双浅水垫消力池模型试验研究

蒋胜银

（四川大学水力学及山区河流开发保护国家重点实验室 四川 成都 610065）

1 消能工研究的现状与进展

在水利水电工程中，泄水建筑物是否能安全经济地消耗高速水流所携带的大量能率关系到水库大坝的安全和能否充分发挥工程的效益。对消能工的选择主要要根据具体的建筑物枢纽布置形式、工程地质、水文以及施工运行条件来确定[1]，应在保证安全有效的前提下，尽可能地选择结构简单、工程量小、施工方便、成本低的消能方式。目前国内外通常使用的消能形式主要有：底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能四种方式。

随着对消能机理的认识深入，许多新型的消能工已经开始应用于各个工程实践中[2]。通常把普遍应用的新型消能工又分为五个类型，即水垫塘式、大差动、收缩式、异型坎和其他特种消能工[3]。

借鉴了水垫塘消能工的水垫可以吸收入射水流能量，减小消力池底部流速的优点，最早由廖华胜[4]等提出了水垫消力池的概念。常规消力池临底流速非常大，浅水垫消力池与其不同的是它可以利用池内底部形成的水垫作为“柔性底板”，对入池水流施加相反的柔性作用力，达到降低临底水力指标的目的。本文设计双浅水垫消力池模型进行试验，目的在于对双浅水垫消力池在流态、流速和压强上进行多方位分析。

2 模型简介

本次模型试验按照佛汝德数（Fr）相似准则进行，模拟范围为：消力池以上洞身段80m，消力池段90m，及消力池出口以下80m，百年一遇工况下流量为3393.4m3/s，二十年一遇工况下流量为2500.2m3/s。模型几何比尺 1：40。

本次试验的控制断面为消力池进口断面和消力池出口下游80m处断面。模型流量由上游量水堰控制，量水堰内水流平顺，能够保证测量的精度。压强测量则采用测压管和脉动压强传感器。流速测量采用毕托管。

3 试验结果分析

3.1 体型

模型试验中的消力池隔坎为平台式，体型图见图1。

3.2 流态

消力池各段水流流态在百年一遇洪水和20年一遇洪水两种工况下，明显可见双水跃的发生，池内水流紊动强烈。进口斜坡段底板及侧壁时有脱壁现象，池中隔坎迎水面为主流冲击区，经隔坎反射后水流在前池内剧烈旋滚，底部有一定厚度水垫；经隔坎挑射后主流远离底板，在后池内形成较厚的低流速水垫，坎后局部区域有小回流；消力池出口处水面有一定跌落，但不严重。

3.3 流速

表1和表2分别为百年一遇洪水与20年一遇洪水工况下消力池内各典型部位流速试验结果。可以看出，各断面垂向流速分布不均匀，临底流速较小，中部较大，表面稍小。百年一遇洪水工况下，消力池进口、渐变段后16m、最后一个平台起点下游4m及消力池出口 各 断 面 流 速 分 别 为 21.7m/s、12.1m/s、8.2m/s、7.4m/s。20年一遇洪水工况流速大小及衰减规律与百年一遇工况基本一致。平台隔坎前及前池内水跃消能较充分，水流经过平台隔坎后，流速衰减迅速。

表1 百年一遇洪水工况各部位流速试验结果

表2 20年一遇洪水工况各部位流速试验结果

3.4 压强

对典型部位的压强进行了详细的测量，时均压强测量采用测压管方法。该方案下压强试验一共布置了131个典型测点，纵向分为两排，一排沿洞轴线方向，一排沿轴线与右边壁中心线方向。

3.4.1 时均压强

试验结果表明：底板压强沿程变化明显，横向分布较为均匀；消力池斜坡进口附近底板出现较大的负压，斜坡末端压强已为正值，其余部位基本为正压。百年一遇洪水工况下压强大于20年一遇洪水工况，几个跌坎垂直面承受的静水压强均较小，几个平台段及隔坎迎水面为大压强区，最大压强发生在平台隔坎段起点附近，百年一遇洪水工况下约34.69m水柱。隔坎面上压强沿程衰减，平台起点处压强较小，在百年一遇工况下实测负压在（-3.8m～2.2m水柱）之间，其后压强沿程增加，最大约13.8m水柱；差动尾坎垂直迎水面压强较大，两个工况下分别在在 15.40m～21.02m水柱和11.72m～18.94m水柱之间；护坦段承受压强较小，沿程略有增加，最大在10m左右。

3.4.2 脉动压强

为了了解底板及侧墙脉动压强的大小及频率特性，试验实测了底板及侧墙的脉动压强。试验结果表明：消力池侧墙的脉动压强均方根值普遍较小，但最大值较大，约为5.29m水柱，而消力池底板的脉动压强均方根值普遍较大，最大值为10.58m水柱，出现在桩号为1+1473m。100年一遇时的最大值为10.53m水柱，出现在同一测点。

4 结论

（1）双浅水垫消力池的池内流态良好，能较好地形成前后两个水跃，使得水流在池内紊动剧烈，消能充分。出池水流水面跌落较小，护坦段水流平顺。

（2）双浅水垫消力池压力特性良好，消力池内部各部位压强均为正压。其侧墙的脉动压力均方根值较小，最大值约为4.69m水柱。

（3）双浅水垫消力池消能效率较高。100年一遇洪水和20年一遇洪水工况下，消力池内消能率分别约为42%和56%，说明双浅水垫消力池在低Fr数的消能条件下可以显著提高消能率。陕西水利

[1]孙桂凯，徐伟章.消力戽在低佛氏数水流中的应用[J].红水河，2002年第4期

[2[水利部国际合作与科技司.当代水利科技前沿[M].北京∶中国水利水电出版社，2006

[3]李上游，韦明翰.浅谈我国新型消能工的研究和应用现状[J].广西水力水电，1996(2)∶22～25

[4]廖华胜.云南省楚雄州青山嘴水库工程水工模型试验研究报告[R].水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，2004年8月