表底孔与消力池联合消能水力学研究（陈端,韩继斌,周赤）

摘要: 通过某工程的水工实体模型试验，对枢纽消力池尾坎采用二元连续坎以及差动坎进行了对比研究，并根据试验成果，拟合分析了基于表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的强迫水跃长度公式。联合消能工的消能机理主要是利用宽尾墩本身在堰顶产生的多股收缩射流在消力池水垫内的相互碰击来加强水流内部的紊动剪切和掺混作用，使过堰水流的动能更多地转换为热能和势能，从而消杀泄洪能量。其成果可供相关工程设计研究参考。

关 键 词: 宽尾墩;底孔挑流;消力池;水跃长度;尾坎形式

中图分类号: TV135.2+ 1 文献标识码: A

1 概述

表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能形式在国内水利工程上多有成功运用，如湖南五强溪等水利枢纽。其主要特点是布置紧凑，消能效果较好［1］ 。该联合消能工的消能机理主要是利用宽尾墩本身在堰顶产生的多股收缩射流在消力池水垫内的相互碰击来加强水流内部的紊动剪切和掺混作用，使过堰水流的动能更多地转换为热能和势能，从而消杀泄洪能量。对于该种消能形式，国内已有较成熟的理论研究成果，并提出了附加动量水跃理论［2］ ，该理论认为宽尾墩三元水跃较之常规的二元强迫（或自由）水跃，能使水流内部的紊动剪切和掺混作用更为剧烈，形成常规平尾墩消力池所不可能有的附加消能，进入消力池的水流在水平向的有效动量被大幅度削减，从而使得水跃的第二共轭水深显著降低，跃长大为缩短，消能率大幅度提高。

本论文在上述研究成果基础上，通过某工程的模型实测资料，分析表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的消能效果以及强迫水跃长度，并对该消能形式下的二元连续坎以及齿形差动坎的消力池尾坎形式进行对比研究。

2 某工程简介

某工程泄水建筑物采用5表孔4底孔集中坝身泄洪，消能型式采用表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能。模型泄洪见图1（略）。

3 水跃长度研究

在消能工的设计中，确定消力池的长度至关重要，而消力池长度的合理性与水跃的长度密切相关。表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工运用时，窄而高的表孔三元收缩射流受重力和离心力的影响，在反弧段急剧坦化、扩散。相邻孔之间扩散水流在消力池内彼此交汇，相互碰撞，水流紊动剧烈，形成与一般平底二元水跃不同的三元水跃［3］ 。而底孔挑流水舌在消力池的前部注入宽尾墩三元水跃的跃首后，与表孔水跃的紊动水流相互掺混，使水跃的旋涡更为破碎，紊动剪切作用大大增强，掺气更加充分。池内水体几乎全部为白色掺气水体。

对于该种消能工形成的强迫水跃的长度，理论计算上难度较大，且由于计算中假设情况较多，使得计算结果与实际情况相差较远，影响消力池长度的确定。通过水工实体模型试验数据来分析该联合消能工的水跃长度是目前较为实际和可行的方法。本研究通过断面模型和整体模型相结合的方法，并根据下述准则（表1），通过试验数据综合分析水跃长度。

根据模型观测的强迫水跃长度，并通过水力学计算来分析某工程表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的消力池池长及消能效果，结果见表2。表中h1 的计算是取宽尾墩及底孔水流单宽流量在反弧末端的平均水深;h2 为相应跃后水深;自由水跃长度L1 按欧勒弗托斯基经验公式L=6.9（h2 -h1 ）［3］ 估算;水跃长度L2 为模型实测水跃长度。水跃消能系数Kj［4］ 按相应公式计算。

从表2看出，各试验工况水流跃前Fr 在6～11之间，水跃形式为稳定水跃，消能系数为58.5%～75.5%，消能率较高。为便于分析，将试验水跃长度L2 和跃后水深h2 及收缩断面水深h1 的关系进行直线拟合，见图2及图3（略）。

从图2及图3中看出，表、底联泄工况的数据点基本落在拟合直线上。根据试验成果及前人分析理论成果，建议计算宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的强迫水跃长度L的公式如下:

L=2.93h2 （1）

L=3.33（h2 -h1 ） （2）

将公式（2）与欧勒弗托斯基经验公式L=6.9（h2 -h1 ）对比后发现，表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的强迫水跃跃长约为自由水跃跃长的48%左右，也即消力池缩短了约50%。

4 消力池尾坎形式研究

本次研究对二元连续坎和差动坎两种消力池尾坎形式的消能效果进行了对比研究。差动坎是在连续坎研究成果的基础上，借鉴美国垦务局的USBRⅡ消力池［5］ 的型式进行设计的，该方案已经被设计采用，差动坎形式见图4（略）。

从流态上看，连续坎与差动坎方案无本质的区别，在各级试验工况下，消力池内均能形成完整淹没水跃，水面线在尾坎前有一段近似水平线，水流出池后有较明显的水面跌落。相对于连续坎方案，差动坎有较明显的分流作用，使得池内水面高程降低，尾坎前后水流衔接平顺，出池后水面跌落较小。工况1出池水面落差较连续坎减小了约3m。

从压力和流速分布来看，两个方案区别不大，消力池底板压力变化平顺，趋势与水面线基本一致，无明显的冲击压力。各级泄洪工况尾坎时均压力基本呈静水压力分布规律。与连续坎方案相比，差动坎方案在同一工况下，河床中心的流速有所增大，河床左岸临坡处的底部流速明显降低。以工况2为例，连续坎方案左岸邻坡底部流速在0+213.5m断面处为4.59m/s，差动坎方案相应位置流速为2.46m/s。

从下游河床冲刷来看，各级试验工况下，连续坎方案下游冲刷均呈现左边较深、中间及右边较浅的特征。水流出尾坎后由于底部漩滚，产生了床料回卷，使得在各级泄洪工况下，尾坎后的海漫上均有不同程度的淤沙，但未见沙砾进池。与连续坎方案相比，差动坎方案下游冲刷总的形态并未发生实质性的改变，但在各级泄洪工况下冲深均有所减轻，大流量泄流时效果更为明显。工况1时，差动坎方案左岸岸坡处冲深较连续坎方案减轻了6.2m，冲深范围相应减小，同时，河床中部和右岸的冲刷也有不同程度的减轻，淤积高程也相应降低。而且坎后未产生床料回卷，海漫上无淤沙。

通过上述研究分析以及两个方案主要泄洪指标的比较（见表3），表明在不改变泄洪消能总格局的前提下，采用差动坎方案减轻了尾坎后的波浪和下游冲刷，消除了床料回卷现象。

5 结语

（1）通过试验数据分析，表孔宽尾墩—底孔挑流—消力池联合消能工的强迫水跃跃长比自由水跃跃长缩短了约50%，消能效果较好。

（2）通过对消力池尾坎进行连续坎和差动坎的对比试验，表明在不改变泄洪消能总格局的前提下，采用差动坎方案减轻了尾坎后的波浪和下游冲刷，消除了床料回卷现象，建议类似工程在采用联合泄能方式时消力池尾坎可采用差动坎形式。

参考文献:

［1］ 童显武，李桂芬.高水头泄水建筑物收缩式消能工.北京:中国农业科技出版社，2000，4.

［2］ 张宗孝，牛争鸣.用附加动量理论分析齿墩与消力池联合消能机理.长江科学院院报，2001，18（2）.

［3］ 李家星，陈立德.水力学.南京:河海大学出版社，1996，6.

［4］ C.M.斯里斯基［苏］著，毛世民，杨立信译.高水头水工建筑物的水力计算.北京:水利电力出版社，1984，3.

［5］ VenTe Chow.Open-channel Hydraulics.McGraw-Hill Book Company，Ing.New York Toronto London，1959.

作者简介: 陈 端，男，长江水利委员会长江科学院水工所，工程师，硕士。