泄洪洞突扩式跌坎底流消能研究与应用

张华群，邱 勇，胡朝英,阮合春

(云南农业大学水利学院， 云南 昆明 650201)

坝口河水库总库容1375.20万m3，正常蓄水位1605.00m；设计洪水位(P=2%)1606.93m(主汛期)，溢洪洞下泄流量59.80m3/s，泄洪洞下泄流量57.20m3/s；校核洪水位(P=0.1%)1608.78m，溢洪洞下泄流量118.20m3/s，泄洪洞下泄流量58.20m3/s。下游消能防冲洪水标准为30年一遇(P=3.33%)，溢洪洞相应下泄流量57.00m3/s，泄洪洞下泄流量57.10m3/s。

水库枢纽工程包括沥青混凝土心墙风化料坝、溢洪洞及(导流)泄洪隧洞、输水隧洞。

1 原设计方案及存在的问题

1.1 底流消能设计方案

泄洪洞为导流洞改建而成，位于左坝肩，总长489.404m(平距)，包括进口段、龙抬头段、检修闸室段、有压段、工作闸室段、出口消能段。其中工作闸室段(0+421.404～0+441.404)位于出口，长20.00m，底板高程1551.578m；上游侧设置5.00m长圆变方压坡段(由直径2.40m圆形断面渐变为2.00m×2.00m的矩形断面)；下游侧为底坡i=1∶5.0、长度21.00m的扩散段(宽度由2.00m渐变为6.00m，扩散角5.44°)，泄槽扩散段与闸室段以折坡直接相连；泄洪洞出口采用底流消能，消力池长度26.00m，宽度6.00m，深度1.60m，底板高程1547.378m。消力池出口和河道呈正交，如图1所示。

图1 原设计方案消力池平面布置图

水库泄洪以溢洪洞(出口位于泄洪洞下游河段30m位置)为主，当水库下泄洪水达到或超过30年一遇洪水时，泄洪洞闸门全部开启，参与泄洪。

1.2 底流消能存在的主要问题

根据水工模型试验研究，泄洪洞泄流能力大于原设计取用值，增幅达12.6%～13.5%，客观上加大了泄洪洞出口消力池的消能压力。

30年一遇消能防冲洪水下，泄洪洞工作闸后折坡下游底板出现较大负压。尽管泄槽扩散段均未见水流脱离边壁现象，但纵坡变化致使主流集中于轴线中部。里程0+446.000附近，横断面水深分布呈明显的“凸”形，左侧边墙处水深1.20m、轴线位置处水深2.10m、右侧边墙处水深0.90m；靠近消力池进口(里程0+457.000)附近，横断面水深分布才逐渐趋于均匀，左侧边墙处水深0.90m，轴线位置处水深1.00m，右侧边墙处水深0.90m。

下泄水流能量相对集中，消力池内未能形成有效淹没，如图2所示，远驱式水跃跃前断面位于里程0+472.500附近，水深0.71m，流速15.02m/s；出池水流呈挑射状进入下游河床，出挑水流落点距离出口断面(里程0+489.404)9.00m左右(下游河道水深3.00m)。出池水流直冲河床对岸，消力池轴线右侧形成较大的漩涡状回流，左侧水流沿对岸山坡坡面斜向下游河道方向流动，进一步加剧了同样紊乱的溢洪洞消力池出流流态，使得下游河段水流呈大幅Z形摆动。

图2 原设计方案底流消能(P=3.33%)

考虑到泄洪洞出口消力池不能形成有效的淹没水跃，出池水流呈急速进入下游河道，流态极为紊乱，需要对消力池体型进行优化。

文献[1]～[4]针对矩形等宽小底坡泄槽跌扩式消能工的水力特性进行了试验研究，但未涉及泄洪洞出口闸后设置扩散式泄槽的突扩跌坎底流消能。

2 突扩式跌坎底流消能设计

2.1 闸后体型优化设计

针对原设计方案存在的问题，在多次试验研究基础上，对泄洪洞出口消力池体型优化。维持消力池出口里程位置不变、宽度(6.00m)不变，长度由原来的26.00m向上游方向增大到30.00m，底板高程降低1.00m到1546.378m，出口设置高度0.90m的尾坎(消力池池深由1.60m加大到3.50m)；在闸后原折坡位置设置半径10.00m的圆弧和下游1∶5泄槽扩散段连接。扩散段角度减小至3.37°(扩散段出口宽度由6.00m调整为4.00m)，形成跌坎深度2.60m，消力池两侧边墙均突然扩大1.00m的突扩式跌坎底流消能如图3所示。

图3 优化方案消力池体型图

2.2 闸后泄槽水流流态

泄洪洞体型优化后，泄槽扩散段水流流态有一定改善，横断面水深分布不均匀程度减轻(30年一遇消能防冲洪水下，里程0+447.000附近，横断面水深分布仍然呈“凸”形，左侧边墙1.20m、轴线位置1.95m、右侧边墙0.90m；里程0+455.000附近，横断面水深分布趋于均匀，左侧边墙1.20m，轴线位置1.05m，右侧边墙1.20m)，入池水流能够形成淹没水跃如图4所示。

根据试验测试，得到闸后泄槽扩散段(原底板折坡下游)测点断面水力特性见表1。

图4 优化方案底流消能(P=3.33%)

方案里程/(km+m)压力/m流速/(m/s)空穴数备注原设计方案0+441.992-2.5817.600.37P=0.1%(Q=66.04m3/s)-2.4017.270.39P=2%(Q=64.43m3/s)-2.4016.810.41P=3.33%(Q=64.34m3/s)优化方案0+443.365-0.5417.270.52P=0.1%(Q=66.04m3/s)-0.4816.780.55P=2%(Q=64.43m3/s)-0.4516.580.56P=3.33%(Q=64.34m3/s)

表3 优化方案消力池水跃特性

从表1可以看出：体型优化后，闸后原折坡下游泄槽底板压力上升明显，尽管水流流速变化不大，但发生空蚀破坏的可能性已显著降低。

2.3 消力池水流流态[1- 4]

图5所示为优化方案消力池水流结构分区，由图5(a)可知：立面上入池水流呈淹没射流状，消力池首端水流上下分层明显，主流下部为底部涡流旋滚区(射流冲击区上游侧)，并且紊动强度不大，各工况情况下消力池进口(里程0+459.904)附近临底流速均明显小于冲击区临底流速见表2。入射水流沿泄槽底坡方向在消力池底板形成明显的冲击区，主流受底板约束，流线发生偏转，水流转向；同时在上部回淹水流的撞击下，形成若干涡体，和回淹水流卷入的空气充分混掺，动能通过热能转化的方式得以耗散，水流流速衰减明显。附壁射流区水流流速沿程减小，主流向表面跃起，形成尺度较大但强度不高的表面水流紊动。

表2 优化方案消力池临底流速 单位：m/s

由图5(b)可知：平面上入射水流位于轴线附近，流速大。由于射流卷吸作用，在主流两侧形成强烈的反向回流。主流和反向回流之间存在明显的分界，交界面水体不断碰撞、摩擦，在大梯度剪切作用下，水体动能得到进一步消除或减小。

图5 优化方案消力池水流结构分区

2.4 优化方案消能率

方案优化后，消力池内能够形成淹没水跃，出池水流较为平顺(30年一遇消能防冲洪水下，消力池底板进口至出口临底流速依次下降为10.52、7.38、4.33、1.13m/s)，下泄水流消能率能够满足设计要求见表3。

坝口河水库泄洪洞下泄30年一遇及以上标准的洪水时，流量差别不大，故优化后的消力池体型消能率较为接近，均超过70%。说明突扩式跌坎底流消能能够充分实现入池水体互相撞击、掺混，通过摩擦和剪切作用消除高水头泄水建筑物所具有的泄洪功率。

2.5 消力池出口水流流态

30年一遇消能防冲洪水情况下，消力池后坎顶水深3.10m，尽管出池水流呈跌落状，但下游河道水位高于尾坎，受回淹作用，过坎水流竖向收缩并不明显。由于出池水流紊动现象减轻，水流直冲对岸山坡现象有所减弱，河道在泄槽轴线右侧漩涡状回流明显减小，左侧水流较为平稳。

尽管消力池出口底板高于河床，出坎水流呈跌落状进入河道，但水跌落点位置水流流速不大：30年一遇消能防冲洪水情况下，水股落点距离出口4.80m左右(流速3.06m/s)；设计洪水情况下(P=2%)，出池水流较为平稳，出坎水流落点距离出口5.10m左右(流速3.47m/s)；校核洪水情况下(P=0.1%)，出池水流相对平稳，出坎水流落点距离出口6.30m左右(流速3.86m/s)。泄洪洞出口下游河段水流平顺，未见对泄洪洞下游侧溢洪洞出流产生不利影响。

3 结语

研究表明，突扩式跌坎底流消能在传统的水跃消能基础上，一方面通过跌坎形成的消力池内水垫和入池水流的撞击，消除水体所具有的功率；另外一方面通过突扩边墙增加入池水流和主流两侧反向水体的摩擦和剪切，消减下泄水体动能，能够很好地适应泄洪洞出口扩散式泄槽布置。此外，为改善扩散式泄槽段水流流态，其扩散角可考虑控制在3°以内(出流流速增大，扩散角适当减小)。

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