(kuò)散到20 cm；消力池突擴(kuò)比(消力池寬度比泄槽末端寬度)為1.75，池長(zhǎng)95 cm；出口尾水渠設(shè)置為平坡，寬度為20 cm，見(jiàn)圖1。消力池底板測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，一共5行5列、25個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

a)平面

b)立面圖1 消力池體型(mm)

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意(mm)

2 水流流態(tài)及結(jié)構(gòu)分區(qū)

2.1 擴(kuò)散式泄槽水流流態(tài)

在泄槽擴(kuò)散段，受水流慣性作用，主流靠近軸線(xiàn)中部，擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的水深小于軸線(xiàn)附近水深，致使橫斷面水深沿水流方向均呈中間高、兩側(cè)低的“凸”形：擴(kuò)散段起始斷面(溢0+09.435 m)和擴(kuò)散段末端斷面(溢0+09.935 m)處水深分布較為均勻，但在擴(kuò)散段中部A-A斷面(溢0+09.685 m)處，左、中、右水深差值明顯(表1)。此外，擴(kuò)散段水流橫斷面流速分布也呈中間高、兩側(cè)低。

表1 擴(kuò)散段橫斷面(溢0+09.685 m)水深分布

2.2 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

為便于分析，根據(jù)消力池水流流態(tài)，將消力池水流結(jié)構(gòu)劃分為：淹沒(méi)射流、底部漩渦、沖擊區(qū)、附壁射流、補(bǔ)償流區(qū)、表面漩滾(圖3)。

a)水流結(jié)構(gòu)立面

b)水流結(jié)構(gòu)平面圖3 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

a) 淹沒(méi)射流：射流進(jìn)入消力池后，在池內(nèi)水體的頂托下形成擴(kuò)散狀淹沒(méi)射流。

b) 底部漩渦：在淹沒(méi)射流的吸卷作用下，淹沒(méi)射流下部形成底部漩渦。

c) 沖擊區(qū)：射流沖擊到底板的區(qū)域。入射水流進(jìn)入消力池，受底板約束，流線(xiàn)發(fā)生急劇偏轉(zhuǎn)，水流轉(zhuǎn)向，主流沿底板潛射前行；此外，在主流左、右兩側(cè)及底板上游方向可見(jiàn)強(qiáng)度稍弱的潛射水流。

d) 附壁射流：潛射水流在消力池底板形成流速沿程減小的附壁射流。附壁射流和回淹水流不斷摻混，在靠近邊墻位置形成尺度沿程逐漸增大的上涌水突；同時(shí)，在尾水進(jìn)口底部主流下方可觀(guān)察到明顯的橢圓狀橫軸漩滾。

e) 補(bǔ)償流區(qū)：向上游方向的附壁射流，從消力池進(jìn)口兩側(cè)的角隅處涌出，卷入主流。

f) 表面漩滾：回淹水流與兩側(cè)邊墻附近不斷向消力池軸線(xiàn)附近翻卷的水突共同作用，受淹沒(méi)射流影響，形成向消力池進(jìn)口方向涌動(dòng)的表面漩滾。

消力池內(nèi)水流流態(tài)隨跌坎深度變化和流量增減而改變：消力池中產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式底流流態(tài)和淹沒(méi)型底流流態(tài)。對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，應(yīng)促使其盡量產(chǎn)生淹沒(méi)型底流流態(tài)(圖3a)。經(jīng)過(guò)擴(kuò)散式泄槽的下泄水流，由于不能很好地沿邊墻擴(kuò)散，主流集中于軸線(xiàn)位置，進(jìn)入消力池后形成較為典型的三元流，沿泄槽邊墻方向的水流撞擊邊墻后流向改變，與回淹水流共同作用，形成沿邊墻向上的上涌水突；主流沖擊底板后，沿消力池底板形成的附壁射流向下游急速流動(dòng)，由于尾坎攔阻向上涌出，在消力池尾部角隅處形成明顯水突(圖3b)。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 臨底流速

底流消能工應(yīng)用于高水頭、大單寬流量泄洪工程時(shí)，作用在消力池底板的臨底流速往往較大，在脈動(dòng)作用下，直接影響消力池底板的穩(wěn)定，容易造成消力池底板破壞[5]。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，得到消力池底板射流沖擊區(qū)附近(測(cè)點(diǎn)2)臨底流速(表2)以及消力池底板軸線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)臨底流速(圖4)。

表2 沖擊區(qū)附近流速

從表2可知：隨跌坎深度加大，消力池底板射流沖擊區(qū)附近臨底流速下降明顯，最大降幅接近30%。

由圖4可以看出，不同流量情況下，消力池底板沖擊區(qū)下游沿程臨底流速均隨跌坎深度增加而減小。Q=15 L/s情況下，跌坎深度T=5 cm(方案一)時(shí)消力池底板臨底流速最大(沖擊區(qū)測(cè)點(diǎn)流速達(dá)2.857 m/s)；跌坎深度增加至10 cm時(shí)，消力池底板沖擊區(qū)測(cè)點(diǎn)臨底流速下降到2.310 m/s，降幅為19.1%；跌坎深度進(jìn)一步增加到15 cm時(shí)，消力池底板沖擊區(qū)測(cè)點(diǎn)臨底流速繼續(xù)下降，但降幅僅為10.1%。

a)Q=9 L/s

b) Q=12 L/s

c) Q=15 L/s圖4 消力池底板軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)臨底流速

3.2 消力池底板動(dòng)水壓強(qiáng)

3.2.1時(shí)均壓強(qiáng)

作用在消力池底板上的時(shí)均壓強(qiáng)表征消力池底板總體受力情況，是造成消力池底板破壞的重要原因[6]。根據(jù)試驗(yàn)，測(cè)得消力池底板軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)(表3)，考慮到跌坎深度增加，消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)隨之增加。為便于比較，以方案一消力池底板為基準(zhǔn)，將方案二和方案三底板測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行扣減處理，得到扣除消力池內(nèi)靜水深度增加值后的底板時(shí)均壓強(qiáng)值。

表3 消力池底板軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)

從上表可以看出：不同流量下，方案一射流沖擊區(qū)位于0-1與0-2測(cè)點(diǎn)之間，入池水股落點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)0-2約13 cm，相對(duì)于射流下方的測(cè)點(diǎn)0-1，測(cè)點(diǎn)0-2時(shí)均壓強(qiáng)稍大；由于流速衰減，沿底部潛流方向，底板時(shí)均壓強(qiáng)逐漸回升。方案二射流沖擊區(qū)下移，入池水股落點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)0-2約6 cm，由于部分疊加了射流流速水頭，測(cè)點(diǎn)0-2時(shí)均壓強(qiáng)有所增加。方案三射流沖擊區(qū)位于測(cè)點(diǎn)0-2稍下游側(cè)，由于流速水頭疊加明顯，致使0-2測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)最大；由于池深加大，下游回淹水流前移，消力池靠近出口的水面回落，底板0-4、0-5測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)相對(duì)于方案二，反而出現(xiàn)下降。

結(jié)合消力池內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行分析，Q=15 L/s情況下，擴(kuò)散段末端斷面(溢0+009.935 m斷面)平均水深2.22 cm，跌坎深度5 cm(方案一)時(shí)，消力池內(nèi)水流流態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，淹沒(méi)度僅為0.69，射流在消力池內(nèi)呈急速流動(dòng)，底板測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)明顯偏小；跌坎深度增加到10 cm(方案二)時(shí)，消力池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的淹沒(méi)水躍(躍后斷面基本位于消力池出口)，淹沒(méi)度1.06，消力池內(nèi)水深增加(h″=33 cm)，臨底流速降低，時(shí)均壓強(qiáng)明顯增大；跌坎深度繼續(xù)增加到15 cm(方案三)時(shí)，消力池內(nèi)淹沒(méi)度繼續(xù)增加(淹沒(méi)度1.10)，消力池內(nèi)水深有所增加，臨底流速繼續(xù)減小，但由于躍后斷面前移(距離消力池出口12 cm)，受躍后水深跌落影響，在底板測(cè)點(diǎn)沿程壓力分布圖中，方案三中的測(cè)點(diǎn)0-4、0-5時(shí)均壓強(qiáng)均低于方案二(圖5)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖5 消力池軸線(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)

整體而言，相同流量下，除0-2測(cè)點(diǎn)外，跌坎深度由5 cm增加至10 cm時(shí)，時(shí)均壓強(qiáng)的增加幅度明顯大于跌坎深度由10 cm增加至15 cm。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到消力池底板臨邊時(shí)均壓強(qiáng)(圖6)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖6 消力池臨邊時(shí)均壓強(qiáng)

由圖6可以看出，相同下泄流量情況下，不同方案消力池底板臨邊時(shí)均壓強(qiáng)的整體變化規(guī)律與消力池底板軸線(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)類(lèi)似，同樣容易看出：跌坎深度由5 cm增加至10 cm時(shí)，時(shí)均壓強(qiáng)的增加幅度明顯大于跌坎深度由10 cm增加至15 cm。

3.2.2脈動(dòng)壓強(qiáng)

脈動(dòng)壓強(qiáng)的存在，增加了泄流邊界的局部瞬時(shí)荷載，提高了對(duì)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度要求[7]，它的變化可能造成結(jié)構(gòu)物發(fā)生失穩(wěn)、斷裂破壞[8]。因此，消力池荷載設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響。試驗(yàn)測(cè)試了動(dòng)水壓強(qiáng)的脈動(dòng)情況，以分析消力池底板壓力脈動(dòng)(圖7、8)。

圖7可知，相同方案情況下，隨流量增加，消力池底板脈動(dòng)強(qiáng)度值增加。相同流量情況下(Q=9 L/s)，隨跌坎深度增加，消力池內(nèi)沖擊區(qū)附近(0-2測(cè)點(diǎn))的脈動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，但方案二(跌坎深度10 cm)較方案一(跌坎深度5 cm)的脈動(dòng)強(qiáng)度降幅明顯大于方案三(跌坎深度15 cm)較之方案二的降幅：跌坎深度5 cm時(shí)沖擊區(qū)附近測(cè)點(diǎn)(0-2)脈動(dòng)強(qiáng)度為0.527，跌坎深度增加為10 cm時(shí)沖擊區(qū)附近測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度(0.405)降幅達(dá)到23.1 %，明顯大于跌坎深度繼續(xù)增加到15 cm時(shí)的脈動(dòng)強(qiáng)度(0.347)降幅(14.3%)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖7 軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度

隨流量增加，沖擊區(qū)范圍不斷擴(kuò)大；同時(shí)隨跌坎深度的增加，射流沖擊落點(diǎn)不斷后移，致使Q=12、15 L/s時(shí)，不同跌坎深度情況下，0-2測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度變化不大，但數(shù)值相對(duì)于Q=9 L/s有所上升，沖擊區(qū)下游側(cè)沿程測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度明顯下降并漸趨均勻。

從圖8可以看出，沖擊區(qū)附近脈動(dòng)壓強(qiáng)在垂直水流方向上呈“凸”型分布，由軸線(xiàn)向消力池兩側(cè)邊墻遞減；且底板脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)值橫水流方向的分布沿程漸趨均勻，強(qiáng)度逐漸降低，軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)下降更為明顯。

a)2號(hào)測(cè)點(diǎn)

b)3號(hào)測(cè)點(diǎn)

c)4號(hào)測(cè)點(diǎn)

d)5號(hào)測(cè)點(diǎn)圖8 橫水流方向底板壓強(qiáng)脈動(dòng)壓強(qiáng)(Q=12 L/s)

4 結(jié)論

水流條件是影響水力特性的重要因素。本文通過(guò)水工模擬試驗(yàn)，改變跌坎深度對(duì)擴(kuò)散式泄槽突擴(kuò)式底流消力池水力特性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：跌坎深度為5 cm時(shí)，消力池內(nèi)水流流態(tài)介于臨界水躍向遠(yuǎn)驅(qū)式水躍過(guò)渡區(qū)間，不能形成有效淹沒(méi)，射流在消力池內(nèi)呈急速流動(dòng)，臨底流速最大，時(shí)均壓強(qiáng)最小；跌坎深度增加至10 cm時(shí)，消力池能夠形成穩(wěn)定的淹沒(méi)，池內(nèi)水深增加，臨底流速減小，時(shí)均壓強(qiáng)升高；跌坎深度進(jìn)一步增加至15 cm時(shí)，消力池內(nèi)淹沒(méi)程度雖繼續(xù)增加，臨底流速進(jìn)一步減小，底板沿程時(shí)均壓強(qiáng)先增加后減小，但變幅減小。

綜上所述，跌坎深度10 cm已能滿(mǎn)足要求，繼續(xù)加大跌坎深度，消力池內(nèi)水力特性變化不再明顯。在開(kāi)挖深度受限時(shí)，試驗(yàn)研究成果經(jīng)幾何比尺放大后，可用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。