KYD水库底孔泄洪洞平底渐扩式消力池优化试验

李琳，王梦婷，白兆亮，谭义海

（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

KYD水库底孔泄洪洞平底渐扩式消力池优化试验

李琳，王梦婷，白兆亮，谭义海

（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

通过新疆青河县KYD水库底孔泄洪洞平底渐扩式消力池设计方案的试验，发现消力池池深、池长、边墙高远不能满足安全泄流要求。优化方案试验结果表明，对于渐扩角1.37°的渐扩式消力池按等宽度矩形消力池估算时池长基本满足要求，但是池深估算误差较大。联立溢洪道设计规范中的渐扩式消力池共轭水深计算公式和渐扩式消力池池深经验公式可较准确地计算池深。为了减小跃后水流剧烈脉动，降低跃后水深，采用了悬栅式消能工。试验结果表明，水跃淹没度增大，悬栅起到了破碎栅条上部水跃剧烈回旋运动引起的表面漩滚，消力池内水深降低，最大水深减小1.0 m，陡坡段和消力内水流脉动明显减弱，浪花溅起高度明显小于加悬栅前。

底孔泄洪洞；悬栅式消能工；平底渐扩式消力池

底流式消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能的目的。底流消能的消能池型式主要包括降低护坦高程的挖深式消力池和在护坦末端修建消能坎来壅高水位形成的坎式消力池。在实际工程中，由于溢洪洞或泄洪洞出口一般较窄，下游河床一般较宽，为了使溢洪洞出口的水流与宽阔的下游河槽平顺衔接，工程中也常采用渐扩式挖深消力池和渐扩式坎式消力池。但对于渐扩式消力池，无论是水跃参数还是消力池深度的研究，都不如矩形消力池研究的深入和透彻，不同经验公式的计算结果区别较大［1-5］，因此关于渐扩式消力池池深和池长的确定往往要通过水力模型试验来确定。

新疆青河县某水库工程泄洪（放空）洞布置在左岸溢洪洞右侧，进口高程1 462.00 m，上游段为压力圆洞，洞长28.22 m，洞径2.75 m；闸后为无压城门洞，洞长220 m，断面尺寸为2.75 m×4.2 m，全断面混凝土衬砌，出口消能采用渐扩挖深式消力池，消力池进口底宽为3.52 m渐扩至5 m，即消力池底板为等腰梯形，渐扩角为1.371°。消力池底板高程为1 449.4 m，池深1.0 m，陡坡段底坡为1：4，池长30 m，池边墙高3 m。泄洪洞最大泄流量69 m3/s，最大流速为21.47 m/s。设计洪水时采用表孔溢洪洞泄洪，底孔泄洪洞不参与泄洪，即泄流量为0，校核洪水时溢洪洞与泄洪洞联合泄洪，校核洪水位为1 494.21 m。由于底孔泄洪洞水头较大，流速较高，泄洪洞进口及洞身下游消力池的水流流态和消能效果如何需要通过水力学模型试验对设计方案进行验证，并根据试验结果提出可行的优化方案，为设计提供科学的参考资料。

1 模型设计及试验工况

模型采用正态模型，按重力相似准则设计，即几何相似，水流运动相似以及重力相似。根据试验场地及供水条件，模型几何比尺确定为1：30。其他比尺如表1所示。

模型模拟长度为670 m，其中坝上游库区段80 m，坝下游段590 m。模型由上游水库供水，上游水库设有消浪前池和稳水栅，以确保上游水库进入模型的水流平稳。下游渠道水位通过尾水闸板的开度来控制。模型流量量测系统由上游量水堰（水库首部）和下游量水堰组成，入库流量由上游量水堰量测，泄洪洞和溢洪洞过流量由下游量水堰量测泄洪洞引渠段、控制段、陡槽段、消能段均采用有机玻璃制作，并具有拆卸功能，便于观察水流流态，能够满足修改模型和优化设计的要求。有机玻璃的糙率为0.008～0.009，换算成原型为0.014～0.016，与混凝土糙率十分接近，可以满足相似要求。上、下游水位由水位测针量测。各典型断面的水流流速由毕托管进行量测，压强由测压管测读。根据设计说明可知，底孔泄洪洞仅在校核洪水时与溢洪洞联合泄洪，校核洪水位为1 494.21 m，设计泄流量为317 m3/s，其中泄洪洞设计泄流量为69 m3/s，溢洪洞设计泄流量为248 m3/s。因此，本试验工况见表2。

表1 模型比尺Tab.1 Model scale

表2 模型试验工况Tab.2 Model test conditions

2 消能工方案优化

2.1 原设计方案试验

原设计方案消力池布置见图1。试验表明，泄洪洞泄流量小于30 m3/s时，池内形成波状水跃，由于没有漩滚，消能率很低，并且部分动能转变为波动能量，经较长距离后才能衰减；当泄流量大于30 m3/s小于50 m3/s时，消力池内形成远离式水跃，水跃跃出池外，池长、池深均明显不足；当泄流量大于50 m3/s时，消力池内无水跃形成，池内呈现急流直冲消力池尾槛，撞击尾槛后形成远超出边墙高的涌浪（图2）。试验表明，设计方案泄洪洞消力池池深1 m、池长30 m、边墙高3 m远不能满足安全泄流要求，应对原设计方案进行修改。

2.2 修改方案试验

2.2.1修改方案一

由于底孔泄洪洞消力池为渐扩挖深式消力池，消力池底宽由3.52 m渐扩至5 m，消力池边墙渐扩角仅为1.37°，且由于规范中未给出渐扩式消力池池深和池长的计算公式，修改试验前先根据《水力计算》手册按照矩形消力池池深、池长计算公式对该消力池进行估算，估算池深为3 m，池长约为48 m。由于池深加深，池底板高程降低，陡坡段坡度由原来的1：4改为1：3，边墙高度增加至9 m。试验发现，消力池池深、池长加大后，池内流态有了改善，消力池内形成了远离式水跃，水跃跃前断面位置位于2/3池长处（即桩号0+279.20处），池内水流脉动剧烈，水跃区水流翻腾跳跃，浪花四溅，流态恶劣（图3）。在消力池出口至下游海漫段产生周期性的涌浪，涌浪高度超过扭面段边墙高度。试验结果表明池长48 m满足要求，但是池深仍然不足。

2.2.2修改方案二

图1 原设计方案消力池布置图Fig.1 Arrangement plan of stilling basin of original design

图2 原设计方案小于校核洪水时泄洪洞消力池流态Fig.2 Flow pattern in stilling basin of discharge tunnel when water level is less than check flood level

修改方案一的试验结果表明，渐扩式消力池池长按照矩形消力池来估算，误差较小，而池深估算值与实测值偏差较大。主要原因是渐扩式消力池由于边墙沿程逐渐扩散，使得在同一流量下的跃后水深小于矩形断面消力池的水深，即池内的实际水深值小于计算值，因此，按照矩形消力池估算消力池在某一深度下应形成稍有淹没式水跃时，而实际池内可能会发生远离式水跃。因此，按照溢洪道设计规范给出的计算共轭水深公式（1）和文献［1］给出的渐扩式消力池深度公式（2）估算消力池池深。

式中：h2为第二共轭水深；h1为跃前水深；Fr1为跃前断面佛汝德数；b1为消力池进口宽度；b2为消力池末端的宽度；d为消力池池深；σj为淹没系数，一般取1.05～1.1；Q为流量；ϕ为流速系数；E0为以下游河床算起的上游总水头；ht为下游水深。将Q=69 m3/s，b1=3.52 m，b2=5.0 m，ht=2.12 m，h1= 0.91 m代入式（1）、式（2）中，计算消力池深度为4.2 m。

为了减少工程造价，避免消力池进一步挖深，根据计算池深4.2 m，保持修改方案一池深3 m不变，在消力池尾槛顶上增加一梯形消能坎，坎高1.2 m，顶宽1 m，底宽2 m，边坡为1：1，其他尺寸与修改方案一相同。试验发现消力池内形成了稍有淹没式水跃，流态大为改善（图4）。试验结果表明，为了减小池深，通过增加具有一定高度的消能坎，池深与坎高之和与式（1）和式（2）联立求解得渐扩式消力池池深相等，试验结果与计算结果一致。但是由于跃后水深的增加，加上水跃波动剧烈，溅起浪花有漫出边墙的现象，最大掺气水深为9.75 m，边墙高度9 m不能满足要求，需加高边墙。为了适当降低池内水深，减小池内剧烈脉动，对修改方案二进一步修改见2.2.3节。

图3 修改方案一校核洪水时泄洪洞消力池内流态Fig.3 Modification program 1-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

2.2.3修改方案三实验

消力池内加设消力墩，在达到同样消能率时，可缩短池长，降低消力池跃后水深，降低边墙高度。但是《水力计算手册》中已明确规定，在池内加设消力墩时，入池流速应小于16 m/s。本试验中消力池入池流速超过20 m/s，不能选择常用的消力墩等辅助消能工。区别于传统消能工，悬栅式消能工［6-8］不受消力池入池流速的制约。在修改方案二的基础上，通过多组次、不同栅高和不同栅距的悬栅消力池泄流试验，优选出了栅条最佳布置方式。

试验过程中发现按照以往的悬栅布设方式［6-8］，陡坡段和消力池段水流剧烈脉动现象无法改善，而且悬栅沿水流方向长度小于悬栅高度时，不但不能降低水深，反而由于栅条厚度过大，增加了阻水作用，而使水深增大。因此，经过优化试验，将悬栅的起始端设置于陡坡段桩号0+249.32，距消力池始端（0+257.12 m）7.8 m位置处，陡坡段共布置5根栅条，采用了前3根由高到低后2两根由低到高的布置形式；消力池内共布置16根栅条，栅条顶高程相同。悬栅宽度与池宽相同，断面形状为矩形，从上游至下游1～5号悬栅横断面尺寸为0.90 m×0.21 m，6～21号悬栅横断面尺寸为0.75 m×0.21 m（图5）。

图4 修改方案二校核洪水时泄洪洞消力池内流态Fig.4 Modification program 2-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

修改方案三流态见图6。加悬栅前后泄洪洞明流段水面线对比见图7。试验发现，加设悬栅后，水跃淹没度增大，消力池入口栅条上部产生乳白色漩滚，偶尔有水花溅出边墙，进入消力池后，池内水流波动与修改方案二相比明显减弱，溅出的水花明显少于加悬栅前，水流紊动明显减弱，消力池段最大水深由加悬栅前的9.75 m降低至8.55 m，均小于设计边墙高度9.9 m，消力池消能率为60.4%。试验结果表明，泄洪洞消力池内加设悬栅后，优化后的消力池中水面较原方案平稳，说明悬栅起到了平稳池中水流翻滚的作用。传统的悬栅布置方式为栅条高程相同，悬栅沿水流方向长度小于悬栅高度。本方案中采用了悬栅水流方向长度大于悬栅高度的布置形式，且位于陡坡段的前3根栅条高程逐渐降低，与陡坡坡度一致，使栅条安装位置高于主流水深，避免了主流和水跃回流漩滚区直冲栅条而引起陡坡段水深剧增。同时，消力池内增加悬栅后，水流阻力增大，跃后水深增加，池内形成淹没式水跃。陡坡段第4根栅条至消力池内最后一根栅条由低到高的布置方式，使水跃上部回水流动阻力增大，漩滚区回流流量减小，跃后水深降低，使水跃跃前断面向下游移动，形成了淹没度较小的淹没水跃。在栅条壁面摩阻力和水流冲击栅条时产生的反作用力的作用下，水跃掺气浓度增加，且掺气水流在消力池始端形成了中等尺度的环流和漩涡，使水流沿悬栅底部和顶部急剧扩散与收缩，摩擦混掺作用非常强烈，消耗大量机械能。另外，流速量测结果也表明向上运动的水流速度矢量所占池宽明显大于传统消力池内所占池宽，使得主流流速减小，跃后水深小于传统的消力池跃后水深。

图5 修改方案三泄洪洞消力池布置图Fig.5 Modification program 3-arrangement plan of stilling basin of discharge tunnel

3 结语

原设计方案试验结果表明，KYD水库底孔泄洪洞下游渐扩式消力池陡坡段边墙高、池深、池长、消力池边墙高度均不能满足设计泄洪要求。优化方案试验结果表明，虽然消力池边墙渐扩角很小，但是将渐扩式消力池按矩形消力池进行池深的估算误差较大，池长基本满足要求。池深计算可按照溢洪道设计规范给出的共轭水深计算公式（1）和文献［1］中给出的公式（2）进行计算，计算结果与试验结果一致。为了减小水跃跃后的水流剧烈脉动，降低跃后水深，本文采用了不同于传统悬栅栅条布置方式的（即栅条安装高度同高或者逐渐抬高的阶梯式）新的形式，即在陡坡段采用了前3根栅条顶高程由高到低后2两根由低到高，消力池内栅条顶高程相等。栅条横截面的长宽比也不同于传统形式，采用了悬栅水流方向长度大于悬栅高度的布置形式。试验结果表明，采用了悬栅消能工，消力池内水深降低，最大水深减小1.0 m，使陡坡段和消力池内水流脉动明显减弱，浪花溅起高度明显小于加悬栅前。但是增加悬栅后消力池消能率略有降低，但是消能率满足下游消能要求。此类布置方式可为其他同类工程提供参考。

图6 修改方案三泄洪洞消力池校核洪水时流态Fig.6 Modification program 3-flow pattern in stilling basin of discharge tunnel under the check flood level

图7 修改方案二和修改方案三消力池水面线对比图Fig.7 Comparison of water surface profile between modification program 2 and program 3

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Optimization tests on gradually expanding flat⁃bottom stilling basin of deep flood discharge tunnel of KYD Reservoir

LI Lin，WANG Meng⁃ting，BAI Zhao⁃liang,TAN Yi⁃hai
（College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052，China）

Through the test of design scheme for the gradually expanding flat⁃bottom stilling basin deep flood discharge tunnel of KYD Reservoir in Green River county in Xinjiang,it is found that length,depth and sidewall height can not meet the security requirements.The design scheme shows that∶the length of stilling basin basically meets the requirements of the stilling basin with the divergent angle of 1.37°,when estimates according to stilling ba⁃sin which is equal width and rectangle,but estimated error is large.The formula of conjugate depth of gradually ex⁃panding stilling basin was combined with the empirical formula of width of gradually expanding stilling basin to cal⁃culate the width directly.Suspended grid energy dissipater was used to decrease intense pulsating water and se⁃quent depth.The results show that the surface eddies which caused by upper water jump intense cyclotron motion are broken with the increase of submergence degree.What is more,the maximum depth in stilling basin decreases by 1 m.Flow pulsation reduces significantly,and the height of waves splashing is significantly less than before.

deep flood discharge tunnel;suspended grid energy dissipater;gradually expanding flat⁃bottom stilling basin

TV 651.1；TV 653

A

1005-8443（2015）02-0140-05

2014-12-10；

2015-01-06

新疆水利水电工程重点学科基金（xjzdxk-2002-10-05）

李琳（1979-），女，山东省青岛人，副教授，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。

Biography：LI Lin（1979⁃），female，associate professor.