跌坎消力池临底流速试验研究

杨 敏，李会平，李树宁，董天松

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

跌坎消力池临底流速试验研究

杨 敏，李会平，李树宁，董天松

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

基于模型试验结果，分析比较了跌坎消力池与传统消力池的临底流速分布以及最大临底流速分布特性．分析结果表明：跌坎消力池临底流速分布为谷峰型；在其他条件一定时，随着跌坎高度增加，消力池最大临底流速减小；随着入池能量的增大，射流能量增大，到达底板的最大临底流速也相应增大；仅改变跌坎消力池的入池角时，随着入池角的增大，跌坎消力池最大临底流速相应增大．研究结果可为跌坎消力池的设计提供参考和指导．

水力学；跌坎消力池；模型试验；临底流速；流态

高坝大单宽流量泄水建筑物常出现高速水流问题，一般认为流速大于20,m/s时，就必须按高速水流来对待．下泄的高速水流具有巨大的能量和相当大的冲刷破坏能力．如果不对高速水流加以控制，会对建筑物造成破坏．常见的破坏模式有高速水流直接诱发底板的空化空蚀破坏以及高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后出现的空化空蚀破坏．不少采用底流消能的消力池工程也产生了空蚀破坏[1]．底流消能工应用于高水头、大单宽流量泄洪工程时，由于底流消能工是通过水跃进行消能的，水流紊动强烈，能量耗散主要集中在消力池前半区，作用在消力池的临底流速往往会较大，会直接影响消力池的底板稳定，容易造成消力池底板破坏[2]，对底板的防冲保护难度很大．与常规消力池相比，跌坎消力池是一种新型的消能方式，它能够有效地降低传统底流消能工存在的消力池的临底流速高的问题[3-5]．临底流速是底流消能工的一项重要水力学指标，本文通过模型试验和理论分析相结合的方法来研究跌坎消力池和传统消力池的临底流速的分布形式以及影响因素，探讨了跌坎消力池临底流速沿程分布和跃首流速、跌坎高度、入池能量以及入池角对跌坎消力池最大临底流速的影响，并探索降低跌坎消力池临底流速的有效措施，以期为跌坎消力池的设计提供参考.

1 模型简介

本文以某跌坎消力池的稳定性研究为背景．混凝土面板堆石坝最大坝高155,m，水库正常蓄水位1,618,m，死水位1,602,m，与正常蓄水位相应的库容为7.27×108,m3．溢洪道布置于右岸，为枢纽的主要泄洪建筑物，出口采用底流消能．溢洪道最大泄量15,500,m3/s，最大泄洪落差近100,m，陡槽宽73.5,m，高水头、大泄量带来的消力池表面抗冲磨和结构流激振动稳定问题突出．

跌坎消力池试验体型如图1所示，模型长度比尺Lr=50．体型1为传统消力池，体型2～4为跌坎消力池．体型2跌坎处桩号为0+360.0,m，高程为1,505.6,m；体型3跌坎处桩号为0+360.0,m，高程为1,503.1,m；体型4跌坎处桩号为0+407.3,m，高程为1,495.7,m．沿着消力池底板中心线布置固定式毕托管来测量临底流速．

图1 消力池试验体型(单位：m)Fig.1 Testing configuration of the stilling basin (unit：m)

图2 k=0.06时临底流速沿程分布Fig.2 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.06

图3 k=0.07时临底流速沿程分布Fig.3 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.07

图4 k=0.09时临底流速沿程分布Fig.4 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.09

2 消力池临底流速分布规律

引进反映流量与水头综合作用的无量纲参数流能比k=q/(g0.5h1.5)，其中q为单宽流量，h为上下游水位差；用a/p表征不同的跌坎体型，其中a为跌坎高度(跌坎到消力池底板的高度)，p为坝高(溢流坝顶到消力池底板的高度)，a/p=0表征传统消力池体型1，a/p=0.22、a/p=0.20以及a/p=0.13分别用来表征跌坎型消力池体型2、3和4．将测点位置x(测点与消力池首端的距离)与消力池长度l的比值x/l作为测点的相对位置，以模型实测消力池中线临底流速v与跃首流速v0的比值v/v0作为测点的相对临底流速．以x/l为横坐标、v/v0为纵坐标，将多组试验数据绘于图上，图2～图4所示为不同体型消力池在各水力条件下消力池的相对临底流速沿程分布.

由图2～图4可以看出：在各水力条件下，传统消力池与跌坎消力池底板中线临底流速的分布规律有所不同．传统消力池底板中线临底流速都是从射流冲击点突然增大到最大值后逐渐衰减，临底流速分布为升峰型；而跌坎消力池底板中线临底流速都在射流冲击点上游为反向流速，射流冲击点下游为顺水流方向流速，且顺水流方向流速先快速增大到最大值后逐渐衰减，临底流速分布为谷峰型．

在冲击点下游，传统消力池的升峰型相对临底流速降低率大于跌坎消力池的谷峰型相对临底流速降低率．在相同水力条件下，传统消力池最大临底流速是跃首流速的84%～87%，发生在消力池底板相对位置x/l=0.13处；跌坎消力池(a/p=0.22)最大临底流速是跃首流速的42%～51%，发生在底板相对位置x/l=0.42～0.51处．跌坎消力池(a/p=0.22)底板相对最大临底流速相较于传统消力池降低了40%～50%，这是由消力池呈现的流态所决定的．图5和图6所示分别为模型实测得到的传统消力池与跌坎消力池流态．利用水跃进行消能是传统消力池与跌坎消力池的共同特点；传统消力池的流态为附壁射流和水跃的混合流，消力池首端流态比较平稳，高速主流贴壁射出，临底最大流速比较大；跌坎消力池的流态[6]为淹没冲击射流和水跃的混合流态，高速主流没有完全潜底，消力池首端表面有射流扩散、水面波动较大，但是临底最大流速较传统消力池有大幅降低．

图5 传统消力池流态Fig.5 Flow pattern of the routine stilling basin

图6 跌坎消力池流态Fig.6 Flow pattern of the stilling basin with drop sill

3 跌坎高度对最大临底流速的影响

将模型实测的体型1～3在流能比0.06k=、0.07、0.09水力条件下的消力池最大临底流速vmax用跃首流速v0无量纲化，得到相对最大临底流速vmax/v0．以不同体型的跌坎相对高度/ap为横坐标、最大相对临底流速vmax/v0为纵坐标，将最大临底流速与跌坎高度的关系数据绘于图中，如图7所示．在相同水力条件下，随着/ap的增大，底板中线最大临底流速都是递减的，即在混合流流态情况下，随着跌坎高度的增大消力池底板中线最大临底流速相应降低[7-9]．这是由于相同水力条件下，主流射程和射流冲击区前面的底流反向旋滚区都随着跌坎高度的增大而增大，使得主流与周围流体的摩擦、剪切作用更加充分，加大了能量的消耗，从而大幅度地减小了主流到达消力池底板的流速；另一方面，消力池里的动水垫深度随着跌坎高度的增大而增大，从而增大了射流到达底板过程中的能量耗散[10-11]，最终导致消力池临底流速的减小．

图7 跌坎高度与最大临底流速Fig.7 Drop sill height and the maximum underflow velocity

将不同水力条件下的消力池底板相对最大临底流速与相对跌坎高度进行拟合，得k=0.09时，

k=0.07时，

k=0.06时，

4 入池能量对最大临底流速的影响

在不同来流条件下，模型实测的体型1～3的消力池中线底板相对最大临底流速与入池能量的数据关系如图8所示，此处用流能比k表征入池能量的大小．

图8 入池能量与最大临底流速Fig.8 Inlet energy and the maximum underflow velocity

消力池底板中线最大临底流速随着流能比的增加而增加，并且跌坎消力池相对最大临底流速较传统消力池增长较快．原因是随着流能比的增加，入池射流水舌厚度以及冲击区域都有所增大．根据郭子中[12]的底混流理论，射流在水跃流中坠底流动，无初始变形，因此随着入池能量的增大，射流能量增大，到达底板的临底最大流速也相应增大．

将不同跌坎型式的消力池底板相对最大临底流速与流能比进行拟合，得/0ap=时，

a/p=0.22时，

a/p=0.20时，

5 入池角与消力池最大临底流速

图9为体型4(a/p=0.13)跌坎消力池入池角改变示意，入池角度是指跌坎上水流方向与水平方向的夹角，文中给出了3个不同的入池角，分别为0°、5°和10°．

图9 跌坎消力池入池角改变示意Fig.9 Inlet angel change of stilling basin with drop sill

不同水力条件下，不同入池角的跌坎消力池底板中线最大临底流速如图10所示．在跌坎位置和高度不变且流态为淹没冲击射流和水跃混合流时，跌坎消力池中线最大临底流速随着入池角的增大而增大．这是因为水流的入池角影响着主流射程，随着入池角的增大，主流射程减小，淹没射流冲击点位置更靠近跌坎，反向旋滚区减小，从而减小了主流与周围流体的剪切、摩擦面积，使得主流沿程能量消耗降低，最终使得到达消力池底板时的流速增大．

图10 入池角与最大临底流速Fig.10 Inlet angel and the maximum underflow velocity

6 结 论

(1) 根据模型实测的消力池临底流速分布可以看出：传统消力池临底流速为升峰型分布模式，跌坎消力池临底流速为谷峰型分布模式；跌坎消力池的临底流速较传统消力池有大幅降低．

(2) 根据模型实测的不同坎高的消力池临底流速分布可以发现：跌坎高度是影响消力池临底流速的重要因素．在其他条件一定时，消力池临底最大流速随着跌坎高度增加而减小．拟合出的公式vmax/v0= -1.58a/p +0.87(k=0.09)，vmax/v0=-1.68a/p+0.85(k= 0.07)，vmax/v0=-1.84a/p+0.84(k=0.06)可以作为跌坎高度变化时估算消力池最大临底流速的计算公式.

(3) 根据模型实测的不同入池能量的消力池临底流速分布可以看出：射流能量随着入池能量的增大而增大，到达底板的最大临底流速也相应增大．拟合出的公式vmax/v0=2.9k+0.25(a/p=0.22)和vmax/v0= 2.5k+0.35(a/p=0.20)可以作为入池能量变化时估算跌坎消力池最大临底流速的计算公式．

(4) 根据模型实测的不同入池角的消力池临底流速分布可以看出：在跌坎位置和高度不变且流态为淹没冲击射流和水跃混合流时，跌坎消力池中线最大临底流速随着入池角的增大而增大．

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Testing Study on Underflow Velocity of Stilling Basin with Drop Sill

Yang Min，Li Huiping，Li Shuning，Dong Tiansong
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on the model test results，the distribution characteristic of underflow velocity and the maximum underflow velocity were compared between the stilling basin with drop sill and the routine stilling basin. The analysis results show that the underflow velocity distribution pattern in the stilling basin with drop sill belongs to valley-peak model. The influence of drop sill height，inlet energy and inlet angel on the maximum underflow velocity was investigated. Under other given conditions，the maximum underflow velocity in the stilling basin with drop sill increases with the increase of such indexes as drop sill height，inlet energy and inlet angel. The maximum underflow velocity formula was obtained as drop sill height or inlet energy changed. The results can provide a reference and guidancefor designing the stilling basin with drop sill.

hydraulics；stilling basin with drop sill；model test；underflow velocity；flow pattern

TV131

A

0493-2137(2013)04-0342-05

DOI 10.11784/tdxb20130409

2012-12-03；

2012-12-28．

国家自然科学基金资助项目(51179119)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；水利部公益性行业科研专项基金资助项目(200901081)．

杨 敏（1956— ），男，博士，教授，minyang2000@163.com．

李会平，lhptju@126.com．