消力池水跃消能试验分析

邸国平 李治勤

（1.太原理工大学 030024；2.山西省水利水电科学研究院 030002）

1 涝河水库溢洪道概述

涝河水库位于汾河支流涝河中段，水库溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢洪道，设计流量260m3/s（P=2%），校核流量为914m3/s（P=0.1%），根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），原设计出口消能工采用30年一遇洪水标准，相应泄量177m3/s。消能采用底流消能方案。

原设计方案在泄放30年一遇及50年一遇洪水时，溢洪道进口、一级陡坡及二级陡坡段水流平顺，流速分布比较均匀，流态基本稳定，在消力池内也均能发生水跃；但当泄放1000年一遇洪水时，原设计方案消力池中不能产生完全形式的水跃，消能方式近似变为挑流消能，挑射水股挑起后落在海漫上产生很大的动水冲击压力，冲击力会把海漫段冲毁，由于溢洪道基础为土基，溢洪道基础很容易受到冲刷，这样很容易威胁到消力池的安全，所以经试验原设计方案不能满足工程实际要求。

2 模型设计及水利要素量测

试验采用正态整体模型制作，按重力相似准则设计，模型制作满足《水工模型试验规程》精度的要求，模型范围取溢洪道库区上游150m，溢洪道下游转弯后80m的范围。

根据试验设备、场地及精度的要求，采用长度比尺λl，水流各物理量比尺为：

建筑物是钢筋混凝土结构，其糙率np=0.015，要求模型糙率为nm=0.015/λn=0.0081，模型采用有机玻璃和聚氯乙烯板材制作，其糙率n=0.0075～0.0085，满足要求，为方便流态观测，侧墙均选用有机玻璃板制作。

为满足溢洪道进口水流相似，模型中库区部分依据设计提供的库区地形按长度比尺缩制，表面用水泥砂浆粉制而成，出口防冲槽后也按地形图进行缩制。

试验中流量用薄壁矩形堰量测；水流纵向或横向水面线用活动测针测度；流速用毕托管量测；时均水压力使用测压管量测。

3 试验成果及其分析

从原方案到修改方案共进行了六次不同体型、不同消能工形式的放水试验（各方案技术参数见表1），各级流量下在消力池内均能产生水跃，消能形式为底流式消能，海漫段衔接情况良好，试验对各种条件下消力池内产生水跃时跃前断面的水深、流速等水力要素进行了量测，通过分析计算得出了各方案在不同洪水等级条件下的跃前弗汝得数Fr1及消能系数Kj，结果见表2。

表1 各方案技术参数

表2 不同方案各条件下弗汝得数与消能系数

水跃的消能率和跃前的弗汝得数Fr1有关，当Fr1＞9.0时，虽然消能率可以进一步提高，但实验表明，此时跃后水面的波动很大并且一直传播到下游，这种水跃属于强水跃；当4.5≤Fr1≤9.0时，水跃的消能效率高同时水跃稳定，跃后水面也比较平静，因此，利用水跃消能，最好能使其Fr1位于此范围内。

从表2可以看出，方案五的弗汝得数50年一遇洪水条件下为8.6，1000年一遇洪水条件下为6.3，消能系数50年一遇洪水条件下为69%，1000年一遇洪水条件下为59%，均高于其他方案相应洪水条件下的弗汝得数与效能系数。图1为各方案在50年一遇洪水条件下，弗汝得数与消能系数的关系曲线图。

图1 弗汝得数与消能系数关系图（Q2%=260m3/s）

从图1可以看出，从原方案到方案五，弗汝得数和消能系数逐渐增大，方案五弗汝得数与消能系数达到最大，消能效果达到最理想的状态。

原方案30年及50年一遇洪水条件下弗汝得数Fr1均小于4.5；1000年一遇洪水条件下的弗汝得数虽然在4.5～9.0之间，但是此时的效能方式已经近似成为挑坎（消力池末端）为90°的挑流消能，而且消能系数也比较低。

方案一到方案五在各级流量下，弗汝得数均在4.5～9.0的范围内，而且都是逐渐增大，消能系数也在不断增大，以方案四、五为最高。

方案四与方案五的弗汝得数与消能系数近似相等，但是方案五较方案四而言，消力池长度缩短了10m，减少了工程量，节约了投资。

5 结论与建议

通过对消力池体型及消能工的多次修改，现场经过多次的放水试验，从流态、流速以及计算所得弗汝得数与消能系数的关系得出以下结论：

1）从试验成果可以看出，原设计方案溢洪道布置基本合理，通过修改试验，方案五在泄放1000年一遇洪水的条件下，溢洪道能安全行洪，消力池为底流消能，消能状况良好。

2）跃前断面弗汝得数与消能系数从原方案到方案五，随着每次的修改逐渐增大，方案四与方案五计算所得出的弗汝得数都在4.5～9.0的范围内，消能系数也基本一致，此时的消能率比较高，水跃稳定，消能效果达到最理想的状态，两者均能满足工程的需要。

3）方案四与方案五虽然消能效果基本相近，但是从减小工程量和节省投资以及消能效果各方面因素综合考虑，最终确定方案五为最优方案。