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平原水库泄水涵洞下游消能问题的讨论
王启贤
（农八师一二一团开发办 邮编832000）
提要：
平原水库泄水涵洞下游常采用矩形扩散消力池消能。本文结合两座平原水库泄水涵洞整体水工模型试验结果对泄水涵洞下游的消能问题进行了讨论，分析了矩形扩散消力池的水力设计，指出平原水库泄水涵洞的实际最大过流能力必须同下游消能结合在一起考虑来确定，并就存在的问题提出了应采取的措施，原型工程的运行验证了理论分析及试验结果。
关键词：平原水库：泄水涵洞；消能；消力池。
一、前言
新疆地处亚洲腹地，气候干旱，土地辽阔，水资源十分珍贵。为了充分利用地表径流，新疆修建了大量的平原水库。新疆的平原水库均以灌溉为主，兼有防洪任务。它对蓄纳夏洪及冬闲水，解决新疆的春旱缺水问题起了重大作用，平原水库的坝体均为土坝，坝高不大，属中、低水头工程。为了向水库下游灌区输水，在平原水库的坝体中均建有泄水涵洞。由于受自然条件和运行条件的限制，在平原水库泄水洞下游常用的消能方式为消力池底流消能。消力池水跃消能的优点在于水跃局限于消力池内，消能比较充分，水流出消力池后，经过一个不长的距离，流速重线分布便可调整为正常分布，紊动强度也大为消弱。这时护坦长度较小，消能效果比较好。所以消力池成为平原水库泄水涵洞下游最常见的水流衔接与消能建筑物。新疆平原水库泄水涵洞下游的消能工属扩散消能工：由闸后无压涵洞段、曲线陡坡扩散段、矩形扩散消力池及护坦段组成，消力池中的水跃属受控扩散空间水跃。空间水跃由于外力条件复杂、至今还无一个精确的理论公式[1]，致使现已设计运行多年的平原水库泄水涵洞下游的消能存在着一些问题，为此本文拟结合石河子垦区蘑菇湖水库和夹河子水库的泄水涵洞整体水工模型试验结果对平原水库泄水涵洞下游的消能问题进行讨论，并从设计理论的角度加以分析，供类似工程设计、施工和管理时参考。
二、工程现状
蘑菇湖水库和夹河子水库的泄水涵洞工程均由钢筋混凝土进口翼墙段、钢筋混凝土方涵洞、平板闸门、闸井房、曲线陡坡扩散段、矩形扩散消力池段，护坦段和泄水明渠组成，涵洞为3孔，其主要工程特性见表1。
表1 蘑菇湖水库和夹河子水库泄水涵洞工程特性表
水库 设计库容 设计水头 涵洞尺寸 原设计流量 消力池长 消力池深
蘑菇湖 1.8亿m3 11.3m 2.3×2.3m 47m3/s 18.8m 0.88m
夹河子 1.03亿m3 11.3m 2.2×2.2m 100m3/s 15m 1m
当平原水库泄水涵洞下泄水流时，水流受涵洞中的平板闸门控制，闸前涵洞段中水流为有压流，闸后为无压流。沿涵洞下泄的高速水流由曲线陡坡扩散进入矩形扩散消力池消能后，再从护坦流入泄水明渠向下游灌区供水。
蘑菇湖水库泄水涵洞原设计流量为47m3/s，最大泄流量为51m3/s,但在工程应用过程中发现，当库水位为设计水位，下泄流量Q≤30m3/s时，消力池消能效果尚可，但设计水位条件下Q≥30m3/s时，水跃冲出消力池，不能满足工程的消能要求，说明该消力池的消能能力达不到设计要求。而工程规模和运用情况类似的夹河子水库西泄水涵洞实际泄量达60m3/s时，其扩散消力池的消能效果却可满足工程要求。这就需要分析两个工程的不同点及产生不同消能效果的内在原因。此外，由于灌区工农业生产发展的需要，泄水涵洞需加大下泄流量，同时满足国家对水库除险加固的要求，因此，需要对蘑菇湖水库泄水涵洞下游的消力池进行改建。为了了解两水库泄水涵洞在闸后无压流情况下的最大泄流能力及下游消力池的消能情况，提出充分论据作为工程改建设计和施工的依据，笔者根据试验任务及工程性质，结合实验室条件，在长度比尺λl=20的两个平原水库泄水涵洞水工整体模型上进行了试验研究。
三、扩散式消力池水力设计分析
从水工设计的角度看，泄水建筑物如有产生稳定水跃的来流条件，采用底流消能方式将是适宜可行的。在来流佛汝德数较低的情况下，如采用底流消能方式，可用辅助消能工提高消能率[2]。平原水库泄水涵洞出口单宽流量十分集中，如底流消力池的宽度按涵洞底宽顺延成等宽矩形消力池，池长将很大。为此，水工设计中有两种降低单宽流量的扩散措施可供选用：其一是在消力池前扩散，水流经一段距离扩散后，以较小单宽流量进入等宽消力池再进行水跃消能；其二是消力池本身呈梯形扩散式，使出池单宽流量减到较小，蘑菇湖水库和夹河子水库泄水涵洞下游的消能设施属二者兼用，即水流先在曲线陡坡扩散段横向扩散，再跌入矩形扩散消力池消能，其布置见图1

图1扩散水跃消能布置示意图

由水力学可知，水流收缩深h1满足以下方程[3]
h1= (1)
式中：q为收缩断面处的单宽流量；φ为流速系数；g为重力加速度；E0为以收缩断面底部为基准面的坝前水流总比能。
E0=P2+H （2）
式中：P2为泄水涵洞闸底板与收缩断面底部的高差；H为闸底板以上的坝前水流总比能（总水头）。
分析（1）式可知，在流量一定时，收缩水深h1随E0的增大而变小，即h1随库水位的升高而变小。这说明设计平原水库泄水涵洞下游的消力池时，不但要考虑泄水涵洞平板闸门泄流量的大小，还要考虑库水位的高低。
由于消力池本身在平面上呈梯形扩散式，因此池中将发生空间三元水跃。对于从跃前底宽b扩散到跃后底宽B的扩散消力池，应用沿流向的动量方程，在跃首、跃尾和边墙水压力竖向按静水压力分布，且边墙水面线从跃首水深h1到跃尾h2也按直线变化的前提下，可得共轭水深方程为[4]
4 (3)
式（3）中b=B时方程将转化为矩形消力池共轭水深方程。由（3）式所决定的共轭水深h2将小于同样来流佛汝德数Fr1情况下具有底宽b的矩形消力池中的h2。由于h2随h1的减小而增大，因此跃后水深h2在流量一定条件下将随库水位的升高而增大。
矩形扩散水平水跃的跃长公式为[3]
Lj=0.077h1(Fr1ctgθ)1.5 （4）
式中：θ为矩形扩散消力池的扩散角。
笔者利用上述几个公式计算了不同库水位、不同流量条件下的收缩水深h1、跃后水深h2和水跃长度，发现蘑菇湖水库和夹河子水库泄水涵洞下游的消力池长度可满足要求，但蘑菇湖水库泄水涵洞的消力池内水深hT在设计水位Q=30m3/s后就小于h2，说明该消力池池深和尾水水深不足以在消力池中形成有效的水跃，而夹河子水库泄水涵洞的消力池则在各种水位、流量条件下均能形成有效的水跃。分析其原因如下，夹河子水库泄水涵洞工程下游泄水明渠200m处修建有一节制退洪闸，该闸枢纽的存在壅高了消力池后泄水明渠的水深，使消力池中的实际尾水深hT大于h2,形成了淹没水跃。事实是,如果该泄水明渠中不是壅水运行,则该消力池的深度也不足以使下泄水流产生淹没水跃，即不能满足消能要求。蘑菇湖水库泄水涵洞的消力池下游泄水明渠有一陡坡段，造成下游尾水深度不足，即使借助辅助消能设施，也不能形成典型水跃。通过上述分析可知，蘑菇湖水库泄水涵洞的消能力池存在的主要问题池内尾水深不足，考虑到该工程属除险加固改建工程，受经济和原消力池运用条件的限制，消力池不能重新深挖，因此设计中建议在原消力池护坦上再修建消能坎，形成综合式消力池，壅高坎前水位以保证在消力池中产生淹没程度不大的水跃。
四、试验现象及结果分析
根据蘑菇湖水库泄水涵洞的工程现状和消能中存在的问题，进行了原方案。加消力墩、加消力坎（四种坎高）工况下的消能效果试验
1．原方案消能效果试验
在消能试验中发现，在设计库水位条件下，流量Q≤30m3/s时可在消力池中形成完整水跃，但当Q>30m3/s后，水流冲出消力池，在消力池未端尾坎处由于水流冲击发生挑流现象，挑流高度随流量的增加而增高，当Q=70m3/s时，挑射高度为4.60m；在库水位较低时，在消力池中形成完整水跃的流量变大，发生挑流现象时，挑射高度小于同流量高水位的值，这是因为低水位情况下，由泄水涵洞下泄的水流水深变大、流速变小，动能也随之变小所致。总之，原方案（池深d=0.88m）消能试验表明，现消力池不能充分发挥消力池的消能作用，出池水流的流态极度不良，影响泄水明渠的安全运行，必须对消力池加以改造或处理。
2．加消力墩方案消能效果试验
根据委托单位提供的设计图纸，在消力池中布设了四排消力墩，第一排（ ×40×40）、第二排（ ×40×40）为梯形体消力墩，第三排（40×40×40）和第四排（40×40×45）为长方体消力墩。试验中发现，在消力池中增设了四排消力墩后，由于消力墩强烈的掺混作用，消能效果有所改善，消力池中发生远离式水跃，水跃末端跃出池外并在护坦上产生二次水跃，而且消力池中的第一排消力墩产生了强烈的挑流现象和掺气现象，挑流高度同库水位成正比，第二、第三排消力墩及第四排消力墩随流量和水位变化也存在挑流和掺气现象。当Q=60m3/s时，第一排消力墩两边墩的挑流高度达6m多。当Q=70m3/s时，由于第一排两个边消力墩的挑射作用，挑流高度超出了模型边墙的高度，在消力池尾部出现了挑流和远离式水跃两种现象交替的情况，水流流态较为紊乱，挑射流时，挑射方向接近垂直向上，水跃和挑流循环一次时间约为45秒（原型）其中水跃和挑流所占时间约各一半。上述试验现象说明，仅靠在消力池中布设消力墩仍不能使消力池充分发挥消能作用，仍需探索提高消力池消能效果的改进措施。
3．加消力坎方案消能效果试验
增加消力池消能效果的工程措施很多，如加大现消力池的池深或增长消力池的池长等，但在地下水位较高的情况下增加池深不合适，如是已建工程，则增加池长和池深将使工程量加大，工期延长。因此，从工程施工简便和工程投资小的角度考虑，试验中采用在原消力池护坦上修建消力坎，和原消力池形成综合式消力池，壅高坎前水位以保证在消力池中产生淹没程度不大的水跃。如果能满足消能要求，则该方法较为合理经济。
增加消力坎的关键在于确定最合适的坎高。试验中为了寻找设计条件下最佳的消力坎高度，采用了逐步增加坎高的方式进行消能效果试验。试验中进行了四种坎高的消能效果试验：c=0.53m,0.90m,1.08m,1.26m。这样形成的综合消力池的池深为d+c=1.41m;1.78m;1.96m;2.14m。
试验中发现，随着坎高的增加，消力墩处的挑流和掺气现象逐渐减弱，最后消失，跃前断面逐步前移。当坎高增加到1.08m时，在消力池尾坎和四排消力墩的共同作用下，在设计库水位，Q=60m3/s时，该消力池可满足工程的消能要求，但Q=70m3/s时，消力池尾部水面有一定的波动，紊动较强烈，掺气水流溢出消力池，消能效果略欠佳。
为了满足高水位Q=70m3/s工况下的消能要求，将消力坎增高到1.26m。试验表明坎高增加到1.26m后的综合消力池（d+c=2.14m）可以产生淹没水跃，消能效果较好，但池尾水面仍有一定的波动。
通过试验说明水跃的起始位置，对于矩形扩散消力池，有着比正常消力池更为重要的意义。如果水跃的起始点位于较下游处，即使有辅助消能设施，也很难期望有均匀的、稳定的水跃发生。
综上所述，当设计流量取Q=60m3/s时，消力坎高度可取c=1.08m，综合消力池池深为d+c=1.96m；当设计流量取Q=70m3/s时，消力坎高度可取c=1.26m，综合消力池池深为2.14m。
需要说明，消力池中的消力墩可分散入池水流，使底部急流转折碰撞而消能扩散，提高消能效率，可降低共轭尾水深的要求，具有稳定水跃和缩短池长的作用。但因底部流速较高，消力墩在高速水流的作用下易产生气蚀破坏，这一点在工程设计、施工和管理中应引起重视。
上述试验结果同矩形水平扩散式消力池的水力设计分析结果是完全一致的。此外，水流出消力池后，沿泄水明渠陡坡段下泄，在泄水明渠陡坡段下游设有一新建消力池，由于下游土渠均匀流水深较大，导致壅水使新建消力池在各级流量条件下均能形成完整水跃，水跃发生在陡坡段上，消能效果可满足工程设计要求。
五、原型验证
2001年春，石河子水利局组织施工单位对蘑菇湖水库进行了全面的除险加固施工，其中对其泄水涵洞下游的消力池按讨论的设计方案进行了改建，坎高为1.96m。经计算，当Q=65m3/s时，原消力池池长满足要求。但根据已往实际改建消力池来看，所选消力池还需加长，大于计算值才能保证安全。故消力池往后延伸10m，即消力池实际池长为27m。
工程改建完工后，经过一个完整的用水周期的运行，证明该工程在实际最大泄水流量Q=65m3/s以下的各种情况中的水流现象均与试验现象是一致的，改建后的消力池在各种水位条件下，Q≤65m3/s时都可以在消力池中产生淹没水跃，消能效果较好，流态稳定，出池水流平顺。这说明试验结果和理论分析结果是正确的，本成果可供类似工程设计时参考。
六、结论及建议
1．消力池改建工程应考虑原工程的运行条件，从工程施工简便和工程投资小的角度出发，在原消力池护坦上加修一定高度的消力坎，使单纯的下降式消力池变为综合式消力池，能加大池内水深，使池内产生淹没水跃，保证工程的消能效果。该方法在改扩建工程中更能显示其优越性。
2．设计矩形扩散式消力池时，应重视上游库水位和下游水深条件，合理确定池深（坎高）和池长。
3．消力池中的消力墩可起稳定水跃和提高消能效果的作用，但在高速水流作用下容易发生气蚀，应设法防止。建议工程实际中消力墩采用高强砼施工。
4．工程管理单位应加强泄水涵洞及消能防冲工程的原型观测工作，弄清工程的运行特性，制定科学合理的运行调度方案，及时发现有无异常现象，分析原因，采取措施，防患于未然。

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不错的资料，值得借鉴学习。衷心感谢提供共享！

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