有壓泄洪洞突擴突跌式非對稱消力池水力特性研究

劉要來 彭 勇 張永濤

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 430014；2.四川大學，四川 成都 610065)

水電站樞紐主要由擋水建筑物、泄洪排沙建筑物、引水發電系統、通航建筑物及灌溉取水口等組成，其中消力池水流流態的穩定在泄洪建筑物安全運行中非常關鍵。特別是對于水頭高、水位變幅大的一些高壩工程，如果消力池設計不當，會導致消力池發生嚴重的沖刷與空化空蝕。例如：安康水電站的消力池因為脈動水壓力的反復作用使得底板表面形成間隙，為此進行了四次維修處理；薩揚舒申斯克水電站與黃河鹽鍋峽水電站也出現過消力池嚴重破壞的事故。

消力池的流態和穩定性與其前端的連接形式有密切聯系。根據消力池前端連接的不同形式，消力池可分為矩形二元消力池、漸擴式消力池和突擴式消力池等，不同類型的消力池對應的水流特性也會有顯著的不同。尹則高等[1]研究了漸縮漸擴段形式的洞塞消能；彭城等[2]人研究了漸擴式折坡消力池的水力特性；張志昌等[3]對平底漸擴式消力池進行了研究；Kumar[4]對突擴消力池內水躍的水流結構進行了試驗研究；李杰[5]對跌坎型底流消力池的水力特性與結構優化進行了研究；李君寧等[6]研究了微淹沒圓形射流空化特性減壓特性。

大部分對消力池的研究是建立在對稱結構基礎上的，而對于非對稱消力池結構的研究還不多見。本文對非對稱的突擴突跌式消力池以及其前端的不同出口體型進行實驗研究，分析消力池內不同邊墻及底板處的水力特性，研究成果可為實際工程提供支持。

1 實驗方案設計

1.1 實驗簡介

本文重點研究了消力池前端四種不同連接形式對消力池內水力特性的影響。

1.2 體型設計參數

四種方案的具體設計參數見表1，設計方案見圖1、圖2。

表1 實驗設計方案體型參數

圖1 漸變式矩形出口設計 (單位：cm)

圖2 圓形出口設計 (單位：cm)

由圖1可知：T1是漸變式矩形出口，矩形漸變段長20m，從4m×6m(寬×高)到8m×2.5m(寬×高)漸變，頂部1∶5.714壓坡出口。由圖2可知：方案T2、T3、T4是在T1的基礎上把出口形狀統一換為等面積的方變圓出口，L1為方變圓段的長度，L2為等面積的圓管段長度，總共的出口長度為L，且L=L1+L2。由表1可知，四種方案的區別在于出口形狀、跌坎高度以及方變圓段的長度，下面從這三個方面分析不同變量下的消力池水力特性。

2 水力特性分析

2.1 出口形狀對消力池水力特性的影響

對比T1、T2的試驗數據可知：矩形出口的消力池由于采用的頂部壓坡方式，致使高速主流經過20m左右逐漸潛底，到達底板時的最大臨底流速位置距離跌坎30m左右，其后沿水深方向流速逐漸趨于均勻。但消力池內水流摻氣不充分，消能效果較差，而T1的消力池前2/3的長度范圍水流均強烈摻氣，水流摻混劇烈。相比于矩形出口，圓形出口的消力池尾坎處水面波動顯著減小，見圖3。

圖3 水面波動

T1、T2消力池底部流速分布見圖4。由圖4可知：矩形出口與消力池等寬連接，因此直邊墻與斜邊墻的流速沿程分布基本保持一致，均較大，最大值出現在出口附近直邊墻處,約36m/s。調整為方變圓加等截面圓管出口后，因出口段與消力池不等寬，為突擴式出口，流速會較原來的矩形出口顯著減小，最大臨底流速降為15.6m/s。T1結構下的出口段后20～70m范圍內臨底流速較大，均在20m/s以上，存在較大的沖刷風險，T2有效地降低了沿程的流速分布，避免了沖刷沖蝕的可能。

圖4 消力池底部流速分布

消力池水面流速分布見圖5。由圖5可知：T2的最大邊墻流速由T1的45.5m/s降至14.3m/s，且最大流速發生點向消力池后方推移了50m左右。直邊墻流速普遍大于斜邊流速,這是由于水流到達直邊墻附近沒有出現擴散趨勢，而斜邊墻處會隨著邊墻逐漸擴散，因此直邊墻流速較大。消力池后半段都出現流速逐漸減小是因為隨著沿程增加能量逐漸衰減，且直邊墻的流速衰減速率更快一些。

圖5 消力池水面流速分布

2.2 跌坎高度對消力池水力特性的影響

對比T2、T3方案，可以研究不同跌坎高度對消力池內水力特性的影響。實驗表明：T2、T3的流態基本相似，觀察T2、T3流態，混摻長度由消力池前2/3增加至3/4，水流均強烈摻氣，摻混劇烈，且在有壓出口四周大量摻氣，在出口與消力池底板和邊墻之間形成了一層高濃度摻氣水流，起到了有效減免過流壁面發生空蝕破壞的重要作用。

消力池底部流速分布見圖6。從圖6可知：當跌坎高度下降1.5m后，消力池臨底流速最大點由原來的直邊墻處轉移至中軸線處，最大值由15.6m/s降至14.1m/s，并且直邊墻、中軸線以及斜邊墻上的流速分布趨勢一致,最大值幾乎都發生在有壓出口30m附近的消力池橫斷面，而高跌坎時只有直邊墻的流速較大，中軸線與斜邊墻沿程流速值均較小，可能是當跌坎高度降低時，水流潛入消力池底部時的跌落勢能減小且沿四周散開得較均勻，不會對直邊墻有較大流速的沖撞，因此直邊墻與其他位置的流速分布較一致。消力池水面流速分布見圖7。由圖7可知：水面流速最大發生點依舊位于直邊墻上，由14.3m/s減小至12.5m/s，且位置前移了大約30m，這是因為跌坎高度的降低使得水流潛入點前移進而使直邊墻的沖刷流速點前移。此外發現斜邊墻流速相對于高跌坎斜體型的流速明顯降低，且沿程呈逐漸減小的趨勢，使邊墻的抗沖刷性有明顯提高。最大水面波動分布見圖8。由圖8可知：跌坎降低后消力池前半部分的水面波動均較大,均值為±3.2m左右，但整體趨勢均為沿程逐漸減小。

圖6 消力池底部流速分布

圖7 消力池水面流速分布

圖8 T2、T3最大水面波動

2.3 漸變段長度對消力池水力特性的影響

對比T3、T4方案，分析不同方變圓漸變段長度對消力池內水力特性的影響。

消力池的入池流態T3基本相似，觀察T3、T4流態，混摻長度由消力池前3/4縮短至2/3，但水流均強烈摻氣，摻混劇烈。相較于T3方案，T4方案有壓出口的淹沒度有輕微增加，消力池首部的水面波動略微增大，而消力池末端水面波動較小。

消力池底部流速分布見圖9。由圖9可知：T3、T4消力池底部流速分布趨勢基本一致，但增加漸變段長度后消力池臨底流速普遍降低，這是因為漸變段長度的增加使得淹沒度稍有增加進而臨底流速有所降低。最大臨底流速出現在直邊墻距離有壓出口43m左右值，且出現最大值的位置依次為斜邊墻、底板中軸線、直邊墻。T4相對于T3直邊墻有一個最大值的延后現象。從圖10可知：T4和T3的最大邊墻流速都出現在直邊墻，且最值從12.5m/s降至8.9m/s，這與淹沒度的增加有關，而斜邊墻流速分布幾乎沒有變化。由流態中的水面分析可知T3、T4的水面波動變化基本一致，但T4會較T3的消力池前端波動大些。

圖9 消力池底部流速分布

圖10 消力池水面流速分布

分析時均壓強可知：T3、T4工況有壓出口末端的壓強均為140kPa的正壓，因此，不會出現出口水流脫空的現象，且計算的T3有壓段出口的最小水流空化數為0.35，因此，漸變段及其下游有壓段光滑壁面不會出現空化。

3 結 語

本文對非對稱消力池的水力特性進行試驗研究，分別分析了有壓段出口形狀、跌坎高度和漸變段長度對消力池水力特性的影響，得出以下結論：

a.等面積的圓形出口較矩形出口能更加有效地降低消力池的臨底流速和邊墻流速，一定程度上可改善消力池底板與邊墻的空化特性。

b.跌坎高度從5.5m降至4.0m，消力池內的摻氣效果有所提升，摻氣長度有所增加，降低了消力池內空化空蝕的風險。底部流速普遍降低，且在直邊墻、中軸線以及斜邊墻上的分布較一致，最大值發生在距離有壓出口30m附近的同一個橫斷面上，合適的跌坎高度既能降低工程成本又能取得較好的工程效應。

c.漸變段的增加使得有壓段出口的淹沒度有所提高，消力池內底部最大流速降低約46.7%，水面最大流速降低約28.8%，適當地增加漸變段長度有利于消力池內的結構穩定，且有壓出口段均為正壓,漸變段與下游段不會出現空化現象。