李彥坡,李會(huì)平,緱文娟,孟 濤

(1.新華水力發(fā)電有限公司，北京 100070;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350;3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

消力池底板破壞在水利工程運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生。泄水建筑物下泄的高速水流具有巨大的能量和相當(dāng)大的沖刷破壞能力。如果不對(duì)高速水流加以控制會(huì)對(duì)建筑物造成破壞，底流消能是水利工程中常見的消能方式，流態(tài)穩(wěn)定、消能率高、對(duì)地質(zhì)條件要求較低，尾水水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)[1]。底流消能工應(yīng)用于高水頭、大單寬流量泄洪工程時(shí)，由于底流消能工是通過水躍進(jìn)行消能的，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，能量耗散主要集中在消力池前半?yún)^(qū)，作用在消力池的臨底流速、動(dòng)水壓強(qiáng)等往往會(huì)較大，會(huì)直接影響消力池的底板穩(wěn)定，容易造成消力池底板破壞[2- 3]，對(duì)底板的防沖保護(hù)難度很大。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外接連發(fā)生了消力池底板失穩(wěn)的事件，再一次將泄流防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題擺在了科技工作者的面前。臨底流速是底流消能工的一項(xiàng)重要的水力學(xué)指標(biāo)，水流脈動(dòng)壓強(qiáng)的存在增大了消力池底板所承受的瞬時(shí)荷載、提高了對(duì)消力池底板強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求[4- 7]。王康柱[8]分析了泄洪消能建筑物破壞原因，李杰[9]、郭麗等[10]結(jié)合工程實(shí)例，研究了底流消力池的水力特性，柳瑩[11]、翟靜靜等[12]合實(shí)際工程研究了泄水建筑物的出口消能問題。本文通過1∶50水工模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了阿爾塔什導(dǎo)流洞消力池的水流流態(tài)、臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)的沿程分布情況；并對(duì)比了尾坎體型對(duì)水動(dòng)力特性的影響，給出了相對(duì)較優(yōu)的尾坎體型。

1 模型情況介紹

1.1 消力池體型

消力池底高程1651.00m，尾渠底高程1657.00m，消力池長(zhǎng)78.00m，消力池為矩形斷面，消力池凈寬30.00m、邊墻凈高21.22m。消力池體型如圖1所示。

圖1 消力池體型(原體型)(單位：標(biāo)高和樁號(hào)的單位m；長(zhǎng)度單位mm)

1.2 尾坎體型優(yōu)化

為了研究尾坎反坡及尾坎高度對(duì)水動(dòng)力特性的影響，分別對(duì)尾坎加高1.5m、30°反坡尾坎未加高、30°反坡尾坎加高1.5m進(jìn)行了試驗(yàn)研究，尾坎體型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)流洞消力池尾坎體型(單位:m)

1.3 模型比尺及試驗(yàn)工況

利用1∶50導(dǎo)流洞單體水工模型，分別對(duì)導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況(P=5%枯水)、導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況(P=5%全年)2個(gè)典型工況開展模型試驗(yàn)研究。工況具體情況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2 原體型水力特性

2.1 流態(tài)

原體型模型試驗(yàn)流態(tài)照片如圖3所示。

圖3 導(dǎo)流洞消力池流態(tài)(模型試驗(yàn)照片)

從圖3模型試驗(yàn)照片可以看出：

(1)導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況一,消力池流態(tài)及出池水流平穩(wěn)；水躍發(fā)生在斜坡擴(kuò)散段及陡坡段，斜坡擴(kuò)散段水流擴(kuò)散充分；進(jìn)入消力池的水流旋滾已經(jīng)很小，消力池內(nèi)水流比較平順，水面起伏不大，水深基本保持在13.75m，比下游水位高約0.5m；出池水流在護(hù)坦段無(wú)水面跌落，下游水流平穩(wěn)。

(2)導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況二，水躍躍首基本發(fā)生在消力池前陡槽末端，池內(nèi)形成接近臨界水躍，水體旋滾劇烈；消力池內(nèi)水流出現(xiàn)大幅波動(dòng)，最大水深在19.0m左右，高出下游水位約4.4m，距邊墻頂部約2.2m，雖然未超過邊墻頂部但因水面波動(dòng)較大有超過邊墻高度的趨勢(shì)；出池水流流態(tài)不佳。

2.2 臨底流速

模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)消力池中線的臨底流速分布如圖4所示。

圖4 臨底流速沿程分布圖

從模型實(shí)測(cè)臨底流速沿程分布圖4可以看出：

(1)導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況一，最大臨底流速發(fā)生在消力池前斜坡擴(kuò)散段樁號(hào)0+845.000m處，最大臨底流速為14.71m/s；消力池段臨底流速比較小，在1.0～1.3m/s；出池后護(hù)坦段最大臨底流速發(fā)生在樁號(hào)0+1024.586m，最大臨底流速為3.87m/s。

(2)導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況二，最大臨底流速發(fā)生在消力池前斜坡擴(kuò)散段樁號(hào)0+865.6m處，最大臨底流速為19.55m/s，隨后臨底流速逐漸減小，在消力池末端達(dá)到最小值2.67m/s；出池臨底流速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，出池后最大臨底流速發(fā)生在樁號(hào)0+1044.586m處，最大臨底流速為11.84m/s。

(3)相比于導(dǎo)流設(shè)計(jì)工況一(5%枯水)，導(dǎo)流設(shè)計(jì)工況二(5%全年)的上游庫(kù)水位、流量有很大提升，而2個(gè)工況的下游水位即消力池水深相差很??；導(dǎo)致工況二的臨底流速比工況一大幅增加，消力池前陡坡段和池后護(hù)坦段的最大臨底流速增幅分別為32.90%和205.94%。

2.3 動(dòng)水壓強(qiáng)

模型實(shí)測(cè)消力池中線的時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程分布如圖5所示。

圖5 動(dòng)水壓強(qiáng)沿程分布圖

從模型實(shí)測(cè)動(dòng)水壓強(qiáng)沿程分布圖5可以看出：

(1)時(shí)均壓強(qiáng)，時(shí)均壓強(qiáng)基本呈現(xiàn)沿程先減小后增大再減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在消力池前斜坡段躍首處時(shí)均壓強(qiáng)最小。工況一、工況二的躍首分別出現(xiàn)在樁號(hào)0+865.6m、0+978.9m處，對(duì)應(yīng)的時(shí)均壓強(qiáng)分別為2.75×9.8kPa和4.50×9.8kPa。

(2)脈動(dòng)壓強(qiáng)：脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈現(xiàn)沿程先增大后減小的趨勢(shì)，工況一、工況二的脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值分別出現(xiàn)在樁號(hào)0+870.0m、0+937.6m處，對(duì)應(yīng)的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)分別為1.02×9.8kPa和1.79×9.8kPa；脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根在護(hù)坦段靠近消力池尾坎處出現(xiàn)一個(gè)比較大的值后迅速減小趨于穩(wěn)定，工況一、工況二的脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值均出現(xiàn)在0+985.6m處，對(duì)應(yīng)的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)分別為0.51×9.8kPa和1.94×9.8kPa。

3 尾坎體型對(duì)水力特性的影響

3.1 臨底流速

消力池不同尾坎形式的臨底流速沿程分布對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同尾坎形式對(duì)臨底流速沿程分布的影響

由圖6中“原體型”與“30°反坡尾坎未加高”兩種體型的臨底流速對(duì)比可知：兩種工況下尾坎處是否設(shè)置反坡對(duì)臨底流速的影響不大，兩種體型臨底流速的沿程變化趨勢(shì)及大小基本一致。

由圖6中“原體型”與“尾坎加高1.5m”臨底流速對(duì)比、“30°反坡尾坎未加高”與“30°反坡尾坎加高1.5m”臨底流速對(duì)比可知：尾坎加高后，工況一時(shí)，消力池前斜坡段臨底流速有所降低、消力池段與池后護(hù)坦段臨底流速幾乎不受影響；工況二時(shí)，消力池前斜坡段、消力池前端臨底流速均有所降低，消力池段后段與池后護(hù)坦段臨底流速幾乎不受影響。

3.2 動(dòng)水壓強(qiáng)

消力池不同尾坎形式的時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布對(duì)比如圖7所示，脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程分布對(duì)比如圖8所示。

圖7 不同尾坎形式對(duì)時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布的影響

圖8 不同尾坎形式對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程分布的影響

由圖7—8中“原體型”與“30°反坡尾坎未加高”的動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)比、“原體型”與“尾坎加高1.5m”動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)比、“30°反坡尾坎未加高”與“30°反坡尾坎加高1.5m”動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)比可知：

(1)時(shí)均壓強(qiáng)，工況一時(shí)由于消力池水流流態(tài)及出池水流平順，消力池尾坎處是否設(shè)置反坡和尾坎是否加高對(duì)時(shí)均壓強(qiáng)的影響都不大；工況二時(shí)消力池尾坎處是否設(shè)置反坡對(duì)時(shí)均壓強(qiáng)的影響不大，尾坎加高后消力池段的時(shí)均壓強(qiáng)略有增加。

(2)脈動(dòng)壓強(qiáng)，工況一時(shí)由于消力池水流流態(tài)及出池水流平順，消力池尾坎處是否設(shè)置反坡和尾坎是否加高對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的影響不大，尾坎加高時(shí)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根最大值略有前移；工況二時(shí)尾坎處的反坡對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的影響不大，尾坎加高后消力池段的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根最大值有明顯降低。

3.3 尾坎影響及方案比選

(1)尾坎影響，相比于消力池尾坎處的反坡，尾坎高度對(duì)水力特性的影響更明顯。尾坎處設(shè)置反坡對(duì)臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根幾乎沒有影響。尾坎高度對(duì)時(shí)均壓強(qiáng)略有影響，對(duì)臨底流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的影響相對(duì)較大；消力池前斜坡段及消力池前端臨底流速隨尾坎加高而減小，大流量時(shí)時(shí)均壓強(qiáng)隨尾坎加高略有增加、消力池段脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根最大值隨尾坎加高而減小。

(2)方案比選，試驗(yàn)范圍內(nèi)，脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根都不大，但導(dǎo)流設(shè)計(jì)工況二時(shí)水流旋滾劇烈、水面波動(dòng)較大、出池流速較大。尾坎適當(dāng)加高能起到穩(wěn)定消力池流態(tài)的作用，綜合考慮消力池內(nèi)流態(tài)及出池流速，以30°反坡尾坎加高1.5m較優(yōu)，主要體現(xiàn)在消力池前陡坡段及出池流速均有所降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于1∶50水工模型試驗(yàn)研究了阿爾塔什導(dǎo)流洞消力池的水力特性及尾坎體型對(duì)水力特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)兩種工況最大臨底流速均發(fā)生在消力池前端斜坡擴(kuò)散段。

(2)時(shí)均壓強(qiáng)基本呈現(xiàn)沿程先減小后增大再減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

(3)沿程脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根都較小，脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈現(xiàn)沿程先增大后減小的趨勢(shì)，在護(hù)坦段靠近消力池尾坎處出現(xiàn)一個(gè)比較大的值后迅速減小趨于穩(wěn)定。

(4)相比于消力池尾坎處的反坡，尾坎高度對(duì)水力特性的影響更明顯，尾坎適當(dāng)加高能起到穩(wěn)定消力池流態(tài)的作用。綜合考慮消力池內(nèi)流態(tài)及出池流速，30°反坡尾坎加高1.5m體型較優(yōu)。