弯曲河道上底流消能工布置试验研究

奉紫岑，杨 庆，程文磊， 张其敏，涂书豪

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.四川大学水利水电学院，成都 610065;3.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020)

0 引 言

底流消能作为一种基本的消能形式常在一般的水闸、中小型溢流堰或地质条件较差的各类泄水建筑物中采用，其具有雾化影响小等优点[1]。底流消能利用水跃来进行能量消杀，消力墩、悬栅[2,3]等辅助消能工也常在底流消能中被应用，张功育、王海军等[4]研究了跌坎式底流消能的消能机理，验证其能有效消能。常规消力池一般建议宜采用等宽矩形断面[5]，但受到地形条件限制，有些水利工程的消力池必须设置在弯段河道。针对弯道急流的研究主要集中在岸边溢洪道的陡槽段，常用的措施有:渠底超高法、导流隔墙法、斜坎法、多级跌水消能法等[6-9]，但关于底流消能工布置涉及到弯曲河道的研究不多。针对受实际条件限制必须在弯曲河道上布置底流消能工的技术难题，通过某水库工程的物理模型试验进行对比研究。

1 工程概况与模型制作

1.1 工程概况

某水库大坝为堆石混凝土重力坝，坝顶高程550.50 m，最大坝高42.0 m，正常蓄水位为548.00 m。泄水建筑物为溢流堰，孔口尺寸为3-7.0 m×6.0 m(n-b×h)，溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程542.00 m。泄水建筑物采用底流消力池消能。设计洪水位548.04 m，相应下泄流量639 m3/s；消能防冲洪水重现期为30年，相应下泄流量576 m3/s。试验初始方案定为传统的直线形消力池底流消能，池长50.25 m，池净宽26.0 m，消力池进口与溢流坝坡采用反弧段曲线相接，池末端设5.5 m高消力坎，出口与下游弯曲河道转弯段衔接。该方案枢纽布置平面和剖面图见图1。

图1 枢纽平面及剖面布置(单位：m)Fig.1 Flat layout and section of the project

1.2 试验模型及工况

按重力相似准则设计为比尺1∶50的正态模型。流量采用等宽三角形薄壁堰量测，堰上水头采用水位测针测量，流速测量采用南京水利科学研究院研制的旋桨式流速仪。

试验拟定重点研究工况为消能防冲频率洪水(P=3.3%)即上游水位548.0 m、出库流量576 m3/s，重点研究消力池内水流流态、流速、水面线等各项水力学指标，来衡量各消能工布置形式的消能与水流流态控制优良程度，进行分析比选。

2 消能工布置试验方案

消力池规模受入池水流流速、单宽流量等因素影响，理论计算方法可以得出较为准确的规模需求。由溢洪道泄流单宽流量q=22.2 m2/s, 计算得临界水深hk=3.69 m;由文献[5], 取消力池进口收缩断面流速系数φ=0.9, 计算出该断面收缩水深h1=0.88 m。由在护坦末端修建消能坎所形成传统矩形断面平底消力池的这一类型消力池计算公式[5],计算得下游消力池跃后水深h2=10.26 m、消力池池长Lk=50.77 m、坎高c= 6.3 m。

上述计算结果反映出初始设计方案即方案1中消力池可能长度略有不足，尾坎高度不够。但消力池的理论计算不能很好的帮助我们判断消力池与下游河道之间的衔接流态且涉及到曲线型消力池，问题较为复杂，理论计算与模型试验相结合十分重要。故基于初始设计方案即方案1，重点针对消力池消能、水流流态控制、左岸弯道处水流衔接流态、冲刷强度等方面对3种布置方案进行试验研究，具体内容如表1所示，平面布置图如图2所示。

表1 底流消能工布置方案Tab.1 Layout of the underflow energy dissipator

图2 底流消能工平面布置方案(尺寸单位：mm，其他单位：m)Fig.2 Flat layout of the underflow energy dissipator

3 3种不同布置试验结果比较

3.1 水流流态

消力池及后段水流流态方案1～方案3呈现不同流态，如图3所示。

图3 3种不同方案水流流态对比Fig.3 Comparison of three different schemes about the flow regime

方案1中水跃的旋滚区发展至消力池尾坎，而方案2、3水流在到达尾坎前已完成水跃，还有相当部分调整段长度；三个方案中尾坎与下游河道水流衔接均呈跌流流态，但方案1中跌落水流直接对冲左岸弯道坡脚部位，局部水流壅高、横轴旋滚强烈，波动幅度较大，影响范围较广，消力池出口直接与转弯河段衔接导致的不良流态十分明显；方案2中靠近右岸弯道处，出现了大范围顺时针回流区，约650 m2，回流会将消力池内主流推挤向左岸，降低了消力池内的有效消能水体；方案3中加入了导流消力墩，此处水流衔接顺畅，且较之方案1、2中消除了出现水流直接对冲弯道岸坡现象，右岸弯道回流区域减少至300 m2左右，较方案2减少53.85%。

3.2 弯道段岸边水面线

水面线波动大小与左右岸的水位差，能代表转弯段处的水流衔接流态优劣，变化越小说明衔接越平顺。本工程中消力池直线段出口处的主河床向右岸约偏转68°，左岸水面线波动较大。弯道段测量断面布置如图4所示。设计控制流量下，3种布置方案下转弯段左岸水面线波动情况见图5。

图4 弯道段测量断面Fig.4 The measured-profiles on the curved section

图5 转弯段左岸水面线波动幅度图Fig.5 Water surface fluctuation of the left curved section

方案1中，水面波动较大，高达3.0 m，跌落水流直接冲刷岸脚，对弯道部位岸坡稳定性影响较大；方案2、3下水面波动幅度均较方案1减小，河道水面衔接相对平稳，但其中方案3效果明显更优，水面波动控制在2.0 m以下，且左右岸水位差更小(图6)，即左右岸水深分布也更均匀，基本消除对弯道凹岸岸坡的影响。

图6 转弯段左右岸水位差值图Fig.6 Water level difference between left and right bank in turning section

3.3 流速分布

流速分布是消能工中水流能量与水流流态很重要的表现，试验测量了设计控制工况下，3种不同布置方案各断面相应的底、中、表流速。弯道靠近左岸的流速更大，主要原因是约68°的弯道转角带来的离心力作用。入弯前桩溢0+065.92、弯道段内桩溢0+088.15、出弯后桩溢0+103.54三个断面的平均流速分布图，如图7～图9所示。

图7 入弯前桩溢0+065.92处流速分布Fig.7 Velocity distributions at 0+065.92 before curved

图8 弯道段内桩溢0+088.15处流速分布Fig.8 Velocity distributions at 0+088.15 at curved

图9 出弯后桩溢0+103.54处流速分布Fig.9 Velocity distributions at 0+103.54 after curved

方案1因尾坎位置的设置，所选入弯前断面流速远小于方案2、3，但出池水流呈跌流流态与河道弯道段衔接处流速基本分布7 m/s以上，高于方案2、3较多，水流余能对岸坡冲刷导致的岸坡安全稳定风险较方案2、3更大，且明显看出出池水流进入下游河道流速沿程衰减慢，对下游防护要求也较高。方案2在一定程度上减轻了方案1中弯道处的不利流速分布，但存在右岸回流区，回流区域流速分布较乱，且将消力池内主流进一步推挤向左岸，主流阵发性的冲击左岸弯道，左岸流速进一步增大。对比来看，方案3更优，导流消力墩起到一定雍水作用和调整水流的作用，较之未布置辅助消能工的方案2而言，入弯前流速和弯道内流速更小也更均匀。

3.4 消能率

拟定消能率计算公式为：

其中：

式中：E0为以消力池底板为基准面的上游水流总能量；E1为消力池尾坎处断面的水流能量；ΔZ为相对于下游基准断面水头；v0、v1分别为进、出口断面的断面平均流速，进口断面取上游库区，v0=0，v1为消力池尾坎断面平均流速；h1为出口断面位能，即消力池出口断面水深。

基于流速与水面线观测成果，计算得到消能防冲频率工况下方案1的消能率为68.8%，方案2为69.7%，方案3为72.0%。可以看到方案3的消能率是其中最大的，但3个方案消能率的差距并不大。分析认为，本工程能量耗散主要包括溢流曲线段的沿程水头损失与消力池内水体紊动耗散，直线段消力前池已完成大部分能量消杀。增大消力池规模和加设导流消力墩虽然未能明显增加消力池的消能率，但对调整消力池内水流结构和水跃发展却作用较大，使水流在各部位的衔接更加平顺，且可以避免左岸弯道不被对冲，提高了运行安全度。

4 结 语

文中提出的主、辅两级消力池与导流消力墩这一消导结合的消能工结构，可以明显调整消力池内水流结构，改善弯道段流态、左右岸水位差、流速分布等水流条件，减小岸坡坡脚冲刷风险，解决了本工程中受实际条件限制必须在弯曲河道上布置底流消能工的技术难题。该消能工布置结构可为类似工程提供参考和借鉴，但在弯曲河道上布置底流消能工有一前提条件是，在消力池前段必须保证一定的顺直段来消杀大量能量。