卢洋亮　尹进步　张曙光　阳洲　杨浩宇

摘要：脉动压强是衡量消力池底板安全稳定的重要指标，当泄槽末端与跌坎型消力池进口采用突扩或渐扩衔接时，消力池内脉动压强分布较为复杂。为了深入研究跌坎型消力池的脉动压强分布特性，基于金沙江梨园水电站构建了1∶50的物理模型，对高水头、大单宽流量下跌坎型消力池底板脉动压强分布开展系统研究。研究结果表明：跌坎突扩型消力池底板的前中部与泄槽延长线附近脉动压强普遍较大;将突扩调整为渐扩后，减轻了立轴漩涡对底板的作用，脉动压强系数最大值降低16.4%，但仍然超过安全阈值;将入射角由-10°优化为-8°后，各工况下脉动压强系数最大值降幅分别为37.4%，23.6%，62.1%，该优化体型在各工况下的脉动压强均为低频振动，不易对消力池底板产生共振破坏。

关键词：跌坎型消力池; 体型优化; 入射角; 漩涡; 脉动压强系数; 物理模型试验

中图法分类号： TV653

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.032

0引 言

跌坎型消力池的消能原理是在常规底流消力池的基础上，底板整体下挖形成跌坎，入射水流在跌坎作用下沿程扩散形成淹没射流，并与周围水体发生强烈的紊动混掺和剪切作用，以有效降低临底流速[1-3]。国内外相关研究成果表明，边墙两侧突然扩大形成突扩，可使入池水流充分紊动剪切，增加能量耗散以提高消能率[4-5]。虽然跌坎和突扩可降低消力池内临底流速，但是在跌坎作用下入射主流下方会形成顺时针横轴漩涡，同时受卷吸作用影响，在突扩后形成立轴漩涡，横轴和纵轴漩涡叠加[6-8]致使跌坎突扩型消力池内脉动压强分布尤为复杂，作用在消力池底板的脉动压强容易引起底板破坏[9-10]。

以前的大部分研究主要关注跌坎消力池中心线沿程纵向脉动压强分布，但针对跌坎突扩和跌坎渐扩型消力池底板脉动压强横向分布规律研究较少，故有必要通过物理模型试验深入分析，以为相关跌坎型消力池设计提供一定参考。

1工程简介

针对向家坝等相关工程[11]的试验结果表明，跌坎型消力池在降低消力池临底流速与底板脉动压强方面发挥了很好的作用。基于这一思路，金沙江梨园水电站溢洪道消力池进口也采用跌坎型底流消能工。该溢洪道水平全长约790 m，由引渠、闸室、泄槽、消力池、护坦5部分组成。泄槽宽73.50 m，消力池宽111.00 m，突扩比为1.51，该工程体型布置见图1，典型运行工况参数见表1。

2试验布置

物理模型为正态单体模型，按照重力相似准则1∶50比尺布置，选取3种运行工况，闸门运行方式为4孔全开。溢洪道为对称布置，为全面了解消力池底板水流脉动特性，共布置50个脉动压强测点，包括消力池中线、3号孔中线（A列）、3号、4号孔闸墩轴线（B列）、4号孔中线（C列）和泄槽末端延长线（D列）5列测点，测点布置见图1。测试仪器采用中国水利水电科学研究院研制的DJ800软件及其脉动压力传感器，试验中采样频率为50 Hz，每一测点采样历时T=81.92 s，采样时间间隔约Δt=0.02 s，采样次数N=4 096次。为反映来流条件，引入无量纲化参数流能比k：

k=q/（g0.5h1.5）（1）

式中：q代表泄洪单宽流量，m2/s;h代表溢洪道上下游水头差，m;k可衡量流量和水头的综合作用[12]。

3原消能方案及其存在的问题

3.1消力池底板脉动压强系数分布

本次模型试验采集的脉动压强信号是恒定流情况下采集而得，可视为一次时间平稳随机过程。脉动压强均方根是衡量脉动压强随机过程的幅值特性[13]，其定义为

就跌坎突扩型消力池纵向分布而言，3组工况下在泄槽末端均形成微淹没水跃，该区域属于强紊流区，水跃引起的紊动和自由表面的波动都会对消力池底板的脉动压强分布造成重要的影响。从图2（a）可以发现：3组流能比下脉动压强在消力池前部均較小，由于横轴漩涡导致水流紊动十分剧烈，在底流旋滚区末端与冲击区逐渐增大并达到峰值，在中后段临底流速降低且分布较为均匀，故脉动压强逐渐降低且趋于平缓，该分布与时均压强沿程增加趋势存在一定差异;流能比越小代表水流承载能量降低，脉动压强系数也随之增大。

文献[14]的分析结果表明：当跌坎高度不变时，跌坎下水流再附长度随泄洪流量的减小会有所减小，而跌坎下的再附长度也是一种能量的体现，流量减小，立轴漩涡与横轴旋滚两种作用传递的能量都在减小，故消力池底板脉动压强也会随之减小。

消力池底板紊动压强系数横向分布见图2（b），当k=0.06时脉动压强系数沿x轴方向基本保持一致，但是横向分布存在较大差异，在消力池前部先增大后缓慢减小，C列测点脉动压强系数达到峰值，该列测点最大值将近是消力池中线最大值的3倍。

3.2原方案存在的问题

目前对于底流消力池脉动压强指标控制尚无统一标准，本文采用谢省宗[15]提出的脉动压强均方根作为控制指标，其消力池底板脉动压强均方根为泄槽末端入池流速水头的5%～10%，即：

σp′=（0.05～0.1）V2c/（2g）（4）

各工况脉动压强系数控制指标见表1。由模型试验实测入池流速可知，k=0.06时消力池底板脉动压强均方根应该控制在3.32～6.64 m，则相应脉动压强系数控制在0.034～0.068范围以内。

图2（b）明显可看出，当k=0.06时C列测点最大脉动压强系数高达0.12。根据已建成的安康、景洪、五强溪等3个消力池底板破坏案例和向家坝、索风营、东风、阿海等未见有失稳破坏报道的工程，若将脉动压强均方根的安全阈值控制在5 m水头，超过安全阈值5 m水头的工程消力池均发生了破坏，而脉动压强均方根低于5 m水头的工程结构安全性能大大提高。显而易见k=0.06时C列测点最大脉动压强明显超过该安全阈值，