某工程溢洪道消力池体型研究

曾贝佳

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆，401120)

1 工程概况

某水库工程属Ⅲ等(中型)工程，主要由枢纽工程、补水工程和灌区工程组成。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、连通明渠、连通放空(导流)隧洞、左右干渠取水隧洞等建筑物组成。水库正常蓄水位690.00m，校核洪水位691.16m，校核洪水269m3/s。

拦河坝为粘土心墙石渣坝，溢洪道布置于左坝肩，采用岸边开敞式溢洪道形式，孔口尺寸9.0m×6.0m(宽×高)，溢洪道长457.02m。溢洪道主要由进水渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠段等组成。溢洪道进水渠长100.0m，由长70.0m的直段和长30.0m的渐变段组成，底板高程684.00m，顶高程692.00m。直段右侧为开敞式进口，根据底板高程水平开挖；左岸为护坡结构，边坡1∶1.5。控制段采用有闸宽顶堰，顺水流方向长18.0m。泄槽段水平总长188.95m，为矩形断面，宽9.0m，坡度1∶20泄槽长100.0m，坡度1∶2.5泄槽长66.45m，两坡间设长22.5m的底坡圆弧衔接段。

消能段采用底流消力池消能，底板高程647.50m，消力池长50.0m，宽9.0m，设计体型尾坎高6.0m。出水渠长95.07m，由长55.07m的转弯段和长40.0m的直段组成，底宽9.0m，进口底板高程650.00m，底坡1∶500。消力池具体布置如图1所示，图中s表示尾坎高度，设计体型为6.0m。

图1 消力池布置

2 设计体型试验

图2为不同工况下消力池及池后河道水流流态图，设计体型(消力池尾坎高度s=6.0m)消力池段内发生淹没式水跃，消能效果较好，消力池后半部分水流比较轻顺，出池水流流态已经调整得比较良好。但是消力池尾坎较高，这一方面使得池内水深较高，消力池边墙也相应增高，一定程度上增大了工程量；另一方面也使得水流出池后势能再次转化为动能，二次跌落非常明显，试验测得(相关试验结果如表1所示)正常工况下尾坎顶部水流跌落下游河道后水流流速达到10.15m/s，而校核工况也达到了10.78m/s，这将对河道造成比较大的冲刷。另外，出水渠段水流状态良好，流态平顺，无不良水力现象。

图2 不同工况消力池及下游河道水流流态

表1 不同工况时消力池及下游河道各水力参数

3 消力池尾坎高度研究

不同尾坎高度时消力池及下游河道水流流态如图3所示，可以看到当尾坎高度s≤4.5m时，池内发生远驱式水跃，出池水流依然携带有比较大的动能，消力池消能作用不充分；而当s=5.0m时，池内发生淹没式水跃。

图3 不同尾坎高度时消力池及下游河道水流流态

正常工况下不同体型消力池及下游河道水力参数分布及对比如图4所示(图中虚线表示消力池范围)，可以看到，各体系消力池及下游河道各水力参数分布规律基本一致。底板压强在池首位置受水流方向突然变化而冲击消力池底板使得动能部分转化为压能从而使其突然增大，其后池内压强迅速减小后又逐渐增大，这主要是由于池内发生水跃沿程水深逐渐增大(如图4(b)所示)所致，各体型底板压强及水深均在消力池池尾达到最大，并均在池后迅速减小并趋于平稳。消力池内水深及压强基本随着尾坎高度的增大而增大，这一方面有利于消力池内形成完整、稳定的水跃，但是当尾坎高度达到某一极值后继续增大尾坎高度将使得池内水深过高从而增大工程量；同时池内被大幅壅高的水位与下游河道形成过高的水位差，水流出池后形成二次跌落，流速再次增大，从而不利于下游河道的抗冲。

图4(c)为消力池及下游河道临底流速沿程分布，可以看到，高速水流进入消力池后流速迅速减小并在池末位置达到最小值，当s≤4.0m时水流出池后流速依然继续减小，但是其减小幅度已经相对较小；而当s≥4.5m后出池水流流速又进一步增大，这与典型的消力池水跃流速分布相似，即当s≥4.5m后消力池内基本已经实现了完整的水跃。但是由于s=4.5m时池内水跃尚不是非常稳定，近似为临界水跃，故而出池水流流速增大幅度相对较大；而对于s=6.0m的情况则是由于尾坎过高造成池内水深过大引起出池水流二次跌落所致。

图4(d)为出池断面位置各水力参数对比情况，可以看到该位置水深及压强随着尾坎高度变化不显著，但是流速差异较大，随着尾坎高度的增大，流速先增大直至s=5.0m时显著减小，而当s>5.0m后流速又迅速增大，即s=5.0m时兼顾了消力池消能以及下游河道的防冲，故而将s=5.0m作为消力池尾坎的最终推荐方案。

图4 不同体型水流水力参数分布及对比

4 结论

本文针对某工程溢洪道消力池设计体型尾坎过高造成出池水流二次跌落掏刷的问题，研究了不同高度的尾坎体型，通过分析不同体型对各水力参数的影响，得到了较优的尾坎高度，可以同时兼顾消力池消能以及下游河道的防冲，实现了出池水流与下游河道的良好衔接，实现了良好的消能防冲。优化过程中的思路以及需要考虑的影响因素，可以为类似工程提供借鉴参考。