不同格栅布置对消力池池长影响研究

王文兵,邱 勇, 周鑫宇, 吴锦钢, 刘泰明

(云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201)

通讯作者：邱 勇(1971—)，男，云南会泽人，教授，硕士生导师，研究方向为工程水力学，E-mail:13108854817@126.com。

随着水资源的持续开发利用，枢纽布置难度日趋加大[1]，泄水建筑物出口不得不正对山体或与下游河道斜交，传统的直线形底流消能需要一定的池长和池深以平顺衔接下游水流，难以适应地形条件的变化。针对下游水深不足(ht

1 降低护坦式底流消能

研究依托某实际工程(水头差2.40 m，泄水建筑物和消力池之间通过i=1∶1.5和α=3°的扩散段连接)进行模型设计。结合实际地形地质条件，确定模型消力池长950 mm(其内等间距布置8个测点)，宽200 mm，为了避免过大开挖影响岸坡稳定，池深仅考虑50 mm(见图1)，尾水渠为平坡。

图1 消力池结构体型图(单位：mm)

对于流量Q=8 L/s，入射水流沿底板急速前进，由于下游水深不足，水流发生远驱式水跃，跃前断面远离消力池进口达480 mm(消力池出口尾水渠临底流速1.93 m/s)，消力池长度明显不足(见图2)。

流量Q=8 L/s时，可以通过计算得到平底自由水跃长度为1 360 mm。由此可见，在池长(950 mm)不足情况下，即便降低护坦深度(50 mm)，消力池也不容易满足消能要求。

图2 降低护坦式消力池水流流态(Q=8 L/s)

2 铅直格栅对消力池池长的影响

为了改善消能效果，在消力池内增设铅直格栅：格栅宽200 mm，高100 mm，栅孔直径为20 mm，开孔率为28%[11]，呈3行6列均匀等间距布置。铅直格栅特性(见表1)，格栅体型(见图3)。

表1 铅直格栅特性表

图3 铅直格栅体型图(单位：mm)

铅直格栅布置于消力池中部位置(Q=8 L/s)，入射水流受格栅阻挡，在栅前形成强烈的碰撞，其中一部分沿格栅竖直爬升，形成上涌水突，最大高度几为铅直格栅的2倍；另外一部分经栅格切割，过栅后和翻越格栅的跌落水突混掺，在300 mm范围内形成比较大的扰动，消力池出口水流跌落明显(见图4)。

图4 消力池水流流态图(铅直格栅布置方案)

将格栅前移至距离消力池进口1/4池长处，尽管栅后水流流态有改善，但栅前水流的紊乱程度及上涌水突高度都进一步增大；格栅后移至距离消力池进口3/4池长位置，水突高度未见明显变化，且栅后水流来不及调整，加剧了下游尾水的涌动。

3 Γ形格栅对消力池池长的影响

针对铅直格栅方案中极为严重的上涌水突现象，将铅直格栅改进为Γ形格栅。Γ形格栅长110 mm，宽200 mm，高110 mm，开孔率与铅直格栅相同。Γ形格栅特性(见表2)，格栅体型(见图5)。

采取与铅直格栅同样的布置方式，得到3组试验方案：Γ形格栅分别位于消力池中部位置(方案1)、距离1/4池长位置(方案2)和3/4池长位置(方案3)。针对消力池水流流态、格栅前后动能衰减、消力池底板时均压强及弗汝德数Fr研究流量变化的影响。

表2 Γ形格栅特性表

(a)Γ形格栅横断面图

(b)A(B)视图

3.1 消力池水流流态

3.1.1 水流结构分区

结合水流形态对消力池内水流进行结构分区[12]：淹没射流区、潜射水流区、上涌水突、回淹水流区(见图6)。

3.1.2 消力池水流流态

如图7所示，当Γ形格栅置于消力池中部位置(方案1)时，潜射水流在竖直格栅阻拦下，和铅直格栅一样，都能够形成向消力池进口翻滚的回淹水流，并与淹没射流、潜射水流相互摩擦、混掺和剪切，水流紊动大；同时，由于水平格栅的作用，上涌水突现象基本消失，消力池内能够形成一定的淹没；栅后水流紊动减轻(栅后扰动长度近250 mm)，水流趋于平稳，和下游尾水衔接良好。

图6 消力池水流结构图

图7 方案1 消力池水流流态图(Q=8 L/s)

将Γ形格栅前移于消力池池长1/4位置(方案2)，淹没射流对格栅的冲击作用明显增强，致使栅前水流紊动加剧，水平格栅的作用下降，水突依然明显(见图8)，过栅水流叠加上涌水突的跌落影响，流态变差，水流趋于平稳的位置长度增大(栅后扰动长度超过350 mm)。

图8 方案2 消力池水流流态图(Q=8 L/s)

将Γ形格栅后移至消力池3/4池长位置(方案3)，栅前水面呈爬升状，部分呈现远驱式水跃形态，射流的部分动能消耗于池内水体，过栅水流相对平稳，但跃后断面并未出现在消力池内，对下游尾水存在不利影响(见图9)。

综上所述，将铅直格栅改进为Γ形格栅后，可以有效削弱上涌水突；同时，由于格栅阻挡形成的回淹水流增加了栅前水深，摩擦、混掺、剪切作用增加，使得绝大部分动能得到衰减，在池深一定的条件下，对池长要求降低。相对而言，格栅置于消力池中部位置，既能满足消能要求，也可以有效减小消力池长度。

图9 方案3消力池水流流态图(Q=8 L/s)

3.2 格栅前后水体动能变化

取不受淹没影响的上游斜距消力池进口220 mm处为1-1断面，不同试验方案均选取格栅前后2-2断面和3-3断面，以及距离消力池出口69 mm处(测点8)的4-4断面。根据试验数据，计算得到格栅位置变化情况下的动能值(见表3)。

表3 不同试验方案消力池射流动能变化(单位：J/L)

由表3知，消力池进口断面单位水体动能均为19.85 J/L。对于方案2(格栅前置)，栅前单位水体动能为12.25 J/L，栅后单位水体动能为0.96 J/L，即栅前所形成的回淹水体对射流动能削减了7.60 J/L，格栅前后动能下降12.29 J/L，格栅自身对射流动能的折减达到了栅前水体的161.7%，未能充分利用水体自身进行消能。

对于方案3(格栅后移)，格栅前后单位水体动能变化仅占栅前水体动能削减量的2.2%，意味着栅前水体对射流的摩擦、混掺和剪切作用极为充分，但由于格栅位置已经靠近消力池出口，栅后长度不足以调整过栅水流流态。

格栅置于消力池中部的方案(方案1)中，栅前单位水体动能2.63 J/L，由于格栅壅水所消耗的动能为17.22 J/L。一方面，该方案充分利用了栅前水体对射流的摩擦、混掺和剪切作用；另外一方面，格栅下游空间对水流的调整作用明显，很好实现了和下游尾水的衔接。

3.3 底板时均压强变化

水流以淹没冲击射流的方式进入消力池，时均动水压强的变化可以反映消力池流速和水深的转换情况。由消力池底板时均压强分布图可知(见图10)，除了测点1位于冲击区附近，其时均压强叠加了射流流速水头之外，不同试验方案在格栅位置均出现时均压强增大后逐渐趋于平缓的现象(格栅上游测点时均压强数值上升)。其原因在于格栅位置的变化，对栅前潜射水流均形成强迫转向，致使不同试验方案的格栅前测点时均压强回升，栅后水流压强由于流速明显下降趋于平稳。消力池底板时均压强的沿程变化和前述水流流态及动能变化一致。

3.4 弗汝德数Fr的变化对消力池池长的影响

弗汝德数Fr代表惯性力和重力的对比关系[13]，其变化能够有效说明强迫水跃和下游尾水的衔接。方案1和不设格栅试验方案跃后断面弗汝德数Fr(见表4)。

图10 消力池底板时均压强分布图

表4 格栅设置对弗汝德数Fr的影响(Q=8 L/s)

由表4知，设置格栅对跃后断面的弗汝德数影响不大，但跃前断面的弗汝德数下降明显。此外，不设置格栅时的跃前水深为0.011 m，跃后水深计算值为0.170 m(下游出口尾水渠水深0.087 m)，增设格栅后的跃后水深为0.132 m(跃前水深0.016 m)，出口断面流速0.52 m3/s。由此可见，增设格栅有效降低了栅后(跃后)断面的水深，使得过栅水流很容易和下游水流平顺衔接；此外，由于跃后水深减小，跃前断面水深相应增大，格栅对入池水流形成了淹没，从而增强了入射水流的紊动和能量耗散，即共轭水深差值的减小降低了消力池池长。

4 结 语

当泄水建筑物出口正对山体或者下游与河道斜交，且限于地形条件，消力池布置池长受限时，可以通过增设格栅以缩短池长，同时避免开挖深度过大；单纯设置铅直格栅，能够在一定程度上改善底流消能效果，但上涌水突现象严重，影响下游水流流态。将铅直格栅改进为Γ形格栅，既可以有效削弱水突现象，又能平顺衔接下游水流；格栅靠近消力池进口布置，能最大程度减少消力池池长，但栅前水流结构长度较短，未能充分利用栅前水体进行消能，也加剧了上涌水突现象；格栅靠近消力池出口布置，格栅所形成的淹没能够有效消除入射水流能量，但栅后长度不足以调整过栅水流，致使尾水波动；格栅布置于消力池中部位置，可以在兼顾入射水流消能情况和流态调整(水突现象基本消失，和下游尾水平顺衔接)的情况下，有效减小消力池池长。