消力池尾坎坡度对水跃及排砂效果影响的试验研究

张春妮，田　忠，王　韦

(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610050)



消力池尾坎坡度对水跃及排砂效果影响的试验研究

张春妮，田忠，王韦

(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610050)

摘要：水电工程中常通过在消力池中形成水跃来消能，水跃的类型、发生的位置对于消能率和消力池长度等有重要影响。通过模型试验研究了4种不同消力池尾坎坡度(i=∞、1∶2、1∶4、1∶10)下的跃首位置、水深和流速，分析了消力池尾坎的坡度对水跃位置以及消能率的影响，并对4个体型的排砂效果进行了观察比较。试验结果表明：消力池尾坎坡度越大，水跃位置越趋向上游，消力池所需长度越短，消能率越大，但排砂效果越差；在尾坎坡度为i=1∶2时，能较好的兼顾消能效率和排砂效果。

关键词：消力池；尾坎坡度；水跃位置；消能效率；排砂效果

0引言

消能坎式消力池[1]是底流消能的形式之一，该型消力池既能消减高速水流的能量，也能缩短消力池长度，节省工程造价。目前，消能坎式消力池尾坎的常用体型是上游面为直立面的直角梯形体，韩守都、刘沛清等[2- 6]对尾坎的高度和位置、水跃的跃长和位置以及消能率等进行了研究；王均星等[7- 8]研究了消力池内辅助消能工对水跃消能效率的影响，提出消力池尾坎可缩减消力池长度、提高消能效率；张志昌等[9- 10]分析了消力坎式消力池淹没系数、坎高的简化计算方法和水跃长度的理论计算方法；罗嗣荃[11]用迭代法计算了平底宽矩形断面水跃位置，简化了常规的图解法。

对于山区河流水电工程，上游面为直立面的消力池不利于排砂，而将尾坎上游面做成斜面将降低消能效率。为了获得排砂效果较好，同时兼顾消能效率，本文结合某水电工程，在1∶50的水力学模型上进行了试验研究，将消力池的尾坎坡度分别设为i=∞(上游面为直立面)、1∶2、1∶4、1∶10。

1理论分析

1.1跃首位置的分析

由于消力池的尾坎对水跃段水体产生反击力，应用动量方程推导有尾坎时的水跃方程[1]为

(1)

或

(2)

(3)

或

(4)

式中，θ为消力池尾坎的上游斜面与水平面的夹角。

1.2水跃消能率的分析

水跃消能系数Kj为

Kj=E/E1

(5)

2试验方法

试验装置由有机玻璃制作，几何比尺为1∶50。模拟范围包括上游水库、引水电站、泄洪冲沙闸、混凝土消力池、框格梁及其下游河道。图1和图2分别为试验装置图和消力池及4个体型的纵剖面图，取边孔冲沙闸为研究对象，消力池的模型长78 cm，宽26 cm，斜坡段坡度为1∶5，弧形闸门最大开度为24 cm，各工况中开度分别取e=1/4、1/3、1/2、3/4。流量测量采用矩形薄壁堰(测量精度0.1 L/s)，量堰宽99.5 cm；流场测量采用LGY-II型智能流速仪(精度1.0 cm/s)；水深和水跃位置测量采用钢尺(精度1 mm)；上、下游水库水位测量采用水位测针(精度0.1 mm)。

图1　试验装置示意

图2　消力池及四个体型的纵剖面示意

为了研究消力池尾坎坡度对水跃位置、消能率和排砂效果的影响，选取四种不同坡度的尾坎体型进行试验。各体型的尺寸：①体型I尾坎坡度为∞，即上游面为直立面；②体型II尾坎坡度为1∶2，底边长8 cm；③体型III尾坎坡度为1∶4，底边长16 cm；④体型VI尾坎坡度为1∶10，底边长40 cm。上述4种体型均高4 cm，宽26 cm。

3试验结果及分析

3.1跃首位置的试验结果及分析

本文旨在研究4个体型对水跃和排砂效果的影响差异，因此保证各体型在相同闸门开度下的试验条件相同，即在4个体型的弧形闸门均取4个不同开度下，控制上游水库为正常蓄水位、下游各体型相应工况取同一水位进行试验研究。其中，消力池的理论长度用SL 265—2001《水闸设计规范》[12]中的消力池长度计算公式，由于试验中体型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水跃基本均发生在消力池的斜坡段，为便于测量计算，本试验中取跃首位置(即以斜坡消力池进口为测量起点至水跃发生处的水平距离，见图2)代替消力池斜坡段投影长度，消力池的实际长度计算公式为

(6)

(7)

图3　跃首位置与尾坎坡度关系

3.2水跃消能效率的试验结果及分析

将试验所测得4个体型分别在不同开度、相同上下游水位工况下的跃前、后断面的水深和流速，代入式(5)计算得出各工况的Fr1和Kj值，见表2。试验结果表明，在闸门开度为1/4时，体型Ⅰ的Fr1为3.12，最大，Kj可达40%，消能效果最好；体型Ⅱ的Fr1为3.08，Kj为38%；体型Ⅲ的Fr1为2.99，Kj为36%；体型Ⅳ的Fr1为2.94，最小，Kj仅为32%，消能效果最差；且4个体型各工况下Fr1和Kj的大小趋势均如此，即体型Ⅰ的Fr1最大，消能效果最好，体型Ⅱ次之，体型Ⅲ略低于体型Ⅱ，体型Ⅳ的Fr1最小，消能效果最差。由此可见，消力池尾坎坡度越大，Fr1越大，Kj越大，消能率越高，与理论分析相符。

表11/4 、1/3闸门开度下消力池长度计算的相关参数

闸门开度跃首位置L's/cm跃前水深h'1/cm跃后水深h'2/cm跃长L'j/cm实际消力池长L'sj/cm(L-L'sj)/LⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/4081625555.35.215.115.216.116.469.6970.3874.5277.2855.7564.375.6286.820.290.180.03-0.111/31.51018286.66.86.76.917.918.218.318.777.9778.6680.0481.4263.8872.9382.0393.140.180.07-0.05-0.191/20.2915249.49.39.59.420.821.522.122.578.6684.1886.9490.3963.1376.3484.5596.310.190.02-0.08-0.233/40.59.515.52613.213.313.413.423.223.523.623.76970.3870.3871.0755.765.871.882.860.290.160.08-0.06

注：L=78 cm，为消力池的模型长度。

表21/4 、1/3闸门开度下各工况的Fr1、Kj值

闸门开度Fr1KjⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/43.123.082.992.940.40.380.360.321/32.752.692.662.560.330.310.30.261/22.322.292.282.20.260.230.220.173/41.811.781.751.710.150.120.110.09

3.3排砂效果的试验结果及分析

研究河流中消力池尾坎坡度对排砂效果的影响，用粒径1 mm左右的砂石模拟推移质，在4个体型中均取闸门开度为1/2的工况下，待上下游水位稳定后在冲沙闸进口处放入等体积的砂石，放水1 h后再观察消力池中排砂情况，见图4。

图4　4种体型排砂对比

试验表明，体型Ⅰ消力池尾坎处砂石最多，排砂效果最差；体型Ⅳ消力池内基本无砂石，排砂效果最好；体型Ⅱ和体型Ⅲ尾坎处均有一定量砂石，但体型Ⅲ明显较少；因此就排砂效果来看，体型Ⅳ最优，体型Ⅲ次之。即，消力池尾坎坡度越大，排砂效果越差。由此可见，在山区河流的消力池尾坎设计中，可适当减小消力池尾坎坡度以利于砂石等推移质的排出。

4结论

(2)消能系数Kj随着尾坎坡度的增大而增大，则体型Ⅰ的消能效率最高，体型Ⅱ次之；但尾坎坡度越大，排砂效果越差，则体型Ⅰ的排砂效果最差。

(3)结合消力池长度的要求，兼顾尾坎坡度对排砂效果和消能率的影响，体型Ⅱ是所选试验体型中相对较优的。体型Ⅱ的消力池尾坎坡度为1∶2，高4 cm，底边长8 cm，不仅可以满足消力池长度要求，不会增加施工成本，且消能效率高，排砂效果较好。

参考文献：

[1]吴持恭. 水力学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2008．

[2]韩守都， 刘韩生， 吴宝琴. 布仑口水电站消力池尾坎位置模型试验[J]. 水利水电科技进展， 2012， 32(1)： 62- 64.

[3]潘瑞文. 闸堰下游淹没水跃特性研究[J]. 水动力学研究与进展， 1993， 8(4)： 388- 395．

[4]CHEN Duan， WANG Shan， HAN Jibin. Experimental research on the length of 3D hydraulic jump in joint energy dissipator[C]//Proceedings of 16th IAHR-APD Congress and 3rd Symposium of IAHR-ISHS， 2008： 2037- 2040．

[5]刘沛清. 关于水平矩形明渠中水跃长度的讨论[J]. 水利学报， 1993(1)： 58- 61．

[6]ELLAYN A F， SUN Zhilin. Hydraulic jump basins with wedge-shaped baffles[J]. Journal of Zhejiang University-Science A (Appl Phys & Eng), 2012， 13(7)： 519- 525．

[7]王均星， 朱祖国， 陈利强. 消力池内辅助消能工对水跃消能率的影响[J]. 武汉大学学报： 工学版， 2011， 44(1)： 40- 43．

[8]王海云， 戴光清， 杨庆等. 低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究[J]. 水力发电. 2006， 32(8)： 25- 26， 55．

[9]张志昌， 李若冰， 赵莹等. 消力坎式消力池淹没系数和坎高的计算[J]. 长江科学院院报， 2013， 30(11)： 50- 54．

[10]张志昌， 李若冰， 傅铭焕等. 矩形明渠自由水跃长度的理论分析[J]. 水力发电学报， 2013， 32(6)： 108- 114．

[11]罗嗣荃. 平底宽矩形断面水跃位置的确定[J]. 农田水利与小水电， 1989(6)： 22- 23．

[12]SL 265—2001水闸设计规范[S]．

(责任编辑王琪)

Experimental Study on Hydraulic Jumps and Desanding Efficiency of Stilling Basin with Different End Slope

ZHANG Chunni, TIAN Zhong, WANG Wei

(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610050, Sichuan, China)

Abstract:The hydraulic jump in stilling basin is used to dissipate energy in hydraulic engineering. The kind and location of hydraulic jump has very important impact in the effect of energy dissipation and the determination of stilling basin length. The hydraulic jump location, water depth and velocity at four different end slopes (i=∞, 1∶2, 1∶4, 1∶10) of stilling basin are studied by model tests. The impacts of end slope on hydraulic jump location and energy dissipation ratio are analyzed, and the desanding efficiencies of four end slopes are also compared. The results show that: (a) when the end slope becomes lager, the location of hydraulic jump tends to move upstream, a shorter length of stilling basin need to be required, a better energy dissipation ratio can be obtained, but the desanding efficiency is worse; (b) When the end slope i equals to 1∶2, the energy dissipation ratio is higher and the desanding efficiency is also better．

Key Words:stilling basin; end slope; hydraulic jump location; energy dissipation; desanding efficiency

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0107- 04

作者简介：张春妮(1992—)，女，重庆人，硕士研究生，研究方向为水工水力学；田忠(通讯作者)．

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51379138)

收稿日期：2015- 07- 08