宽坦式急流河道闸坝工程消力池模型试验研究

胡俊, 刁明军

(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)

宽坦式急流河道闸坝工程消力池模型试验研究

胡俊, 刁明军

(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)

通过对具有代表性的某宽坦式急流河道闸坝工程进行水工模型试验, 根据闸后水流特点, 总结了该类工程消力池设计需要注意的重点. 试验研究表明: 为了确保推移质能够顺利地通过消力池随水流带往下游, 尽量减少池内淤积,同时消力池出池水面与池后下游河道水面较好的衔接, 宽坦式急流河道闸坝工程闸后消力池内水流消能不能太充分,消力池深度和长度不能太深和太长, 使出池水流具有一定的能量, 有利于排沙和与下游河道水面的自然衔接. 试验成果可为具有相同工程特点的消力池优化提供借鉴.

宽坦式; 急流河道; 闸坝工程; 消力池; 模型试验

1 引言

消力池是一种常见的消能设施, 它能使下泄水流的能量在池中得到集中消刹, 一般可将下泄水流的动能消除40%～70%, 并可缩短护坦长度, 是一种有效而经济的消能设施[1]. 由于其具有流态稳定, 消能效果较好,对地质条件和尾水变幅适应性强, 尾水波动小, 维修费用省等优点而广泛用于高、中、低水头, 大、中、小流量各类泄水建筑物中. 近年来, 部分学者从消能的角度对各类消力池深度的设计展开过研究, 如刘沛清等分析了自由水跃和强迫水跃的主要特征, 并给出有关的经验公式, 阐述了消力池及辅助消能工的作用及设计方法[2]; 张志昌等研究了综合式消力池深度的简化计算方法以取代试算法[3];张志军等为了寻求计算消力池深度的简单方法, 从底流的消能负荷出发, 导出了计算消力池深度的理论公式, 并将其拟合成计算简便的实用公式[4]. 也有学者对消力池的冲磨破坏问题展开过研究, 如张闻辉等研究了跌坎型底流消力池混凝土底板破坏机理[5]. 但是, 目前同时就消能效果和推移质造成的冲磨破坏两方面影响对消力池的深度展开的研究却鲜有报道.

本文所研究的拦河闸工程所处河道具有两个特点: 一是宽坦, 河道比降大, 使得水流流速较大, 工程枢纽段水流属于急流; 二是河道底部含有的粗颗粒推移质较多, 并且随着水流缓慢向下游移动. 消力池属于底流消能型式, 一般来说, 对于底流消能而言, 如果确定了来流单宽流量q 和上、下游水位差△E, 那么消力池所需消除的总能量( 即消能负荷) 就会唯一确定; 同时相应于该消能负荷的消力池深度也会唯一确定[6]. 但对于本工程而言, 其消力池深度的确定不仅要满足消能要求, 同时要能排放推移质, 以防造成对消力池的冲磨破坏. 过去的研究成果主要针对消能效果来研究消力池深度的确定, 这些研究成果不完全适用于推移质较多的河道[7]. 并且, 无论是理论分析还是数值模拟都很难判断出在一定流量下推移质是否能顺利排出消力池. 因此对本工程采用模型试验进行研究是有必要的[8].

2 模型试验

该拦河闸工程由闸前铺盖、闸室、闸后斜坡段、消力池以及池后海漫组成, 水闸底板高程为1330.00m, 正常蓄水位1331.00m, 拦河闸工程确定为Ⅲ等工程, 洪水标准取为20年一遇设计, 流量为2310m3/s. 闸下消能防冲设计洪水重现期取为20年. 拦河闸布臵了10孔平板钢闸门, 孔口尺寸均为12×5m(宽×高), 闸底板高程为1326.00m. 试验方案分为两种: 方案一消力池深度为1m; 方案二消力池深度为2m, 此两种方案下消力池其它尺寸均一样.

根据试验内容和要求, 结合该工程实际情况, 模型采用正态模型, 按重力相似准则设计, 几何比尺为1:50.流量采用无侧收缩矩形薄壁量堰进行量测, 模拟范围为坝轴线上游约850m, 下游坝轴线以下约1150m范围. 试验工况采用设计流量及50年一遇流量, 设计流量为2310m3/s, 50年一遇流量为3100m3/s. 消力池桩号范围为0m～45m.

图1 水工模型试验平面布置图Fig.1 Floor plan of hydraulic model test

图2 方案一消力池结构简图Fig.2 Instruction diagram of thestilling pool when adopt the first scenario

图3 方案二消力池结构图Fig.3 Instruction diagram of the stilling pool when adopt the second scenario

3 模型试验成果分析

3.1 水流流态对比分析

图4和图5展示的是设计流量下方案一和方案二从水流进入水闸, 经过斜坡段进入消力池, 直到在消力池消能后离开消力池进入海漫, 最后汇入下游河道的全过程的水流流态. 图4反映了方案一水流从进入水闸后再经过斜坡段水面跌落后在消力池内能形成较完整的淹没式水跃, 跃前和跃后水深深度差别明显, 主流在底部通过剧烈的紊动剪切作用消减能量. 图5反映的是方案二设计流量下消力池的水流流态, 从图中可以看出, 方案二时消力池内没有发生明显的水跃现象, 水流没有在消力池底部发现明显的紊动. 图6和图7展示的是50年一遇流量下两个方案的水流流态, 流态整体与设计流量时相似. 从图4和图5、图6和图7的对比当中可以发现, 在同一流量下, 方案一和方案二的水流流态有较大差异. 正常情况下, 水流在消力池内的消能过程会伴随有水跃的发生, 一般水流从水闸出来进入消力池后水面先降低至某一收缩断面, 然后发生水跃再下游自然衔接[9], 情况如方案一. 但是方案二的水流流态出现了变异, 水流从水闸出来进入消力池以后, 水面下降幅度很小, 接着并没有出现水跃反而水面逐渐上升甚至一度逼近上游水位, 出消力池以后才在海漫处出现跌落与下游衔接.

图4 方案一设计流量下消力池水流流态Fig.4 Flow pattern of the stilling pool at the designing discharge when adopt the first scenario

图5 方案二设计流量下消力池水流流态Fig.5Flow pattern of the stilling pool at thede- signing discharge when adopt the second scenario

图6 方案一50年一遇消力池水流流态Fig.6Flow pattern of the stilling pool at the 50-yearflood when adopt the first scenario

图7 方案二50年一遇消力池水流流态Fig.7Flow pattern of the stilling pool at the 50-yearflood when adopt the second scenario

3.2 水面线对比分析

图8展示的是实测得到的设计流量下方案一和方案二水流从进入闸室到离开海漫的水面线变化情况. 从图8可以看出, 方案一时, 水流从进入闸室开始由于侧收缩水面呈下降趋势, 到达消力池后发生水跃, 跃后水深与下游水深基本持平, 水流出消力池时无明显跌落现象. 方案二时, 水流通过水闸后, 由于断面侧收缩水面有所下降, 但是在经过斜坡段后, 水面不降反增, 消力池内水深明显壅高甚至超过闸前水深, 且出池后水流出现二次跌落. 这种现象的产生是由于消力池消能过于充分, 导致消力池内临底流速过小, 在流量一定的情况下, 水深必然增大. 但是下游水深较浅, 使得出池后的较大水深在与下游较小水深衔接时出现了二次跌落, 即水面下降, 流速增大. 此时, 较小的临底流速容易造成泥沙的淤积和残存推移质的冲磨破坏, 二次跌落后出现的较大池后流速将加大对下游河道的冲刷. 另外, 对于方案二的情况, 由于消力池内水深出现壅高, 若实际工程采用此种方案,消力池边墙应该适当加高[10].

图8 两种方案设计流量下水面线Fig.8 Water surface profiles at designing discharge of the two scenarios

3.3 断面平均流速对比分析

表1为实测得到的两个工况下两种方案的断面平均流速比较, 数据显示: 在进入消力池以前, 方案一和方案二水流流速没有明显差别, 进入消力池以后, 两种方案下的消力池池内水流流速都在逐渐减小, 一直到接近消力池坎时两者流速均达到最小. 比较两个方案同一断面处水流平均流速可以看出: 方案一时, 水流流速减小的速度和趋势较为缓慢, 消力池中部的水流流速仍维持在较大水平. 方案二时, 水流流速减小的速度和趋势较为迅速, 消力池中部的水流流速相比池前降幅较大. 造成这种情况的原因可以用连续性方程来解释, 方案二情况下由于消力池加深以后, 消力池中部的水面出现雍高, 即过流断面超过方案一情况下的过流断面, 在通过流量相同的情况下水流流速必然减小.

表1 两工况下两种方案断面平均流速(m/s)Tab.1 Meanvelocity at cross-section of two working conditions when adopt the two scenarios

3.4 消能率对比分析

从表2可以看出, 两个工况下, 方案二的消能率均高于方案一. 原因在于, 消力池较浅时, 主流没有完全在消力池进行充分的消能, 有相当一部分直接冲往下游, 造成消能的不充分. 消力池较深时, 主流在消力池底部进行了充分的混掺和剪切作用, 使得能量得到较大程度的消减.

表2 两工况下两种方案消力池消能率对比Tab.2 Comparison with the ratio of dissipation in stilling pool of two working conditions when adopt the two scenarios

3.5 冲磨破坏作用对比分析

通过比较两个工况下的流速分布以及放水两小时后消力池内残留的推移质数量, 得出: 方案一时, 由于流速较大, 大部分推移质随着水流排往下游, 最终在消力池内几乎没有残留的推移质; 方案二时, 由于流速较小,导致了较多推移质残留在消力池内. 方案二中残留的推移质将随着水流的剪切、翻滚对消力池底板和边墙产生冲磨破坏. 有学者曾经做过实验, 研究水工泄水建筑物抗冲磨混凝土在含推移质水流作用下的使用寿命, 发现混凝土磨损率随着磨损介质颗粒粒径的提高而明显增加,且当磨损介质粒径越大时,磨损率增加的幅度也越大[11].对于同类型河道坡降大, 且含有较多颗粒粒径较大的推移质的工程对于消力池造成的冲磨破坏将远远超过只含有小颗粒推移质泥沙或者悬移质的工程. 同时值得重视的是, 这种破坏是长期存在的, 实际工程中, 经过一定的时间以后, 将可能造成消力池难以继续使用.

4 结语

消力池作为一种传统消能工, 通常在设计时较多的是考虑其消能效果. 但是, 对于诸如本工程一样河流比降较大, 且含有较多推移质的闸坝工程, 在开展消力池的设计时除了考虑消能效果外还应该重视推移质及泥沙的输送问题及出池水面与下游河道水面自然衔接问题, 避免出池水流水面出现明显的二次跌落, 从而避免对下游河道造成较大的冲刷[12]. 对于河流比降较大, 河道中含推移质较多的同类型工程来说, 在仅考虑消减水流能量则应在设计时将消力池深度和长度应该适当加大; 反之, 仅考虑顺利排出推移质以及避免下游河道淤积则应在设计时将消力池深度和长度适当减小, 使出池水流具有一定的能量, 有利于排沙和与下游河道水面的自然衔接, 避免消力池后下游河道出现较大的冲刷.

[1]吴持恭, 著. 水力学[M] .北京:高等教育出版社, 1998.

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Experimental study on the stilling pool for dams engineering in the wide and flat rapid flow river

HU Jun, DIAO Ming-jun
(State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

Experiments were conducted on the representative dams engineering on the wide and flat rapid flow river. According to the flow characteristics after the sluice gat, the principle of stilling basin for the engineering design was summarized. Experimental research showed that in order to ensure that bed load can be carried smoothly through the stilling basin with flow to downstream, reducing aggregation of the pool and good connection of the water surface after going out of the stilling basin with that of the downstream, the stilling basin for dams engineering on the wide and flat rapid flow river shouldn’t have excellent energy dissipation effect. The depth and length of the stilling basin can't be too deep and too long, so that the flow energy could be kept at a certain level in favor of sediment flushing and natural cohesion with the downstream. Test results can provide reference for stilling basin optimization with the same engineering characteristics.

wide and flat type; rapid flow river; dam engineering; stilling pool; model test

TV653

A

1003-4271(2014)05-0781-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.05.28

2014-08-07

胡俊(1990-), 男, 湖南浏阳人, 硕士研究生, 研究方向: 水工水力学. Email: 1025309886@qq.com

刁明军(1968-), 男, 四川简阳人, 教授, 博士, 博士生导师; 研究方向: 工程水力学; Email: diaomingjun@scu.edu.com.