基于低弗氏数水流下折坡渐扩式消力池的优化

白 欣，张宗孝，黄智文

(陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室， 陕西 西安 710048)

基于低弗氏数水流下折坡渐扩式消力池的优化

白 欣，张宗孝，黄智文

(陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室， 陕西 西安 710048)

底流消能中在遇坡度情况下通常采用折坡扩散型消力池，其消能效果较好，对地形适应性强，在同等水利条件下，需要的池深更小，更经济高效。折坡式消力池的优化及应用还存在难题，该体型在低弗氏数水流下的消能与具体工程的应用具有一定研究价值。本工程水流为低弗劳德数水流，通过模型试验，在不同工况下，对折坡扩散式消力池的水深、压强、消能率等水力特性做了研究，针对三种不同体型比较优化，最终得出加深消力池与在护坦加设消能墩的方式，其对下游水深的适应更好。

折坡扩散式；低弗氏数；消力池；底流消能；模型试验

低水头泄水建筑物的主要消能方式为面流消能和底流消能，其中底流消能是工程上通常采用的一种消能形式。底流消能是通过水跃使水流表面发生翻滚、掺气、混掺，从而与周围的水体产生动能和能量的交换、抵消，来消除余能。底流消能的效率与入流的弗劳德数Fr有关，当1.5

消能优化的思路通常以恒定流为依据，设计优化泄洪洞的体型和尺寸，加入辅助消能工等措施，同时考虑其安全性，在能满足其工程任务级安全性的前提下提高经济性，本文以模型试验为主体，以流态、流速、消能率，冲刷等指标进行对比，从而比选出相对最优的方案。

1 概 述

1.1 工程概况

辽宁清原下水库泄水建筑物采用岸边溢洪道和泄洪放空洞联合泄洪方式。溢洪道和泄洪洞均布置在右岸。下水库正常蓄水位为319.0 m，死水位为298.0 m，正常蓄水位以下库容1 564 万m3，调节库容1 443万m3，死库容121万m3。下水库200年一遇设计洪水洪峰流量570 m3/s，2000年一遇校核洪水洪峰流量1 056 m3/s。

溢洪道总长176 m，自上游向下游由进水渠、溢流堰、泄槽、消力池组成。溢洪道采用喇叭形进口，进水渠底板高程305 m，为改善水流条件，靠近溢流堰设40 m导墙。溢流堰段长22.5 m，采用WES实用堰，堰顶高程310 m。泄槽段长105.22 m，底坡28.8%。溢洪道出口采用底流消能，消力池底高程273.00 m，池深6 m，池宽8 m。

1.2 模型试验设计

根据模型试验任务要求，模型按重力相似准则设计，比尺为1∶50，根据相似准则，则模型中其他比尺如表1所示。局部动床模型，模型砂粒径根据兹巴什公式(k取5.5)计算，抗冲流速为2.0 m/s，试验冲刷料粒径约为1.6 mm～3.2 mm，中值粒径约为2.2 mm；为了观测冲刷坑的深度、范围，从溢洪道消力池下游护坦溢0+242.672断面和泄洪放空洞消力池下游护坦泄0+567.900断面开始，至下游距溢洪道溢0+242.672断面114.210 m，即溢0+356.88断面，动床的左边位于溢洪道轴线左边75 m，动床的右边位于溢洪道轴线右边80 m，动床范围为长114.21 m×宽155.0 m。动床深度约为15 m，最低点高程约为263.0 m[8]。

表1 模型试验各物理量比尺表

2 原方案消能实验成果及存在问题

小流量时，消力池流态为淹没水跃，随着库水位的增加，流量的增大，水跃跃首后移。至设计洪水位319.00 m时，水跃跃首已移至消力池池首溢0+127.720断面附近，校核洪水位319.96 m时出现远驱水跃，以上流态反映溢洪道消力池的尺度不足，溢洪道具体流态见图1。

图1原方案溢洪道消力池及护坦319.00 m水流流态

(Q=440.0 m3/s)

水流从消力池末端流入下游护坦，由于护坦过水断面突然扩大，加之消力池深度不足，消力池末端的水面增高，导致在护坦上产生较大的水面跌落。设计洪水位时，最大的水面跌落约5.5 m～6.5 m，之后水面波动较大，由于护坦较短，使得下游冲刷较为严重。目前消力池消能不足的改进方法较多，加深消力池、加设消能墩都是比较常用的方法[9-11]。针对上述问题，现从两个方面来解决上述问题：(1) 加深消力池，因护坦太短在护坦段加设消能墩以消除余能，平顺水流；(2) USBR Ⅱ型辅助消能工，消力池前段采用趾墩，尾端采用差动坎，加大水流掺气，达到消能。

3 修改方案试验结果

3.1 方案1

该方案为在消力池入口处布置分流趾墩的USBR Ⅱ变型消力池，池尾设差动坎，具体布置型式及尺寸见图2。消力池高程，池宽等不变。各种实验工况结果表明：消力池内加设趾墩使消力池的消流能力有所提高，但池内紊动加剧，水流回旋严重使池内冲刷加剧，对水工建筑物的使用寿命危害很大，且出池水流仍为急流衔接水面波浪较大。

图2方案USBR Ⅱ变型消力池尺寸图

3.2 方案2

该方案将消力池的底板高程降低2.0 m，变为271.0 m，池宽由原来的8.0 m变为10.0 m，护坦高程不变，仍为279.0 m，护坦长度由原来的30 m变为40 m长，后接40 m长干砌石海漫，再接21 m长防冲槽。小流量时，消力池流态为淹没度较大的淹没水跃，即折坡水跃。随着库水位的增加，流量的增大，水跃跃首后移。至设计洪水位319.00 m时，水跃跃首在消力池上游溢0+109.172断面和溢0+117.672断面摆动；校核洪水位319.96 m时水跃跃首在消力池上游溢0+108.672断面和溢0+122.172断面摆动。以上两个工况消力池均为淹没水跃，说明修改方案的消力池深度和宽度均能满足水跃消能要求。水跃跃首摆动较大，消力池水面波动较大。经计算，溢洪道消力池水跃跃首断面的弗劳德数Fr约在3.5～3.8之间变化，该弗劳德数为水力学里面定义的2.5

图3护坦上加设消能墩的体设计

4 各方案比较

4.1 水面线以对比

本次对比取扩散段，消力池和护坦部分进行对比。具体桩号如图4所示。图4中可清楚看出原方案属于远驱水跃，其在水利中属于工程不利水流，消能率较低；修改方案明显改善了这一水流状态，水跃逐渐向上游移动，但修改方案2的流态更优，消能率更高，对下游冲刷更小。其原因为方案2的消力池更大，利用率更高，对下游河道保护及防冲更有利。

图4各体型下池中水深及水面线比较

4.2 消能率级下游冲刷对比

消能率在消力池的优化中为主要优化参数，其大小往往决定着该方案的取舍，工程需多方面考究，决定在各条件下都较优的方案。在设计工况下对各方案与原方案比较，以消能率η，以及出池流速为标尺来进行比较。根据水力学教材可知η的计算公式如下[14-15]

η=(E1-E2)×100%

(1)

(2)

(3)

H1、H2、V1、V2为消力池上游和下游断面的相对高程和平均流速；α1、α2分别为上下游断面的流量系数，本次计算取1.0；出池流速取底，中，表，其结果如表2所示。

表2 各方案消能率及下游水力特性的比较

从表2中可以看出原方案的消力池消能率较低，优化后方案1虽然改善了消能率和出池流速但是不如方案2的效果好，理论上两种方案都是可行的，但是方案2的消能率最高，而且池内流态很好，护坦后底流不大，波浪较小。故本工程采用方案2。

5 结 论

高水头、低弗氏数泄洪建筑物在工程上是一个比较难以解决的问题，因本身消能率低，在工程实际上常常须借助各种辅助消能工来解决问题。辅助消能工主要依靠体型来产生小尺度漩涡，在局部发生混掺、紊动来使水流之间产生能量交换降低流速，从而保护下游河道、岸坡。目前国内外提出了许多辅助消能设施及方法，合理、灵活运用这些辅助消能建筑物对解决工程问题有很大帮助。

本次研究将消能墩置于护坦上，来解决底流消能中低水头、低弗氏数泄水建筑物的消能防冲，效果很好，而且避免了在池内修建消能墩、趾墩、分流墩时混入大颗粒泥沙对消力池内的破坏，以及小型涡旋对消力池的冲刷。本工程简单实用，为低弗氏数水流的消能提供了一种新思路，可供其他工程借鉴。

[1] 梁跃平，刘海凌，梁国亭.辅助消能工应用于低弗氏数水流消能的试验研究[J].华北水利水电学院学报(自然科学版)，2000，21(1)：13-16.

[2] 王海云，戴光清，杨 庆，等.低水头大单宽流量泄洪消能方式研究[J].水力发电，2006，32(8):25-26.

[3] 江 锋，苗隆德，王飞虎，等.低弗氏数T型墩消力池设计及消能研究[J].水利学报，1998(S1)：133-138.

[4] 王海龙，孙桂凯，徐伟章.低坎分流墩用于低弗氏数水流消能的试验研究[J].红水河，2003，22(2)：37-41.

[5] 孙保沭，王海龙.低坎分流墩消能工的优化研究[J].水力发电学报，2004，23(3)：93-97.

[6] 梁 砚，周 赤，段文刚.折坡扩散型消力池的水跃特性试验研究[J].长江科学院院报，2017，34(3)：53-57.

[7] 王冰洁，刘韩生.折坡扩散消力池水跃共轭水深计算方法及水跃长度消能率分析[J].水电能源科学，2014，32(8):108-111．

[8] 中华人民共和国水利部．水工(常规)模型试验规程：SL 155—2012[S]．北京：中国水利水电出版社，2012．

[9] 刘莲萍．不同墩形下低水头电站消能效果试验研究[J]．水利科技与经济，2015，21(9)：95-96．

[10] 沈 鑫．水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案试验研究[J]．水利与建筑工程学报，2015，13(4)：201-204．

[11] 陈卓英,倪培桐.低水头拦河闸重建工程消能工优化布置试验研究[J].水利与建筑工程学报,2017,15(2):49-54．

[12] 李梦成，童海鸿.低弗氏数底流消能辅助消能工模型试验分析[J].人民黄河,2011,33(9)：144-146.

[13] 花立峰．消力墩—T形墩一消能塘联合消能的试验研究[J]．水利水电工程设计，2004,23(1)：40-43．

[14] 李建中．水力学[M]．西安：陕西科学技术出版社，2002：385-388．

[15] 李建中，宁利中．高速水力学[M]．西安：西北工业大学出版社，1994：67-76.

OptimizationoftheSlopeExpandingStillingBasinUnderLowFroudeFlowCondition

BAI Xin, ZHANG Zongxiao, HUANG Zhiwen

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Bottom flow energy dissipation usually adopt folding diffusion model stilling basin when it come across slope, the energy dissipation effect of which is good and it also has the advantage of strong terrain adaptability, under the same water conservancy condition, the deep pool is smaller comparing to other energy dissipation, thus it is very efficient in terms of economy. However the optimization and application of slope stilling basin is still a remaining issue, the body design in the low Froude flow condition and specific engineering application is of great importance. In this paper, the project of low froude number flow was tested under different conditions, folded slope dispersive stilling basin water depth, pressure and energy dissipation of hydraulic characteristics were optimizaed based on three different sizes, and measures such as deepen stilling basin and adding apron energy dissipation piers in the manner were proposed which is better to the downstream water depth.

slopeexpansionlow;lowFroudenumber;stillingbasin;underflowenergydissipation;modeltest

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.038

2017-05-28

2017-06-23

白 欣(1991—)，男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事工程水力学工作。E-mail:894425138@qq.com

TV653

A

1672—1144(2017)05—0207—04