底流式消能水力特性及其影响因素分析

郭 丽

(抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁 抚顺 113008)

底流式消能有着较长的发展历史[1]，通过使水跃发生在泄流建筑下游来完成消能[2]。其特点是利用底部水流发生的水跃进行消能，能够获得较高的效率。潘瑞文[3]等提出了利用多级消力池，来减少水流的落差，为下一级的水跃创下基础提高了消能率，得到了较好的效果；李杰[4]等结合工程实例，对水流下的水利特性和消能规律进行了系统研究，对出口水流的消能设计进行了改进，并对其消能理论进行了更加严谨的介绍。本文通过选取尾槛折坡位置、尾槛坡度以及流量三个因素，设计了正交试验，并对每个因素各自选取三个水平，探究了消力池的水流特性，并对不同尾槛折坡位置、流量变化以及尾槛坡度不同流量下消力池内流速和水深的变化规律进行了系统性的研究，为今后的施工建设提供了数据支持。

1 试验分析方法

研究分析流量变化对消能率的影响时，可通过水跃总水头损失E与跃前断面比能E1间的比值来表示水跃消能系数Kj。其计算公式为[5- 6]：

(1)

式中，E1—跃前断面比能；E2—跃后断面比能；Fr—弗劳德数。

Fr1越大，水跃消能的效率也就越高。对正交试验进行结果分析时，可采用直观分析法与方差分析法，其中直观分析法中T表示因素在个水平下的总响应值，R表示数列中两最值之间的差值，即R=maxTi-minTi。

方差分析法可有效解决直观分析法中存在的缺乏客观评价标准的问题，其计算步骤为[7]：

(1)计算离差平方和。总离差平方和SST以及因素的离差平方和SSA的计算公式为：

(2)

(2)计算自由度。自由度df=n-1

(3)计算平均离差平方和MS。

(4)计算F值，其可以反映各试验因素对试验结果的影响程度。

(5)检验因素的显著性。利用P值法检验各因素对试验的影响程度，P值按大小可分为0.01，0.05，0.20三档。P值越小，说明因素越重要；而P值越大，显著性越明显。

2 试验设计

采用正交试验的方法，以消能率为试验指标，研究分析消力池流量、尾槛形式对消能效果的影响[8]。通过减少试验次数，得到最佳的试验方案。以尾槛折坡点位置、流量以及尾槛坡度为三个变量，在保证减少试验次数的前提下，忽略各变量间的影响，每个变量寻找3个水平进行正交设计，得到正交试验设计表，见表1。

表1 正交试验设计表

流量因素可分为三个水平，分别为0.13m3/s、0.18m3/s以及0.21m3/s，表示消力池下游的自由出流水位，尾槛坡度因素分为直坎、1/3坎及1/4坎三个水平，尾槛距折坡点位置可分为距尾槛15cm、25cm、35cm三个水平，各试验因素及所取水平见表2。

表2 正交设计因素与水平表

3 试验结果分析

3.1 流速及水深分析

试验主要测量内容为：跃前、跃后断面流速、下泄流量以及跃前、跃后水深等[9- 10]。消能率正交试验测量成果表见表3，表中V1、V2分别为跃前流速、跃后流速；ht为水跃下游水深；h1为跃前断面水深；h2为跃后水深。由于斜坡段具有一定扩散功能，且顺水流方向消力池中间位置水跃发生的最为完整，则h1、h2、V1、V2均取断面中间测点位置测量值，尾槛高度为0.20m，h+0.20-h2可作为9个工况下池内是否发生水跃的条件。由表3可知，9个工况h+0.20-h2值均小于0，说明消力池内均发生了稍淹没水跃。

表3 消能率正交试验测量成果表

沿水流方向设置三个横断面，分别设置A、B、C三个纵断面用以测量流速与水深，各测点位置平面图如图1所示。

图1 各测点位置平面图

由于工况4、7、9只有流量因素不同，且对应消力池尾槛为直坎，因此只利用三个工况所测数据进行对比，即可得到流速及水深对流量变化的影响，三横断面流速分布图如图2所示。由图2可得，断面1- 1及断面2- 2中纵向A断面、B断面及C断面间的流速具有一定的差异性，都呈中间大，两头小的变化规律，断面3- 3中纵向A、B、C断面间流速的变化不明显。由于斜坡段扩散作用的影响，消力池壁槽与水间存在严重的阻力作用，使得中间位置出现水流的主流，斜坡段壁槽的阻力作用对整个消力池内部水跃段流速的分布都有一定的影响，越向下游，水流动能越小，水体质量越大，惯性也就越大，跃后的主体仍然存在于消力池的中心部位。

图2 三横断面流速分布图

同一纵断面下各横断面流速分布图如图3所示，由图3可知，各断面的流速变化趋势差别不大，三种工况消力池两侧的纵断面A- A及C- C，流速出现先下降后上升的现象。由于A- A断面及C- C断面位于消力池的两侧，而横断面1- 1及2- 2水流受到消力池扩散作用以及壁槽阻力的影响较为明显，均处于水跃发生段，当水流到达横断面3- 3时，进入水跃下游段，水跃过程已结束，因此两侧的水流趋向主流方向，而B- B段水流受消力池扩散作用较小，处于消力池主流位置，水流流速逐渐减小。

图3 同一纵断面下各横断面流速分布图

不同的工况条件下各个断面的水深也呈现出一定的变化规律，各横断面水深分布图如图4所示。由图4可得，在横断面1- 1和2- 2中，纵向三个断面间的水位高度随着纵断面间的水深高差变化，且差异较为明显，表明壁槽对水流的作用较为明显，水位呈中间高，两侧低的规律，随着水跃的进行，水流动能随着水流的变大而逐渐增大，下游水面逐渐恢复到平稳状态，所以横断面3- 3的纵向流速间差异较其他横断面较小。

图4 各横断面水深分布图

3.2 消能效果及参数敏感性分析

由水跃的消能系数Kj可得到9种工况下的消能率K。消能率计算成果见表4，由表4数据可知，9种工况条件下消能率在24%～32%之间，消力池的弗劳德数在2.9～3.5之间，水跃不稳定，跃后水面波动较大，向下游传播。工况1～3条件下，消能率间差距在3%左右；工况4～6条件下，消能率差距为4%左右；而工况7～9条件下，各工况间消能率差距则减少到2%左右，说明尾槛折坡位置与坎度对消能效果影响较为明显。

表4 消能率计算成果表

消能率正交试验直观分析见表5。由表5中数据可知，折坡点位置因素的极差R=0.015，为最小值，说明折坡点位置对消能率的影响程度最小，流量因素的R=0.050最大，说明流量对消能率的影响程度最大，尾槛坡度因素的极差值要小于流量因素，而又稍大于位置因素，表明尾槛坡度对消能率的影响程度较小。

表5 消能率正交试验直观分析表

消能率K正交试验方差分析见表6。由表6数据可知，P(A)的数值<0.05，说明流量因素对消能率大小的影响较为严重；P(B)>0.05，表明尾槛折坡点位置对消能率的影响较小；而P(C)数值大于0.05而又小于0.2，说明尾槛坡度对试验结果的影响较小，可忽略不计。

表6 消能率K正交试验方差分析表

4 结论

通过正交试验方法，对9中工况条件下消力池的消能率进行了分析研究，并对消能率的效果进行了分析，得到了如下结论：

(1)通过对理论分析方法的研究及正交试验的设计，选取了流量、尾槛坡度及尾槛折坡点位置作为三种影响因素，并分别为每一个因素选择了三组水平，以图表的形式分析了流量变化对整个消力池内水跃、水深以及流速的影响。并对9种工况条件下的消能率K进行了比较，得到了不同流量下尾槛结构对消能率的影响程度。

(2)流量对消能率的影响最大，消能率及跃前断面弗劳德数Fr1随流量的增加而减小，随折坡点位置距尾槛位置的减小而增大。尾槛坡度对消能率的影响较小，尾槛折坡点对消能率的影响效果不明显。

[1] 苏东朋, 郝瑞霞. 齿墩式内消能工的水力特性数值模拟研究[J]. 水电能源科学, 2015, 33(11): 79- 81+13.

[2] 赵小军, 魏文礼. 戽流消能水力特性数值模拟[J]. 电网与清洁能源, 2015, 31(05): 70- 73+78.

[3] 田海军. 平原水闸底流式消能工始流消能防冲研究[J]. 水科学与工程技术, 2014(01): 51- 54.

[4] 李杰. 跌坎型底流消力池的水力特性与结构优化研究[J]. 水利规划与设计, 2017(06): 96- 98.

[5] 明福林, 刘金辉. 跌坎与陡坡后接挑流消能工程布置的水力计算方法探讨[J]. 水利规划与设计, 2011(04): 52- 54.

[6] 郭鹏. 不同工况下水力自动滚筒闸门流量特性分析[J]. 水利技术监督, 2017, 25(04): 99- 102.

[7] 唐南波, 田忠. 含侧向进流的底流消力池水力学模型试验研究[J]. 水电能源科学, 2017(06): 85- 87.

[8] 王强, 杨具瑞, 张钟阳, 等. 过渡阶梯大小对一体化消能工消能特性的影响研究[J]. 水力发电, 2017, 43(07): 46- 52.

[9] 聂艳华, 王才欢, 况曼曼. 基于降雨分析的窄缝挑坎消能工水翅特性研究[J]. 长江科学院院报, 2017, 34(01): 67- 70.

[10] 熊毅, 胡志根, 陆贺, 等. 弯曲河道立堵截流龙口水力特性分析[J]. 水利学报, 2017, 48(02): 184- 192.