枕头坝江沟排水洞消力池优化模型试验研究

刘贤鹏，刁明军，徐兰兰

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065）

1 工程概况

枕头坝江沟隧洞段总长1 869.03 m，平均纵坡i=0.052。隧洞段设置两个转弯段，第一个转弯半径为300 m，转弯角为 22°13″44′；第二个转弯半径为 1 000 m，转弯角为21°59″27′。经模型试验优化，排水洞出口挑坎总长度26.50 m。

设计洪水标准为50年一遇，相应洪水流量为544.7 m3/s，校核洪水标准取200年一遇，相应洪水流量为723 m3/s。消能防冲建筑物的洪水设计标准采用30年一遇（P=3.33%），相应洪峰流量492 m3/s；目前正在进行工程施工阶段，模型试验采用1∶40的正态模型进行试验研究。

泄洪洞消能防冲设施的型式有挑流、低流、面流、戽流等消能工。其形式选择应根据地形地质条件、泄流能力、运行方式、下游水深及河床抗冲能力、消能防冲要求、下游水流衔接及对其它建筑物的影响等因素，通过技术经济对比选定。目前国内外大部分采用挑流消能。挑流消能是在泄槽末端修筑挑流鼻坎，利用鼻坎将从泄槽下泄的高速水流挑射到距离建筑物较远的地方；在挑射的过程中，水流受空气阻力而扩散并掺入大量空气，降落到下游水面后，又受到下游水体的碰撞、剪切和混掺以减少对河床冲刷。本试验消能工采用挑流加消力池联合消能的形式消能。

2 消力池运行中存在的问题

初始设计体型消力池采用消力坎式，消力池内采用动床的形式，动床模型试验的模拟对象是河床基岩，采用水平铺沙方式，根据基岩高程确定模型散离体铺砂高程。消力池内基岩高程为603 m，水平铺沙高程至610 m，同时为了有效的消能，在挑坎出口水流落点范围内铺一层高为3 m相互串联的四面体消力池尾坎布置在下游河道里程K0+320的位置上，消力池尾坎高程为616 m，尾坎的形状采用梯形结构，消力池总长108 m，消力池平面布置图见图1。

图1 初始体型消力池平面布置图

试验表明,相互串联的四面体能够增大对水流的磨擦力，能消耗一部分能量；同时，相互串联的四面体对水流具有防冲的作用，冲刷情况比较理想。由于排水洞出口与下游河道有一定夹角，挑流水流偏向左岸，水流落点在河道左岸；排水洞落差将近100 m，下泄200年一遇洪水时,挑流出口水流流速达到25 m/s，池内产生不完整水跃,水流剧烈紊动,漩滚不明显。主流集中于左股并冲出尾坎,尾坎处水面涌高。坎后水流呈底流式分布,左侧流速达13 m/s，中间流速达11 m/s，右侧流速5 m/s，横断面流速分布悬殊很大，坎后发生斜向的二次水跃。本试验说明,挑流加消力池联合消能有一定效果,但消力池内流态较差；受地形的限制，消力池内消能不充分，在消力池后形成了斜向二级水跃，如果不对消力池进行有效的优化，将对下游河道造成了严重的冲刷，其下游流态流速如图2；为改善流态,提高消能效果，又进行了多个设置辅助消能工的对比试验。其中，有代表性的是，在一级消力池后，布置了一排三角形消力墩。

图2 200年一遇初始体型下游河道流速分布图

3 消力池的优化

3.1 辅助消能工的设计

在一级消力池后布置消力墩后形成二级消力池，消力墩均被用来稳定水跃,并消杀各类水工建筑物（如溢洪道、泄水道、底孔及其跌水建筑物等）下游的剩余动能。这便是众所周知的强迫水跃,强迫水跃的特征与典型的自由水跃大不相同它不仅使水流分离,并在消力墩后产生涡流,而且在消力墩上还作用着一种阻力。是底流消能的基本形式，是一种辅助消能工。

由于一级消力池出口水流偏向左岸，横断面流速分布悬殊很大，左岸水流流速较大，在200年一遇洪水流量时，横断面流速分布悬殊很大，在消力池后形成了流速约为13 m/s的斜向二级水跃，在此种情况下，根据地形，为了在二级消力池内形成淹没水跃，达到消能效果。文中提出了在消力池下游设置一排与一级消力池平行的7个三角形消力池趾墩，以抬高下游水位，借以产生强迫水跃来进行消能。由于左岸流速比右岸流速大，左岸趾墩布置比右岸稍微密集。为了保证最不利情况下水跃仍发生在二级消力池内;反复通过模型试验研究,最后确定二级消力池池底高程610 m,池长为15 m,尾坎高3 m,三角形趾墩的底边长5 m，高3 m，两边长3.9 m。左岸第一个趾墩尽量与左岸靠近，左岸4个三角形趾墩，每个趾墩相距4.8 m，右岸4个趾墩每个趾墩相距6 m。

3.2 下游流态分析

一级消力池出口水流流速大、能量高,行进中受到二级消力池趾墩的阻挡、分流后,在趾墩前产生较强烈的旋滚、紊动,并形成一些小尺度旋涡,消散了部分动能；通过疏密相间的趾墩后的水流流量沿横向重新进行了分配,使其在池中得以均匀扩散,有效消除了原设计中存在斜向二级水跃,坎后左侧流速达4 m/s,中间流速达3.8 m/s,右侧流速3 m/s,可见，消能效果较好，下游流态也得到了改善，同时下游河道沿程水面高程有所降低，可以有效的减少河道护坡的高程，减少工程量。其下游流态、流速及下游河道水面高程比较见图3，表1。

表1 消力池优化前后（200年一遇）下游水面高程比较m

图3 优化后200年一遇下游河道流速分布图

4 结语

辅助消能工主要靠小尺度漩涡，在池内掺混、剪切、剧烈紊动而形成强迫水跃，提高池内消能率，调整下游流速分布，减小冲刷。

由于一级消力池出口水流偏向左岸，消力池出口水流不均匀，横断面流速分布悬殊很大，在消力池后形成了流速约为13 m/s的斜向二级水跃。本文通过水工模型试验，对消力池进行优化，提出了在消力池后增设一排疏密相间消力池趾墩。结果表明，通过优化后，消力池下游二级水跃情况基本上消除了，同时减少了下游河道护坡高程，减少了工程量。本工程根据试验选定的辅助消能型式，结构简单，经济实用，充分发挥了其消能效果，该成果已被工程所采纳。

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