水利工程溢洪道底流消能水力特性分析

洪振国,苟勤章,李海华

(云南省水利水电勘测设计研究院， 云南 昆明 650021)

溢洪道建筑物下泄具有水流流速较高等特点,如果不采取工程措施消除余能，水流将会冲刷下游河床,并危及溢洪道、大坝、隧洞等建筑物的安全[1].通过工程消能措施消除下泄水流的余能，有效地解决泄水建筑物下游的冲刷，保护溢洪道、大坝、隧洞等建筑物安全[2].近些年，随着中国水利资源的大量开发利用，中国水利工程建设取得了巨大成就，水利工程建设的新方法、新技术不断发展与进步[3]. 目前常规的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、阶梯消能等[4].由于中国水利工程水文地质、地形地貌等复杂条件的特点，在水利工程设计过程中，如何合理地选择溢洪道建筑物消能型式，是关系到整个水利工程安全与经济的重要问题[5].

底流消能包括传统底流消能与跌坎型底流消能, 跌坎型底流消能是在普通的底流消能基础上发展起来的一种新型消能方式[6]. 在消力池首部,将消力池底板向下开挖形成跌坎,形成具有一定垂直深度的跌坎底流消力池，有效地降低临底流速水力学指标[7]，该方式具有适应性强、流态稳定、消能效率高、泄洪雾化小等优点[8]，跌坎型底流消能在水电工程中具有较广阔的应用前景[9-10].但是消力池水力特性复杂，采用《溢洪道设计规范》传统水力计算无法进行消力池水力特性分析.

文中以段家坝水库为例，拟通过《溢洪道设计规范》进行水力学计算，结合物理模型试验对传统底流消能与跌坎型底流消能水力特性进行对比分析，以验证跌坎型底流消能优点，对水利工程具有一定的设计指导意义.

1 工程概况

段家坝水库枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、导流输水隧洞组成，水库总库容1 340.2万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，建筑物为3级建筑物.大坝最大高度55.00 m，坝轴线长183.50 m.溢洪道布置于大坝右岸，紧靠大坝.导流输水隧洞布置于左岸，轴线全长约507.77 m，段家坝水库枢纽水工建筑物的校核防洪标准为1 000 a一遇(P=0.10%)，校核洪水位2 039.40 m，下泄流量29.5 m3/s，设计防洪标准为50 a一遇(P=2.00%)，设计洪水位2 038.78 m，下泄流量16.9 m3/s，泄洪建筑物消能防冲洪水标准取洪水重现期30 a一遇(P=3.33%)，消能防冲水位2 038.68 m，下泄流量14.8 m3/s.

溢洪道平面如图1所示.

图1 溢洪道平面图

溢洪道布置于右岸，为无闸控制开敞式，控制段堰型为驼峰堰，堰宽为6 m，堰顶高程为2 037.500 m.溢洪道由引渠段、平面转弯段、控制段、泄槽段、反弧段、消能段及出口护坦段组成，全长305.53 m.引渠长42 m，引渠宽度为6.0～10.0 m，底板高程2 037.000 m.平面转弯段长20.944 m，转弯半径为40 m，θ1=30°.控制段堰高0.5 m，长12.0 m，底宽为6.0 m.泄槽一段长77.887 m，底坡0.02，平面转弯段长17.444 m，转弯半径为40 m，θ1=25°.泄槽二段底宽为4.0 m，泄槽边墙高1.8 m，底坡i=0.625.反弧段长14.238，反弧半径为10 m，θ3=32.0°.消能段长15 m，底宽为4.0 m，池深1.5 m，底板高程1 984.193 m,出水渠段长64.292 m.

2 消能方式选取

消能段位置地表土层上部为含碎石砂土，下部为砂卵砾石夹孤块石，厚1～5 m，结构松散，局部有架空现象.下伏基岩为加里东晚期-华力西中期中-粗粒黑云母花岗岩、黑云二长花岗岩，中-粗粒花岗结构，块状构造，全强风化，地下水埋深较浅，消能段底板均位于地下水高程以下.消能段基础置于强风化基岩上，节理裂隙较不发育，呈块状结构夹碎裂结构，但岩体强度较低，抗滑稳定性较好，抗冲刷能力差，存在严重冲刷破坏.挑流消能方式对下游两岸冲刷严重，对下游边坡稳定不利，同时，挑流消能方式形成冲坑较深，水位波动大，雾气大，对溢洪道抗滑稳定不利[11]，不宜选用挑流消能方式.下游水深较小，同时面流消能方式衔接型式复杂多变，不易控制，下游有较大的波浪，水流复杂，不宜选用面流消能方式[12]. 阶梯式消能对小流量跌落式水流具有一定的消能效果，而对大流量滑移式水流消能效果较差.因此，综合地形地貌、地质条件，初步选择底流消能.

3 水力学计算

3.1 消能计算

消力池中发生临界水跃时跃后水深计算公式为

(1)

式中：Fr1为收缩断面弗劳德数；b1，b2为跃前、跃后断面宽度，m；h1为收缩断面水深，m；h2为池中发生临界水跃时跃后水深，m.

消力池池长计算公式为

Lk=5.52(h2-h1)，

(2)

式中：Lk为消力池池长，m.

消力池尾部出口水面跌落计算公式为

(3)

式中：γ为水跃淹没度，可取γ=1.05；ht为消力池出口下游水深，m;b为消力池宽度；Φ为流速系数.

消力池池深计算公式为

d=σh2-h1-ΔZ，

(4)

式中：d为池深，m；ΔZ为消力池尾部出口水面跌落，m.

由于消能防冲洪水下泄流量Q=14.8 m3/s，消力池宽4 m，根据以上公式计算，得消力池池长15 m，消力池桩号溢0+186.177 m—溢0+201.177 m为消能段，池深为1.5 m，底宽为4.0 m，底板高程1 984.193 m，为矩形断面，采用C25钢筋混凝土整体结构.消力池边墙高度按校核洪水泄流量Q=29.5 m3/s计算，边墙高H=6.5 m.

3.2 水流空化数计算

(5)

(6)

式中：σ为水流空化数；h0为来流参考断面时均压力水头，m；v0为来流参考面平均流速，m/s；ha为建筑物所在地区的大气压力水柱，m；∇为当地海拨高度，m；hv为水的气化压力水柱，m.

水温计为20 ℃，水的气化压力水柱hv=0.24 m，当地海拨∇=1 984.194 m，根据以上公式计算，水流空化数计算值均大于0.3，因此，溢洪道消力池水流发生空化的可能性较小.

4 物理模型试验

通过水工模型试验，模拟溢洪道在各水位工况下，消能池水力特性，观测消力池流态及消能情况，检验消力池长度、深度等，检验消力池消能效果.模型范围为上游水库、引渠段、控制段、泄槽段、消能段及出口护坦段.

4.1 模型设计及试验量测

该物理试验模型由上游水库、溢洪道、消能工及下游河道组成.上游水库地形用混凝土砂浆抹面制作，按相似性要求并考虑到便于观测和模型修改，溢洪道引渠段用水泥砂浆抹面，控制段及以后整条溢洪道，包括消力池均用有机玻璃加工制作，尺寸严格控制在允许的误差范围之内.消力池出口后护坦用水泥砂浆抹面，下游河道按河道原断面敷设制作.试验模型采用整体正态模型，模型几何比尺为1∶25，按重力相似准则设计，并满足阻力相似要求.模型上游设置1座量水堰以控制流量.

试验的量测：库水位、下游水位、堰上水头用精度为0.1 mm的水位测针测量.流道上的时均动水压强用橡胶管、玻璃管制作的测压管测量.流速用长江科学院研制的LS-401D型直读式流速仪测量.水面线用钢板尺量测.模型流量由上游无侧收缩矩形薄壁量水堰控制，小流量时采用三角形薄壁堰.模型量水堰流量计算公式均按《水工(常规)模型试验规程》(SL155—2012)中的公式计算.

4.2 传统底流消能试验结果

溢洪道在消能防冲下泄流量Q=14.8 m3/s时，溢洪道消力池水流空化数0.45，消力池消能主要位于消力池中部，形成相对稳定的消能水体，消力池消能效果较好，不会产生“远驱式”水跃.但是当消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s，洪道消力池水流空化数0.41，空化数均大于0.30，溢洪道消力池水流发生空化的可能性较小，传统底流消能水力特性见图2.

图2 传统底流消消力池流态与流速

消力池水跃跃前断面大致位于桩号溢0+174.177处，水深0.31 m，最大流速24.20 m/s；桩号溢0+186.177处，水深3.48 m，临底流速18.05 m/s，水表面流速4.90 m/s；桩号溢0+193.177处，水深4.21 m，临底流速16.10 m/s，水表面流速5.10 m/s；桩号溢0+200.177处，水深5.36 m，临底流速12.50 m/s，水表面流速5.48 m/s；消力池尾坎坎顶桩号溢0+201.177处，水深3.38 m，临底流速2.50 m/s，水表面流速5.61 m/s.消力池水面波动剧烈，水面流速逐渐增大，临底流速逐渐减少.消力池的临底流速最大值为24.20 m/s，影响消力池水体的稳定性和底板抗冲刷能力.水流进入消力池后产生一定程度的远驱式水跃，消力池消能主要位于消力池后部，消力池后部及出口水面壅高较大，且波动剧烈，消力池消能水体不够，没有形成相对稳定的消能水体，水流出池后水面跌落较大，消力池消能效果不佳，需要增加消力池长度.

4.3 跌坎型底流消能试验结果

为了增加消能水体、入池水流能量的扩散和降低消力池内水流临底流速，溢洪道消力池起始收缩水深断面从溢0+174.177向上游前移5 m至溢0+169.177，在溢0+186.177断面处底板设置1 m的垂直跌坎，消力池底板高程由1 984.193 m调整至1 983.693 m.泄槽反弧段和消力池的边墙平面布置及体型、消力池池末出口桩号不作调整，形成底流消能改进新型消能.溢洪道的消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s时，溢洪道消力池水流空化数0.44，跌坎型底流消能水力特性见图3.

消力池水跃跃前断面大致位于桩号溢0+169.177处，水深0.30 m，最大流速ve=23.00 m/s；桩号溢0+186.177处，水深4.76 m，临底流速16.62 m/s，水表面流速vs=4.90 m/s；桩号溢0+193.177处，水深6.18 m，临底流速8.65 m/s，水表面流速4.26 m/s，桩号溢0+200.177处，水深6.02 m，临底流速8.01 m/s，水表面流速3.95 m/s；消力池尾坎坎顶桩号溢0+201.177处，水深3.12 m，临底流速2.10 m/s，水表面流速5.12 m/s.水面流速先增加后减少，临底流速逐渐减少.消力池前段临底流速较底流消能得到大幅度降低，池内水流扩散充分，剪切明显，消力池后段形成了稳定的水体，消能效果良好，出水渠内水流流态得到改善，下游河道流态平稳，池内流态未受下游河道水深影响，消力池长度是合适的.

图3 跌坎型底流消能水力特性

4.4 两种底流消能水力特性对比分析

根据以上水力特性试验成果，溢洪道的消力池在校核洪水下泄流量29.5 m3/s时，传统底流消能和跌坎型底流消能水力特性对比见表1，表中hmax为最大水跃.

表1 传统底流消能和跌坎型底流消能水力特性对比

从表1可以看出，传统底流消能水流空化数为0.41，跌坎型底流消能空化数为0.44，跌坎型底流消能空化数大于传统底流消能水流空化数，跌坎型底流消能相对不容易发生空蚀，可避免消力池空蚀破坏.传统底流消能最大水跃位置桩号溢0+201.177，最大水跃5.36 m，跌坎型底流消能最大水跃位置桩号溢0+193.177，最大水跃6.18 m，跌坎型底流消能最大水跃相对于传统底流消能水深高0.82 m，设计时消力池边墙需相应加高，但是最大水跃位置向前移动7.00 m，可以减少消力池长度，水流不会冲击底板和尾坎，水流垂直溅起，消力池内流态稳定，雾化影响较小.传统底流消能临底最大流速18.05 m/s，水表面流速5.48 m/s，跌坎型底流消能临底最大流速16.62 m/s，水表面流速5.12 m/s，跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m,临底最大流速和水表面流速小于传统底流消能临底最大流速和水表面流速，跌坎型底流消能相对难以对消力池产生冲刷破坏.总之跌坎型底流消能效率高，可避免消力池空蚀破坏和冲刷破坏，具有适应性强、消能效率高、流态稳定等优点.

5 结 论

1) 传统底流消能在消能防冲的下泄消能流量时，消力池消能主要位于消力池中部，形成相对稳定的消能水体，消力池消能效果较好，不会产生“远驱式”水跃.但是当消力池在校核洪水下泄流量时，底流消能水流进入消力池后产生一定程度的远驱式水跃，消力池消能主要位于消力池后部，消力池后部及出口水面壅高较大，且波动剧烈，没有形成相对稳定的消能水体，消力池消能效果不佳，需要增加消力池长度.

2) 跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m，水面流速先增加后减小，临底流速逐渐减小.消力池前段临底流速较底流消能得到大幅度降低，池内水流扩散充分，剪切明显，消力池后段形成了稳定的水体，消能效果良好，出水渠内水流流态得到改善.下游河道流态平稳，池内流态未受下游河道水深影响，消力池长度是合适的.

3) 跌坎型底流消能水流不会冲击底板和尾坎，水流垂直溅起，雾化影响较小，可能避免消力池空蚀破坏和冲刷破坏，其具有适应性强、消能效率高、流态稳定等优点.