賈旺，黃桂兵，刁明軍

(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)

1 前言

尾礦壩排水系統(tǒng)在排洪時(shí)流速高、水頭高，巨大能量沖擊消力池，容易造成消力池底板沖刷失穩(wěn)破壞，因此有必要對(duì)尾礦壩排水系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行研究。底流消能是泄洪建筑物常用的消能方式之一[1]。底流消能型式通過水躍來(lái)消能[2]，水躍引起的水面滾動(dòng)和強(qiáng)烈湍流導(dǎo)致消力池內(nèi)能量損失，達(dá)到消能的目的[3]。底流消能具有消能后水流流態(tài)穩(wěn)定、對(duì)尾坎和側(cè)墻沖刷小、泄洪霧化小、消能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)[4]。跌坎型底流消力池在傳統(tǒng)消力池首部設(shè)置一定高度的跌坎，其消能原理是利用跌坎后形成的水墊將水流與消力池底板隔離[5]，可有效降低消力池臨底流速，有利于消力池底板的安全穩(wěn)定。本文以某尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)工程為例，針對(duì)臥管下泄能量過大，消力池內(nèi)流態(tài)差和消能率低等問題，重點(diǎn)研究底流消力池的流態(tài)、臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)等水力特性，通過多方案比選，給出適應(yīng)性強(qiáng)、流態(tài)穩(wěn)定、消能充分的消力池體型。

2 工程概況

排洪系統(tǒng)由排洪臥管、排水斜管、消力池組成，臥管直徑3.6m，總長(zhǎng)度1.8km。灰場(chǎng)處于山區(qū)河流溝段，洪峰流量和洪水總量都巨大，排洪臥管管線長(zhǎng)，最大水頭達(dá)到130.7m。排洪臥管軸線在平面上有10處轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎段半徑為60m，在立面上存在4處邊坡點(diǎn)，最大坡度達(dá)到30%。本灰場(chǎng)設(shè)計(jì)級(jí)別為一級(jí)，灰場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)洪水流量為165m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取500年一遇，相應(yīng)洪水流量為225m3/s。本試驗(yàn)采用整體正態(tài)水力模型，水力模型水平比尺、垂直比尺為1∶30，本模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。消能防沖設(shè)施采用底流消能型式，本試驗(yàn)消能工采用跌坎消力池的形式消能。

底流消能因其流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、尾水波動(dòng)小、泄洪霧化影響小等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。高水頭大流量泄洪工程采用底流消能時(shí)，消力池底流速較大，容易造成消力池底板失穩(wěn)破壞[7]。因此，在消力池進(jìn)口處設(shè)置跌坎，形成跌坎型消力池。這種新型底流消能工不僅能降低底部水力指標(biāo)，而且能達(dá)到泄洪消能的目的，盡可能降低工程造價(jià)。

圖1 尾礦庫(kù)場(chǎng)外排洪系統(tǒng)三維模型

3 消力池體型優(yōu)化研究

本工程上下游水頭高，水流流速大，泄洪邊界復(fù)雜，場(chǎng)外排洪系統(tǒng)的泄流量較大，臥管出口消力池的泄洪消能水力特性對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。模型試驗(yàn)在保持消力池底板高程不變的情況下對(duì)兩種消力池體型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。方案一：消力池體型長(zhǎng)度為50m，寬為10m，尾坎高度2m；方案二：消力池體型長(zhǎng)度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m。

3.1 方案一消力池水流流態(tài)

圖2和圖3為方案一消力池的流態(tài)圖。從圖中可見，消力池進(jìn)口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，由于入池流速大，尾坎較低，雍高水位有限，消力池內(nèi)無(wú)法形成完整水躍，水流入池后直接沖出消力池，尾坎無(wú)法達(dá)到壅水以消能的目的。該方案由于尾坎低，無(wú)法達(dá)到消能的效果，該方案不可取。

圖2 消力池水流流態(tài)

圖3 消力池池身流態(tài)

3.2 方案二消力池水力學(xué)特性

3.2.1 消力池內(nèi)水流流態(tài)

圖4和圖5為方案二消力池的流態(tài)圖。從圖中可見，消力池進(jìn)口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，自由出流時(shí)臥管的泄流能力較大，由于尾坎壅高水位，使得消力池內(nèi)發(fā)生水躍，且水躍過程比較完整，消力池內(nèi)尾坎附近水面波動(dòng)不大，表明消力池消能效果良好。

圖4 消力池水流流態(tài)

圖5 消力池池身流態(tài)

3.2.2 消力池臨底流速

圖6為方案二消力池臨底流速。在校核工況下，消力池底板1/2位置臨底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4位置臨底流速最大10.46m/s。

圖6 500年一遇工況消力池底板臨底流速

3.2.3 消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)

圖7為方案二消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)。在校核工況下，消力池底板1/2位置時(shí)均壓強(qiáng)最大7.29m；消力池底板1/4位置時(shí)均壓強(qiáng)最大6.67m。從表中可以看出，消力池底板中部以后壓強(qiáng)明顯較大，這是由于從臥管進(jìn)入消力池的水流落點(diǎn)位于底板中部以后所致。盡管底板中部壓力相對(duì)較大，但該壓力對(duì)消力池底板安全不會(huì)造成明顯影響。

圖7 500年一遇工況消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)

3.3 消力池方案比選

通過對(duì)兩種消力池方案的試驗(yàn)，成果顯示：

方案一中消力池體型。消力池進(jìn)口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，由于入池流速大，尾坎較低，雍高水位有限，水深較淺，消力池內(nèi)無(wú)法形成完整水躍，水流入池后直接沖出消力池，尾坎無(wú)法達(dá)到壅水以消能的目的。該方案由于尾坎低，無(wú)法達(dá)到消能的效果，該方案不宜采用。

方案二中消力池體型。消力池進(jìn)口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，自由出流時(shí)臥管的泄流能力較大，由于尾坎壅高水位，使得消力池內(nèi)發(fā)生水躍，且水躍過程比較完整，消力池內(nèi)尾坎附近水面波動(dòng)不大，表明消力池消能效果良好。方案二消力池臨底流速，在校核工況下，消力池底板1/2(中線)位置臨底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4(橫向)位置臨底流速最大10.46m/s；方案二消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)，在校核工況下，消力池底板1/2(中線)位置時(shí)均壓強(qiáng)最大7.29m，消力池底板1/4(橫向)位置時(shí)均壓強(qiáng)最大6.67m?？傮w而言，消力池底板上的臨底流速都較低，底板發(fā)生沖刷破壞的可能性較小，安全是有保障的。

經(jīng)過模型試驗(yàn)流態(tài)觀察以及數(shù)據(jù)測(cè)量，綜合比較消力池的兩個(gè)方案，方案二的消能效果最佳，且投資較小。因此，本次模型試驗(yàn)將方案二消力池體型，即池體型長(zhǎng)度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m方案作為場(chǎng)外排洪系統(tǒng)消力池推薦方案。

4 結(jié)語(yǔ)

通過水工模型試驗(yàn)，研究不同尾坎高度對(duì)跌坎型消力池水力特性的影響，試驗(yàn)成果表明：在校核工況下，方案二消力池內(nèi)水躍過程比較完整，尾坎附近水流流態(tài)穩(wěn)定，消力池底板中線位置臨底流速最大13.07m/s，時(shí)均壓強(qiáng)最大7.29m，消力池體型長(zhǎng)度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m方案作為場(chǎng)外排洪系統(tǒng)消力池推薦方案。本研究成果可供其它類似工程參考。