邢建营，杜嘉宇，王均星，李 双,

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003；2. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051；3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

在水利水电枢纽工程中，泄水建筑物是宣泄上游超过调蓄或承受能力的洪水以及泄放存水的水工建筑物，是保障水库安全和充分发挥工程效益的关键[1],其造价大约占总工程造价的40%～50%，故合理选择泄水建筑物及消能工型式，是关系到整个水利水电枢纽工程安全性与经济性的重要因素。

关于泄水建筑物和消能工体型对相关水力特性的影响，国内学者做了大量研究，取得了可观的成果。陆杨等[2]提出一种加设防挑盖板的T形墩消力池，在原方案基础上对T形墩支腿长度、墩形进行优化，提高了消能效率。冯亦佳等[3]发现布置T形墩且适当加高尾坎的方案能有效提高消力池消能率。王智娟等[4]对跌坎式底流消力池进行了分析研究，比较了跌坎高度、消力池深度等对跌坎式底流消力池水流结构的影响，优选了水力特征量相对较好的跌坎式消力池结构布置型式。

白水水库工程采用溢流表孔堰作为泄水建筑物，经水工模型试验验证，原设计消力池长度较小，消力池内水流流态差，不能满足正常运行要求，但下游受河道平直段较短及施工围堰、导流隧洞布置等因素影响，无法加长消力池，故拟采用在消力池内设置辅助消能工的方式来改善消力池消能效果。

本文针对白水水库溢流坝底流消力池原设计方案和跌坎+传统T形墩联合消能、跌坎+改良T形墩联合消能两种优化方案进行了水工模型试验，对比分析了3种特征工况下的流态、流速和消能率，为实际工程的设计优化提供了参考。

1 工程概况

白水水库位于北盘江右岸一级支流西泌河的上游段白水河上，正常蓄水位1 246.40 m，总库容1 353 万m3，多年平均总供水量为1 351.9 万m3。大坝为碾压混凝土重力坝，主要水工建筑物由挡水坝段、溢流坝段和引水坝段组成，坝顶高程1 248.00 m，坝顶长190 m，坝顶宽度5 m，最低建基面高程为1 198.00 m，最大坝高50.0 m。堰面下接贴坡式消力池，消力池规模为53.0×12.5 m(长×宽)，底板高程为1 198.00 m，两侧边墙坡度为1：0.4，消力池末端布置垂直高为7.5 m，宽为2 m的尾坎。白水水库溢流坝为中水头泄水建筑物，采用底流消力池消能，临底流速大，消能防冲问题突出。下游河道平直段较短，消力池后布置有导流隧洞出口，且施工围堰靠近消力池，无法加长消力池以满足设计要求。溢流坝平面布置图和剖面图见图1。

图1 溢流坝平面布置图和剖面图(单位：m)Fig.1 Layout and profile of the overflow dam

2 传统设计方案

2.1 模型设计

模型采用比尺为1∶30的水工整体正态模型，按重力相似准则[5]设计，参数比尺见表1。

表1 模型比尺Tab.1 Model scales

为保证来流及下游出流与原型的相似性，上游模拟范围为坝轴线上游100 m处，下游模拟范围为坝轴线下游140 m处。模型上游库区和下游河道采用断面板法制作，水泥砂浆抹面。溢流坝采用有机玻璃制作，消力池采用混凝土制作，水泥砂浆抹面。

本文分别对消能防冲、设计和校核3个特征工况进行了试验研究(消能防冲工况为闸门局开控泄)，消能防冲工况为常遇工况，该工况下水力特性对工程正常运行有重要意义，设计和校核工况为大流量工况，关系着工程的安全与稳定问题。试验工况如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

本文重点研究溢流坝段底流消力池消能防冲问题，为方便试验数据测量及分析，从溢流坝段溢流面底部开始，在消力池段布置9个测量断面(见图1)。

2.2 流 态

3个特征工况下，下泄水流在消力池内均形成淹没水跃，水跃跃前基本处于同一断面。消能防冲工况下，由于消力池为梯形消力池，水流进入消力池后出现侧向回流，在距尾坎3 m左右，主流开始上扬，产生明显的横轴旋滚，旋滚产生的回流涌向上游与消力池前部水跃衔接，部分主流形成较大的涌浪，涌向消力池两侧的1 210 m高程平台。由于尾坎处水面壅高较大，水流在尾坎后形成跌水，冲刷下游河道，并在尾坎下游坝下0+090.80 m至坝下0+121.80 m断面之间(尾坎下游0～31 m)间出现二次水跃。设计洪水工况和校核洪水工况下，水流在消力池尾部产生的涌浪较消能防冲工况更高，水流紊动更为剧烈，消力池内流态紊乱，出池流速仍保持较大值，二次水跃现象明显。原方案消能防冲工况消力池流态见图2。

2.3 消力池内流速分布

流速是衡量水体动能的重要指标，对溢流坝消力池流速进行量测，在消力池内的9个测量断面分别测量左岸、中间和右岸的表面和底部流速。

消能防冲工况下，对于表面流速，消力池内前8个断面表现为明显回流，流速大小为负值，9号断面(0+088.80 m)表面流速为正方向，消力池内表面流速表现为先减小再增大为正值。2号断面(0+047.30 m)流速最大，为6～7 m/s，8号断面(0+084.50 m)流速最小，消力池尾部流速呈快速上升趋势，出池流速在5～7 m/s。横向上左岸流速相对较大，右岸和中间流速变化比较平稳。对于底部流速，在消力池内流速逐渐下降，在消力池尾部受尾坎阻挡影响，流速下降幅度较大。横向上流速差距不大，消力池后半段右岸底部流速较左岸和中间流速大。出池底部流速较小，保持在2～3.5 m/s左右。

设计工况下，对于表面流速，流速变化趋势与消能防冲工况一致，1～8号断面(0+041.10 m～0+084.50 m)表现为回流，9号断面(0+088.80 m)表面流速为正方向，中间和左岸流速较右岸流速大，2号断面(0+047.30 m)流速最大。对于底部流速，横向上左岸、中间和右岸流速下降速度一致，在消力池尾部流速下降幅度增大。消力池尾部表面流速在5～6 m/s，而其底部流速保持在2～3 m/s，说明出池水流能量主要集中在表层。

校核工况下，对于表面流速，流速变化趋势与消能防冲工况和设计工况一致，1～8号断面表现为回流，9号断面(0+088.80 m)表面流速变为正值，左岸流速较中间和右岸流速大，2号断面(0+047.30 m)流速最大，为4.5～7 m/s，消力池尾部流速上升较快，出池流速为5.7 m/s左右。对于底部流速，横向上左岸底部流速较中间和右岸流速小，流速下降趋势基本一致，在消力池尾部受尾坎阻挡影响，流速降幅较大。消力池最大流速在1号断面(0+041.10 m)附近，为20～23 m/s，最小流速在9号断面(0+088.80 m)附近，大小为1.5 m/s。

图3 原设计方案各工况消力池表面、底部流速分布(负值表示回流流速)Fig.3 The bottom and surface velocity distribution of original program(negative means reflux velocity)

原设计方案中各试验工况下消力池中均发生了强烈的水跃现象，消力池中流态紊乱，并有部分水流形成涌浪跃起至消力池两侧1 210 m高程平台，由于尾坎处水面壅高较大，水流在出池后形成二次水跃，会严重冲刷下游河道，对本枢纽工程结构的安全性产生不良影响。

3 跌坎+T形墩

3.1 体型设计

堰面下游选用水平跌坎(坎高2.0 m)过渡至消力池，消力池底板高程降为1 196 m，消力池末端尾坎降低1 m，高8.5 m。

T形墩的作用是阻流和分流，并使侧流形成涡流，以增大池内漩滚水体体积，形成稳定的强迫水跃，并使消力池末端流速分布均匀形成二次水跃提高消力池消能率[6]。传统T形墩结构尺寸选用前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾坎高∶支腿长=2∶3∶4∶5∶6，在特定的工程设计中，只要选定合理的比例系数k，就可以方便地确定T形墩各部尺寸，在本工程中，根据尾坎高8.5 m，确定k值为1.7，据传统T形墩的尺寸要求，仅能设计一个T形墩，如图4所示。

3.2 流 态

采用跌坎消力池+T形墩的优化方案后，消能防冲工况下，水流在消力池中后部受T形墩阻挡并上扬，产生紊动剧烈的强制水跃，通过水流的横轴旋滚消泄大量水能，消能效果较显著(图5)。但传统T形墩应用于本工程中时仅能设计一个T形墩，无法充分发挥T形墩分流消能的作用，水流受单个T形墩阻挡后仍会形成较高涌浪涌出消力池，最高时涌浪高出消力池两侧1 210 m高程平台约3 m，消力池内水流的不良流态仍未得到较大改善。受加设T形墩的影响，水流在尾坎处的壅高明显降低，尾坎后水流的跌水现象明显减弱，跌水后在下游亦产生二次水跃，但与下游水流的衔接更加平稳。设计工况和校核工况下消力池内水流紊动更为剧烈。总体而言，传统T形墩在本工程中无法充分发挥其分流、消能的作用，消力池内水流流态未得到明显改善。

图4 优化设计方案一T形墩设计Fig.4 T-type baffle design of optimized design program 1

图5 优化方案一消能防冲工况消力池流态Fig.5 Flow pattern of stilling basin under the condition of energy dissipation and scour prevention in the optimized design program 1

3.3 消力池内流速分布

对于表面流速，在消能防冲工况、设计洪水工况、校核洪水工况3个特征工况下，1～7号断面表面流速受T形墩的阻挡表现为回流，流速方向向上游，除回流断面提前至T形墩前墩以外，表面流速分布规律基本同原设计方案一致，呈先减小再增大至正值的趋势，横向上左岸和中间流速略大于右岸流速，出池流速在5～7 m/s。

对于底部流速，在3个特征工况下，流速变化规律与原设计方案一致，呈逐渐减小趋势。在7～8断面(0+078.30 m～0+084.50 m)受T形墩阻挡，流速下降幅度较大。最大底部流速达到21.35 m/s，位于1号断面(0+041.10 m)，消力池尾部底部流速达到最小，基本保持在0.5～2.5 m/s(图6)。

相较于原设计方案，优化方案一下消力池内流速下降，消力池后二次水跃减弱，说明加设跌坎和T形墩后消力池内消能更为充分。但单个T形墩阻挡水流后形成的涌浪过高，消力池内水流流态不良，T形墩的作用未得到完全发挥。根据优化方案一试验结果可见，在本工程的中高水头、大流速的底流消力池中，消力池宽度小，深度大，宽深比小，仅能布设1个传统T形墩，相较于消力池宽度较大的低水头闸坝工程，传统T形墩难以发挥其分流消能效果，消力池内水流流态未得到较大改善，尚需对辅助消能工进行优化改良。

图6 优化设计方案一各工况消力池表面、底部流速分布(负值表示回流流速)Fig.6 The bottom and surface velocity distribution of optimized design program 1(negative means reflux velocity)

4 跌坎+改良T形墩

4.1 体型设计

传统T形墩结构尺寸选用前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾坎高∶支腿长=2∶3∶4∶5∶6，本工程受消力池底板宽度所限，消力池宽与尾坎高度比值过小，仅能设计一个传统T形墩，难以发挥T形墩的分流消能效果，在以上因素限制下，以消力池底板宽度为设计依据，本文提出一种改良T形墩来保证T形墩的正常工作，根据消力池底板宽度12.5 m，设置两个T形墩，T形墩前墩宽2.5 m，除墩宽外T形墩长度和高度保持与传统T形墩一致，前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾坎高∶支腿长=3∶4.2∶2.5∶8.5∶9。优化设计方案二的改良T形墩设计如图7。

图7 优化设计方案二改良T形墩设计Fig.7 Modified T-type baffle design of optimized design program 2

4.2 流 态

试验结果表明，3种工况下流态特征表现出相似的水力特性：下泄水流在消力池内形成淹没水跃，水跃旋滚覆盖了收缩断面，水跃跃前均处于0+041.10 m断面(溢流坝反弧段末)。水流进入梯形消力池后发生侧向回流，主流在消力池中后部受到T形墩阻挡并上扬，形成紊动强度很高的强制水跃，水流横轴旋滚现象明显，使池内强烈掺气，T形墩分流和消能作用显著。相较于原设计方案和优化方案一，消能防冲工况下消力池内水流较大流量工况平稳，水流在消力池内相互掺混，消能效果显著，在T形墩和尾坎处壅高较小。设计洪水和校核洪水工况下由于下泄流量较大，水面线较小流量工况高，消力池内水流紊动剧烈，消能充分，其中校核洪水工况下偶尔有少量涌浪跃起至消力池两侧1 210 m高程平台。两大流量工况下由于尾坎处水面壅高较大，水流在尾坎后形成二次跌落消能，部分水体在尾坎后产生反向底滚并与河床剪切消能。3个特征工况下水流流态呈稳定淹没混合流[7]，池内旋滚和涌浪上游面旋滚混合，并在尾坎后0+090.80 m至0+121.80 m断面之间(尾坎下游0～31 m)间产生微弱二次水跃，波浪小，对河床的冲刷轻微。可见改良后T形墩的分流消能作用更为显著，在本工程中相较于传统T形墩能起到更好的消能作用。

图8 优化方案二消能防冲工况消力池流态Fig.8 Flow pattern of stilling basin under the condition of energy dissipation and scour prevention in the optimized design program 2

4.3 消力池内流速分布

对于表面流速，在消能防冲工况、设计洪水工况、校核洪水工况3个特征工况下，1～7号断面(0+041.10 m～0+078.30 m)表面流速受T形墩的阻挡表现为回流，流速方向向上游，回流断面提前至T形墩前墩，表面流速分布规律基本同前两个方案一致，呈先减小再增大至正值的趋势，横向上左岸和中间流速略大于右岸流速，出池流速在2～3 m/s。

对于底部流速，在3个特征工况下，流速变化规律与原设计方案一致，基本呈逐渐减小趋势。在7～8断面(0+078.30 m～0+084.50 m)受T形墩阻挡，流速下降幅度较大。最大底部流速达到17.75 m/s，位于1号断面(0+041.10 m)，消力池尾部底部流速达到最小，基本在2.5 m/s左右。

相较于优化方案一，优化方案二下消力池内流速下降，T形墩分流和消能作用更为显著，水流在T形墩和尾坎处的壅高明显减小，出池流速下降，消力池下游二次水跃现象明显减弱，水流呈稳定淹没混合流，对河床的冲刷作用轻微，说明针对本工程对T形墩进行改良后消力池内消能更为充分。

试验测定了消力池出池流速(0+090.80 m断面)来评估出池水流对下游河道的冲刷影响，见表3。从表3可以看出，在消能防冲、设计洪水和校核洪水3个特征工况下，优化设计方案二加设改良T形墩后出池流速(坝下0+090.80 m)均有减小，流速降幅多在2～3 m/s，说明改良T形墩能有效降低水流出池流速，减弱了水流对下游河道的冲刷。

5 消能效果分析

消能率是表征消能效果的物理量，其计算公式如下：

(1)

表3 消力池出池流速(0+090.80 m)比较Tab.3 Comparison on outflow velocity of stilling basin( 0+090.80 m)

图9 优化设计方案二各工况消力池表面、底部流速分布(负值表示回流流速)Fig.9 The bottom and surface velocity distribution of optimized design program 2(negative means reflux velocity)

拟选取消力池水跃跃前断面作为初始计算断面来对比分析3个方案下消力池消能率的变化。由于跃前断面被水流旋滚覆盖，难以量测准确的水深和流速，根据溢洪道设计规范，采用溢流堰堰顶(坝下0+002.50 m断面)作为初始1-1断面。由于T形墩消力池水流尾坎处会形成二次水跃，消除部分下泄能量[8]，故采用坝下0+106.80断面(消力池尾坎后)作为消能后2-2断面来计算消力池消能率，消能率计算结果如表4所示。

消能率计算结果表明，跌坎+改良T形墩联合消能工的运用使整体消能率均大于前两种方案，随来流量的增大，在校核工况下优化方案二消能率略小于前两种方案，但差值不大，下游消力池应在保证消能效果的同时使得出池水流尽量平稳，避免下游河床淘刷，因此跌坎+改良T形墩综合效果更佳。分析认为，在中高水头、大流速的底流消力池中，采用改良T形墩相较于无T形墩的原设计方案和传统T形墩，更显著地发挥了T形墩的分流、消能效果，消力池内水流紊动强烈，综合消能效果更好。

表4 消能率计算Tab.4 Calculation of energy dissipation ratio

经过跌坎+改良T形墩联合消能工的调整，水流出池流速明显减小，水流出池后大部分水舌上挑，形成二次跌落消能，流态呈稳定淹没混合流，池后二次水跃减弱，波浪小，冲刷轻微，对下游河床有利，说明改良T形墩的应用是改善本工程消能防冲效果的有效措施。

6 结 论

本文通过水工模型试验的方法，针对白水水库工程溢流坝段底流消力池的相关水力学特性在传统设计方案、跌坎+传统T形墩方案和跌坎+改良T形墩方案进行了对比分析，结论如下。

(1)跌坎+改良T形墩优化方案下，原设计方案中消力池内水流的不良流态消除，消力池后的二次水跃减弱，水流流态呈稳定淹没混合流，对河床的冲刷轻微，说明改良T形墩相比于不设T形墩和传统T形墩，能显著地发挥T形墩的分流消能效果，改善水流不良流态，使消力池内消能更为充分。

(2)在本工程中加设改良T形墩后能有效降低水流出池流速，减弱水流对下游河道的冲刷。

(3)跌坎+改良T形墩联合消能工的运用使消力池整体消能率均大于前两种方案，各工况消能率均在70%以上，在校核工况下消能率略小于前两种方案，但在保证消能效果的同时使得出池水流更加平稳，对下游河道冲刷作用减弱，综合消能效果更好。

综合上述研究，相较于T形墩应用较多的低水头、大单宽流量的泄水枢纽工程，在与本工程类似的中高水头、大流速的底流消力池中，受消力池宽深比所限制，传统T形墩无法充分发挥T形墩的分流消能效果，可以不依照传统T形墩的形式，设计采用改良T形墩，根据消力池宽深比等条件优化T形墩的布设数量和尺寸，充分发挥T形墩的分流消能效果。本工程根据消力池宽度优化设计出的改良T形墩与跌坎的联合消能方式消能效果良好，是改善本工程溢流坝消能防冲效果的有效措施，对其他类似工程有一定参考作用。