有压泄洪洞突扩突跌式非对称消力池水力特性研究

刘要来 彭 勇 张永涛

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 430014；2.四川大学，四川 成都 610065)

水电站枢纽主要由挡水建筑物、泄洪排沙建筑物、引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等组成，其中消力池水流流态的稳定在泄洪建筑物安全运行中非常关键。特别是对于水头高、水位变幅大的一些高坝工程，如果消力池设计不当，会导致消力池发生严重的冲刷与空化空蚀。例如：安康水电站的消力池因为脉动水压力的反复作用使得底板表面形成间隙，为此进行了四次维修处理；萨扬舒申斯克水电站与黄河盐锅峡水电站也出现过消力池严重破坏的事故。

消力池的流态和稳定性与其前端的连接形式有密切联系。根据消力池前端连接的不同形式，消力池可分为矩形二元消力池、渐扩式消力池和突扩式消力池等，不同类型的消力池对应的水流特性也会有显著的不同。尹则高等[1]研究了渐缩渐扩段形式的洞塞消能；彭城等[2]人研究了渐扩式折坡消力池的水力特性；张志昌等[3]对平底渐扩式消力池进行了研究；Kumar[4]对突扩消力池内水跃的水流结构进行了试验研究；李杰[5]对跌坎型底流消力池的水力特性与结构优化进行了研究；李君宁等[6]研究了微淹没圆形射流空化特性减压特性。

大部分对消力池的研究是建立在对称结构基础上的，而对于非对称消力池结构的研究还不多见。本文对非对称的突扩突跌式消力池以及其前端的不同出口体型进行实验研究，分析消力池内不同边墙及底板处的水力特性，研究成果可为实际工程提供支持。

1 实验方案设计

1.1 实验简介

本文重点研究了消力池前端四种不同连接形式对消力池内水力特性的影响。

1.2 体型设计参数

四种方案的具体设计参数见表1，设计方案见图1、图2。

表1 实验设计方案体型参数

图1 渐变式矩形出口设计 (单位：cm)

图2 圆形出口设计 (单位：cm)

由图1可知：T1是渐变式矩形出口，矩形渐变段长20m，从4m×6m(宽×高)到8m×2.5m(宽×高)渐变，顶部1∶5.714压坡出口。由图2可知：方案T2、T3、T4是在T1的基础上把出口形状统一换为等面积的方变圆出口，L1为方变圆段的长度，L2为等面积的圆管段长度，总共的出口长度为L，且L=L1+L2。由表1可知，四种方案的区别在于出口形状、跌坎高度以及方变圆段的长度，下面从这三个方面分析不同变量下的消力池水力特性。

2 水力特性分析

2.1 出口形状对消力池水力特性的影响

对比T1、T2的试验数据可知：矩形出口的消力池由于采用的顶部压坡方式，致使高速主流经过20m左右逐渐潜底，到达底板时的最大临底流速位置距离跌坎30m左右，其后沿水深方向流速逐渐趋于均匀。但消力池内水流掺气不充分，消能效果较差，而T1的消力池前2/3的长度范围水流均强烈掺气，水流掺混剧烈。相比于矩形出口，圆形出口的消力池尾坎处水面波动显著减小，见图3。

图3 水面波动

T1、T2消力池底部流速分布见图4。由图4可知：矩形出口与消力池等宽连接，因此直边墙与斜边墙的流速沿程分布基本保持一致，均较大，最大值出现在出口附近直边墙处,约36m/s。调整为方变圆加等截面圆管出口后，因出口段与消力池不等宽，为突扩式出口，流速会较原来的矩形出口显著减小，最大临底流速降为15.6m/s。T1结构下的出口段后20～70m范围内临底流速较大，均在20m/s以上，存在较大的冲刷风险，T2有效地降低了沿程的流速分布，避免了冲刷冲蚀的可能。

图4 消力池底部流速分布

消力池水面流速分布见图5。由图5可知：T2的最大边墙流速由T1的45.5m/s降至14.3m/s，且最大流速发生点向消力池后方推移了50m左右。直边墙流速普遍大于斜边流速,这是由于水流到达直边墙附近没有出现扩散趋势，而斜边墙处会随着边墙逐渐扩散，因此直边墙流速较大。消力池后半段都出现流速逐渐减小是因为随着沿程增加能量逐渐衰减，且直边墙的流速衰减速率更快一些。

图5 消力池水面流速分布

2.2 跌坎高度对消力池水力特性的影响

对比T2、T3方案，可以研究不同跌坎高度对消力池内水力特性的影响。实验表明：T2、T3的流态基本相似，观察T2、T3流态，混掺长度由消力池前2/3增加至3/4，水流均强烈掺气，掺混剧烈，且在有压出口四周大量掺气，在出口与消力池底板和边墙之间形成了一层高浓度掺气水流，起到了有效减免过流壁面发生空蚀破坏的重要作用。

消力池底部流速分布见图6。从图6可知：当跌坎高度下降1.5m后，消力池临底流速最大点由原来的直边墙处转移至中轴线处，最大值由15.6m/s降至14.1m/s，并且直边墙、中轴线以及斜边墙上的流速分布趋势一致,最大值几乎都发生在有压出口30m附近的消力池横断面，而高跌坎时只有直边墙的流速较大，中轴线与斜边墙沿程流速值均较小，可能是当跌坎高度降低时，水流潜入消力池底部时的跌落势能减小且沿四周散开得较均匀，不会对直边墙有较大流速的冲撞，因此直边墙与其他位置的流速分布较一致。消力池水面流速分布见图7。由图7可知：水面流速最大发生点依旧位于直边墙上，由14.3m/s减小至12.5m/s，且位置前移了大约30m，这是因为跌坎高度的降低使得水流潜入点前移进而使直边墙的冲刷流速点前移。此外发现斜边墙流速相对于高跌坎斜体型的流速明显降低，且沿程呈逐渐减小的趋势，使边墙的抗冲刷性有明显提高。最大水面波动分布见图8。由图8可知：跌坎降低后消力池前半部分的水面波动均较大,均值为±3.2m左右，但整体趋势均为沿程逐渐减小。

图6 消力池底部流速分布

图7 消力池水面流速分布

图8 T2、T3最大水面波动

2.3 渐变段长度对消力池水力特性的影响

对比T3、T4方案，分析不同方变圆渐变段长度对消力池内水力特性的影响。

消力池的入池流态T3基本相似，观察T3、T4流态，混掺长度由消力池前3/4缩短至2/3，但水流均强烈掺气，掺混剧烈。相较于T3方案，T4方案有压出口的淹没度有轻微增加，消力池首部的水面波动略微增大，而消力池末端水面波动较小。

消力池底部流速分布见图9。由图9可知：T3、T4消力池底部流速分布趋势基本一致，但增加渐变段长度后消力池临底流速普遍降低，这是因为渐变段长度的增加使得淹没度稍有增加进而临底流速有所降低。最大临底流速出现在直边墙距离有压出口43m左右值，且出现最大值的位置依次为斜边墙、底板中轴线、直边墙。T4相对于T3直边墙有一个最大值的延后现象。从图10可知：T4和T3的最大边墙流速都出现在直边墙，且最值从12.5m/s降至8.9m/s，这与淹没度的增加有关，而斜边墙流速分布几乎没有变化。由流态中的水面分析可知T3、T4的水面波动变化基本一致，但T4会较T3的消力池前端波动大些。

图9 消力池底部流速分布

图10 消力池水面流速分布

分析时均压强可知：T3、T4工况有压出口末端的压强均为140kPa的正压，因此，不会出现出口水流脱空的现象，且计算的T3有压段出口的最小水流空化数为0.35，因此，渐变段及其下游有压段光滑壁面不会出现空化。

3 结 语

本文对非对称消力池的水力特性进行试验研究，分别分析了有压段出口形状、跌坎高度和渐变段长度对消力池水力特性的影响，得出以下结论：

a.等面积的圆形出口较矩形出口能更加有效地降低消力池的临底流速和边墙流速，一定程度上可改善消力池底板与边墙的空化特性。

b.跌坎高度从5.5m降至4.0m，消力池内的掺气效果有所提升，掺气长度有所增加，降低了消力池内空化空蚀的风险。底部流速普遍降低，且在直边墙、中轴线以及斜边墙上的分布较一致，最大值发生在距离有压出口30m附近的同一个横断面上，合适的跌坎高度既能降低工程成本又能取得较好的工程效应。

c.渐变段的增加使得有压段出口的淹没度有所提高，消力池内底部最大流速降低约46.7%，水面最大流速降低约28.8%，适当地增加渐变段长度有利于消力池内的结构稳定，且有压出口段均为正压,渐变段与下游段不会出现空化现象。