李特

摘 要：综合式消力池是底流消能常见的消能方式之一。以模型试验为基础，通过测量水面线、流速以及下游冲刷坑深度等水力学参数表明，齿坎消力池配合增加消力池长度能有效解决一般综合式消力池尾坎存在的水流二次跌落幅度较大、出池水流流速较大、消能率较低以及下游冲刷严重等问题，可为实际工程的消力池设计提供重要的参考依据。

关键词：消力池;底流消能;二次跌落

中图分类号：TV653文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0061-04

Abstract：Integrated stilling basin is one of the common energy dissipation methods of bottom flow. Based on the model test， the hydraulic parameters such as water surface line， flow velocity and downstream scour pit depth are measured.The results show that the tooth bucket stilling basin with increasing the length of stilling basin can effectively solve the problems of large secondary drop amplitude， large flow velocity， low energy dissipation rate and serious downstream scour in the tail bucket of general comprehensive stilling basin.At the same time， it provides important reference for the design of stilling basin in practical engineering.

Keywords： stilling basin;underflow energy dissipation;secondary drop

底流消能[1]是泄水建筑物常用的消能方式之一。它通過泄水建筑物下游的工程措施控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动混掺消杀下泄水流大部分能量，从而达到消能并平稳连接下游的目的。消力池作为主要的消能建筑物，存在3种不同的结构形式，分别为降低护坦高程形成的下挖式消力池、在护坦上（一般在末端）设置消力槛而形成的消力槛式消力池以及降低护坦高度又设置消力槛而形成的综合式消力池。其中，综合式消力池[2]独具流态稳定、基岩开挖深度较小、尾坎高度小和造价较低等优点，在水利工程界被广泛应用。但是，研究过程中发现，综合式消力池存在出池水流二次跌落较大和下游河道冲刷较为严重的问题。因此，对消力池尾坎[3]的体型优化成为研究的主要方向。本研究利用某大型水利枢纽工程的模型试验，探索齿坎[4-5]（又称为差动坎）的布设在解决这一实际问题中的作用。

1 工程概况及试验模型

本枢纽工程位于雅鲁藏布江流域，采用混合式开发方式。枢纽坝址控制流域面积为1.595×105 km2，正常蓄水位为3 206.00 m，总库容为1.082×108 m3。泄水建筑物主要由右岸两孔泄洪冲砂底孔和左岸4孔泄洪表孔组成。泄洪冲砂底孔和泄洪表孔均采用综合式消力池消能方式。

试验依据重力相似设计准则，模型为正态水工模型，模拟范围包括上游库区、水利枢纽、消力池及下游河道等，比尺选择1∶100。相应的其他水力要素比尺关系及数值如表1所示，其中[λ]代表原模型物理量之比。

为了保证来流条件相似和稳定：模型上游河道模拟到电站进水口上游900 m，超出试验要求的300 m;下游河道模拟至坝轴线下游1 300 m，满足试验要求的1 000 m;模型横向截取范围包括最高水位等高线，并留有适当的安全超高;上游库区和下游河道模型边界高程分别截取至3 210.00 m和3 190.00 m。体型及上下游河道试验模型，如图1所示。

2 原方案试验工况下的试验结果

在试验工况下，模拟水面线、流速及下游冲坑等水力要素特征。

2.1 原方案试验工况下水面线特征

如图2（a）所示，在试验工况下，泄洪表孔前出现较明显的坡降。从坝前120 m处的3 207.9 m降至闸室进口（即桩号为坝0-012.00 m断面）的3 206.9 m，降幅为1 m。坝前水流平顺，水面波动较小，因此水面沿横向变化很小。出消力池后水面产生二次跌落，跌落位置约在池后60 m，跌落高度达12.4 m，跌幅较大。

如图2（b）所示，对于冲砂底孔，坝前水面线从坝前120 m至底孔进口断面（桩号为坝0-012.00 m）在各工况下的降幅均很小，约为0.1 m。进口水流平顺，水面波动很小，水面横向变化很小。出池水流在池后产生二次跌落，跌落位置约在池后45 m，跌落高度达6.0 m，跌幅较大。

2.2 原方案试验工况下流速特征

在试验工况下，对泄洪表孔和冲砂底孔的消力池及尾坎不同断面位置的水流临底流速和断面平均流速进行测量，结果分别如表2和表3所示。

2.3 原方案试验工况下下游河床动态模拟结果

如图3所示，原方案试验工况下，冲淤试验结果表明：泄洪表孔最大冲坑位置和冲坑范围分别为池后170 m和池后330 m，冲坑最大深度达27 m;冲砂底孔后，冲深大于35 m的范围为池后30～400 m，冲坑范围至池后493 m，且左岸生态机组后回流淘刷和淤积较为严重。

3 体型优化过程

通过分析原方案试验数据发现：表孔消力池底流消能效果较差，尾坎处水流流速达9.2 m/s，出消力池后水面产生二次跌落高度达12.4 m;冲砂底孔尾坎处水流流速为6.0 m/s，出消力池水流跌落高度也超过6.0 m。同时，受边界条件影响，下游冲刷坑最大深度超过35 m。综合来看，原设计方案存在诸多问题，会威胁到水工建筑物的整体安全和稳定。

在原设计方案基础上，将表孔消力池尾坎修改为齿坎，表孔护坦向左岸延伸17 m，冲砂底孔消力池底板高程降3.5 m，池长增加18.91 m，下游保留施工导流纵向混凝土导墙，具体修改如图4所示。

4 優化方案试验工况下的试验结果

4.1 优化方案试验工况下的水面线特征

如图5（a）所示，在试验工况下，坝前水流平顺，水面波动较小。由于坝前水流流速较小，水面沿横向变化很小。消力池内底流消能流态稳定，出消力池后水面产生二次跌落，跌落位置约在池后60 m，跌落高度约为4.4 m。

如图5（b）所示，对于冲砂底孔，坝前水面线从120 m至底孔进口变化很小，坝前水面波动微小，水面平静。出池水流平顺，无明显二次跌落现象，且池后水面波动也较小。

4.2 优化方案试验工况下的流速特征

优化方案试验工况下测量泄洪表孔和冲砂底孔的消力池和尾坎不同断面位置的水流临底流速和断面平均流速，结果如表4和表5所示。

4.3 优化方案试验工况下下游河床动态模拟结果

如图6所示，优化方案试验工况下，冲淤试验结果表明：泄洪表孔最大冲坑位置和冲坑范围分别为池后330 m和池后240 m，冲坑最大深度达29.2 m;冲砂底孔后冲坑局部最大深度约为14.4 m，冲刷深度较小。

5 结语

根据水工模型试验，在试验工况下分别对体型优化前后的泄洪表孔和冲砂底孔进行模拟研究。对泄洪表孔试验研究发现，在不改变消力池长度和深度的情况下，采用齿坎可有效降低出池水流二次跌落高度，但不利于降低出池水流流速，消能率较低。对冲砂底孔试验研究发现，将消力池尾坎优化为齿坎的同时适当增加消力池长度，可有效降低出池水流二次跌落高度，降低出池水流流速，增加消能率，同时降低下游河床冲刷坑深度。

参考文献：

[1]张慧丽，王爱华，张力春.底流消能及其在工程上的应用[J].黑龙江水利科技，2009（2）：82.

[2]王学斌，张志昌，傅铭焕.综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件研究[J].应用力学学报，2017（3）：495-501.

[3]王军，刁明军，蒋雷，等.消力池尾坎体型对水跃特性的影响[J].西南民族大学学报（自然科学版），2017（6）：640-645.

[4]蒙文宾.底流消能下差动型尾坎的体型优化研究[D].武汉：武汉大学，2017：79-86.

[5]冬俊瑞，李永祥.齿形尾坎消力池消能紊动特性研究[J].力学学报，1989（5）：530-538.