跌坎消力池振荡水跃优化研究

秦宏飞 候艳萍

【摘  要】论文采用模型试验的方法，探究解决跌坎型消力池在大单宽、低弗劳德数引起的振荡型水跃问题，首先对跌坎型消力池进行了局部体型优化，结果表明无法完全消除消力池内大幅度振荡和波动。随后，尝试改变入池条件，加设收缩墩，试验表明，池内呈现出稳定的三元射流和明显底流水跃混合流态，池内振荡和波动消除，且出池流速降低，消能率明显提高。

【Abstract】In this paper， the model test method is used to solve the problem of the oscillating hydraulic jump caused by the large single-width and low-Froude number in the stilling basins with step-down floor. Firstly， the paper has carried on the local body type optimization to the stilling basins with step-down floor， the results show that the oscillations and fluctuations in the stilling basins cannot be completely eliminated. Subsequently， the experiment tried to change the conditions of entering the pool by adding a contraction pier. The experiment showed that the pool presented a stable mixed flow pattern of ternary jet and obvious bottom water jump， the oscillations and fluctuations in the pool were eliminated， and the flow rate of leaving the pool decreased， and the energy dissipation rate increased obviously.

【关键词】跌坎;低弗劳德数;振荡;收缩墩

【Keywords】step-down floor; low-Froude number; oscillations; contraction bier

【中图分类号】TV131.61                                 【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）08-0181-02

1 引言

随着高坝的飞速发展建设，单一、传统的泄洪消能方式[1，2]已不能满足相应的要求，为了提高泄洪消能效率，则需要研究新型消能工[3，4]。本文针对来流条件[5，6]为大单宽，低Fr引起的跌坎消力池池内水流发生的振荡和波动问题，计划通过模型试验方法，研究分析跌坎型消力池内流态发生的振荡和波动的原因，优化并改善池内流态，提高消能率的方法，为相似水利工程提供解决问题的新思路。

2 跌坎消力池

跌坎型消力池试验研究过程中发现，在地质环境与水工建筑物布置受约束条件下，不能加宽、加长消力池，低Fr，大单宽引起的振荡问题较为突出。

为解决消力池池内振蕩和波动问题，文章在消力池池长与池宽不能改变的条件下，第一次试验出发点为改变水流入池方式，拟通过挑流达到减弱或消除池内振荡和波动问题，将连接直线段修改为抛物线接反弧曲线体型，但试验结果表明，无法消除和减弱该问题，反而，挑流会进一步导致池内大幅度振荡和波动问题加剧。随后，对跌坎深度进行了变化修改，试验结果表明，池内振荡和波动问题仍不能得到改善。

随后试验小组通过改变入池水流条件，增大Fr的思路，在出口位置增加矩形收缩墩，同时，下游不设尾坎，使入池水流收缩扩散，初步试验后，发现该试验效果明显，为可行方案，为选取最佳方案，随后进行了多组对比试验。

试验设定上游流量Q=42.71L/s，跌坎消力池跌坎深度d=8.75cm，下游相对水位为39.4～28.9cm。现选取下游相对水位为37.6cm，在收缩比ε=0.55、0.49和0.45及无收缩墩的条件下，进行模型试验分析比对。具体试验组次见表1。

3 水力特性

3.1 流态特征

ε=0.49时，池内水流为略淹没射流流态，池内形成明显底流消能与射流扩散混合状态，池内大幅度振荡消失，同时，池内水面波动较小，出池水流较为平稳。

在相同来流量、下游水位的条件下，水跃发生位置会随着收缩比的不同，而有所不同。收缩比增大时，水流纵向爬升高度减小，近似与减小了跃前水深，跃前与跃后水深失去了共轭关系，水跃跃首向消池首位置移动，当跃后水深逐渐至水跃共轭水深时，水跃位置趋于稳定。同理，当收缩比为减小时，跃首向池尾方向移动。

3.2 消能率

在对不同条件下消能工消能率计算断面的选择中，选择距消力池池首向上90cm断面处为来流断面，消力池尾断面为下游进行计算，计算时水面高程均为以消力池底板为基准的相对高程。计算结果如表2所示。

从表2中可知，收缩比为0.55、0.49和0.45与无收缩墩时，对应条件下消能率分别为56.8%、61.6%、55.7%和55.3%，在增加收缩墩后，消力池效能率明显提高，特别是在收缩比为0.49时，消力池池内消能率最高。

4 结论

①收缩墩对消力池内水流流态有明显的影响，加设矩形收缩墩后，水流入池后收缩扩散，池内形成稳定的扩散射流和底流旋滚，消除了池内振荡和波动。

②在同一来流量和同一下游水位条件下，当收缩比变小时，跃首向下游移动。同理，当收缩比为增大时，跃首向池首方向移动。

③加设收缩墩后，池内水跃由震荡水跃改变为较为稳定水跃，且消能率高。

【参考文献】

【1】李建中.水力学[M].陕西：陕西科学技术出版社，2002.

【2】刘沛清.现代坝工消能防冲原理[M].北京：科学出版社，2010.

【3】肖兴斌.高坝泄水建筑物泄洪消能的新发展[J].东北水利水电，1995（3）：41-45.

【4】牛争鸣，余聪，李奇龙，等.淹没射流与水平旋流梯级内消能工的水力特性[J].水力发电学报，2018，37（12）：65-74.

【5】王海龙，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.

【6】郭开开.收缩扩散与底流复合消力池的试验研究与数值模拟[D].西安：西安理工大学，2014.