中图分类号：ＴＶ131 文献标志码：Ａ 文章编号：1671－8844（2011）01－0040－04
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｅｒ ｉｎ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｂａｓｉｎ ｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｂｎ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｊｕｍｐ
ＷＡＮＧ Ｊｕｎｘｉｎｇ，ＺＨＵ Ｚｕｇｕｏ，ＣＨＥＮ Ｌｉｑｉａｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｊｕｍｐ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｌｏｗ－ｍｉｄ－ｈｅａｄ ｒｕｎｏｆｆ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｊｕｍｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｙｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙｄｉｓｓｉｐａｔｅｒ ｗｉｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｂａｓｉｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｎｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｅｒ，ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｑａｆｅｄａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ；ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｂａｓｉｎ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｑａｆｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ；ａｎｄ ｍａｓｔｅｒ ｌａｗｓ ｔｏ ｄｏ ｂｅｔｔｅｒｓｅｒｖｉｃｅｓ ｔｏ ｐｒｏｊｅｃｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｂａｓｉｎ；ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｅｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｊｕｍｐ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
对于中低水头径流式水电站，通常采用底流消能的方式来消减过坝水流能量，在消能的过程中消力池中水跃的形式和强弱直接影响整个消力池的消能效率．底流消能作为泄水建筑物的一种消能形式，在设计上已经有了比较高的水平，实际工程中也运用得比较多，但是有些问题借助于模型试验能更充分地研究底流消能的各种水力要素［1］．底流消能的典型特征是消力池内水流发生水跃现象，使水流能量在撞击和紊动中消减，从而达到对下游河床和两岸岸坡的保护，进而确保整个水利工程的安全．以底流消能水工模型试验资料为依据，分析消力池内各个工况下以及消力池内辅助消能工不同布置形式对池内水跃的影响，得出辅助消能工在底流消能中对水跃消能效率的影响．
1 工程概况
竹篙滩水电站水库大坝位于酉水一级支流花垣河下游．多年平均流量57．35ｍ3／ｓ，拟装机3×10000ｋＷ，年发电量9330万ｋＷ·ｈ，保证出力3626ｋＷ．大坝按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核．消能防冲按30年一遇洪水设计．电站厂房按50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核．表孔设8扇10ｍ×10．3ｍ（宽×高）弧形工作闸门．大坝消能采用综合式消力池，池长55ｍ，池底高程228．5ｍ，尾槛高程231．5ｍ，总宽度为98．5ｍ，分左右2个池，右岸池宽82ｍ，左岸池宽16．5ｍ，左右池由导流墩相隔．参考其他工程消能工的经验，在右岸池的坝趾设消能趾墩，其宽2．4ｍ，高2ｍ，长8．331ｍ，间距2．4ｍ．墩趾后13．2ｍ设顶、底内角120°，两侧内角90°的五边形消力墩，其高2ｍ，尾边长2．5ｍ，间距10ｍ．尾槛高3ｍ，齿宽2ｍ，间距2ｍ，齿高1ｍ．左岸池设尾槛，其高3ｍ，齿宽2ｍ，间距2ｍ，齿高1ｍ，不设趾墩和消力墩．消力池采用后浇带施工，不设永久缝［2］．大坝平面布置和水工模型布置见图1．
图1 竹篙滩大坝
2 工程中理论计算消力池大小
消能计算按照《溢洪道设计规范》ＳＬ253－2000公式及武汉大学水利水电学院编《水力计算手册》公式计算．上游水位Ｈ1（ｍ），下游水位Ｈ2（ｍ），下泄流量Ｑ（ｍ3／ｓ），单宽流量ｑ（ｍ3／ｓｍ），流速系数φ，收缩水深ｈｃ（ｍ），共轭水深ｈ2（ｍ），收缩断面流速Ｖｃ（ｍ／ｓ），弗劳得数Ｆｒ1，下游水深ｈｔ（ｍ），水跃长度Ｌ（ｍ），Ｅ0（ｍ）为相对于收缩断面的上游总水头［3，4］．
上式适用于消力池内没有设辅助消能工的水跃计算，ｈｔ＝下游水位－河床高程．消能计算成果见表1．
按平底护坦计算收缩水深和共轭水深及水跃长度，进行水流衔接状态判别，计算结果为共轭水深大于下游河床水深，即发生远离水跃，且水跃长度大于实际地形，需建消力池．参考其他工程经验最终右岸最终消力池为82ｍ×55ｍ，池内具体布置见工程概况部分．在完成了消力池的设计之后，进行了消力池的消能试验．
表1 消力池计算成果
3 消力池消能实验
3．1 设计消力池的消能情况
按照设计的消力池大小进行试验，重点研究2个工况下（1000、3000ｍ3／ｓ）的水跃和消力池的消能情况．1000、3000ｍ3／ｓ时的消力池内实测水跃特征参数见表2．
比较表2后发现，加设趾墩、消力墩和尾槛后测量的跃长在1000、3000ｍ3／ｓ时分别为25．3、37．5ｍ，发生淹没水跃时下游的ｈｔ明显低于计算得到的ｈ2，而这2个工况下的按平底护坦理论计算的水跃长度分别为49．0、71．4ｍ，分别较计算的跃长缩短了48．4％、47．5％，跃后断面距尾槛的距离在2个工况下分别为20．5、17．5ｍ．
表2 消力池内水跃特征参数
注：ｈ1为跃前收缩水深；ｈ2通过试验数据计算得到；ｈｔ为实验测量的下游水深；跃前流速为测量所得．
1000ｍ3／ｓ时消力池尾槛表面平均流速为4．05ｍ／ｓ，距尾槛1ｍ处河道断面平均流速为2．79ｍ／ｓ，距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为2．20ｍ／ｓ；3000ｍ3／ｓ时消力池尾槛表面平均流速为6．38ｍ／ｓ，距尾槛1ｍ处河道断面平均流速为4．17ｍ／ｓ，距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为3．45ｍ／ｓ．
3．2 优化后的消力池消能情况
通过试验发现，加设辅助消能工后消力池的尺寸在各个工况下都能满足整个水跃都在消力池中的要求，其中在500年一遇洪水时跃后断面距消力池尾槛的距离为9．8ｍ．根据业主方的要求建议对消力池规模进行优化，经分析研究后，决定将消力池尾槛向上游移动7ｍ，其他尺寸不变．表2列出了优化后消力池内实测水跃特征参数．表中1000、3000ｍ3／ｓ时测量的跃长分别为27．5、37．0ｍ，较按平底护坦理论计算的水跃长度缩短了43．9％、48．2％，而此时2个工况下跃后断面距消力池尾槛的距离分别为12．5、10．0ｍ．1 000ｍ3／ｓ时消力池尾槛表面平均流速为3．77ｍ／ｓ，距尾槛1ｍ处河道断面平均流速为3．14ｍ／ｓ，距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为2．15ｍ／ｓ；3000ｍ3／ｓ时消力池尾槛表面平均流速为6．37ｍ／ｓ，距尾槛1ｍ处河道断面平均流速为4．57ｍ／ｓ，距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为3．52ｍ／ｓ．
3．3 不设消力墩的消力池消能情况
上面两部分内容都说明了加设辅助消能工后消力池内水跃的缩短情况，通过2个典型工况，加设辅助消能工后水跃长度比计算的理论长度缩短了43．9％～48．4％，通过对比可以发现优化后消力池后面的河道断面流速变化并不大，反而有尾槛前移后下游河道断面流速减小的趋势，所以可以认为消力墩在促使高速水流形成水跃的过程中的作用是明显的．表2列出了撤消消力墩后1000、3000ｍ3／ｓ时的消力池内实测水跃特征参数．表中1000、3000ｍ3／ｓ时测量的跃长分别为26．0、35．5ｍ，分别较按平底护坦理论计算的水跃长度缩短了46．9％、50．3％，此时较优化前后的跃长缩短更多，只是此时高速水流冲出趾墩较远的距离，在流量为1000ｍ3／ｓ时，跃后断面水深已经刚刚接近消力池尾槛．下面分析不设消力墩的下游河道断面流速分布，1 000ｍ3／ｓ时距尾槛1ｍ处河道断面平均流速为3．90ｍ／ｓ，较优化后的流速增大了24．2％；距尾槛36ｍ处下游河道断面平均流速为2．61ｍ／ｓ，较优化后的流速增大了21．4％．3000ｍ3／ｓ时距消力池尾槛1ｍ处河道断面平均流速为5．05ｍ／ｓ，较优化后增大了10．5％；距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为3．84ｍ／ｓ，较优化后增大了9．09％．试验过程中发现不设消力墩后下游河道断面的底部流速明显增大，表面流速较优化后还稍微有所减小，这样对于下游河床的保护是不利的．
3．4 不设消力墩和尾槛的消力池
从前面的一部分内容可知，不设消力墩后水跃长度变化不大，但是整个水跃在消力池内的位置发生了改变，在各个工况下（特别是小流量情况下）不能保证整个水跃完全发生在48ｍ长的消力池内，为进一步探讨尾槛对于水跃的消能影响，把消力墩和尾槛同时撤除来研究水跃的消能情况，以3000ｍ3／ｓ时为例，水跃特征参数见表2．表中测量的跃长为31．5ｍ，较平底护坦理论计算的水跃长度缩短了55．9％，此时较优化前后的跃长缩短更多，只是此时高速水流冲出趾墩较远的距离，整个水跃不在消力池内，冲出了消力池15ｍ左右．此工况下距尾槛36ｍ处河道断面平均流速为4．32ｍ／ｓ，较优化前的3．45ｍ／ｓ增大了25．2％；较优化后的3．52ｍ／ｓ增大了22．7％，较不设消力墩情况下的3．84ｍ／ｓ增大了12．5％．从22．7％到12．5％之间差10．2％，这个10．2％是由于不设尾槛造成的，由此得知不设消力墩和不设尾槛在水跃消能的作用中是不同的，所占的比例分别为55％和45％，消力墩在整个水跃消能过程中起主要作用．
4 结语
竹篙滩水电站为在建工程，采用底流消能形式，经过优化后的消力池布置方案已经被设计方和业主方采用．对于地质条件不太好的中低水头水电站，经常采用底流消能的形式来消减过坝高速水流的能量［5］，这样对消力池的设计就提出了要求，既要保证建筑的运行安全，保护下游河床不被冲刷，同时也要考虑所用方案的经济性．从本文中可知趾墩、消力墩、尾槛都对缩减消力池、消减高速水流能量的长度起到了作用，从本工程来看一定形式的辅助消能工（溢流坝末端设趾墩，在消力池上游1／3处设五边形消力墩，在消力池末端设高低差动坎）能够使消力池的长度缩短37％左右（50 年一遇设计池长76．5ｍ）．趾墩和尾槛在消减能量和迫使水流发生强制水跃中起到明显作用，这样可以减小消力池开挖，缩短消力池长度，同时让高速水流的能量得到明显消减，从本工程看加设消力墩和尾槛可消减水流总能量的22．7％．当然，电站在实际运行过程中还要考虑很多跟消能有关的因素，比如闸门的开启方式［6］、消力墩的抗破坏能力、下游河床岸坡的抗冲刷能力等，都要在实际的运用过程中总结，并在实践中检验．
参考文献：
［1］ 高鹏，杨永全，邓军，等．多孔淹没出流消力池复杂流态分析［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），2006，38（5）：70－75．
［2］ 田儒琴．湖南省花垣县水电站枢纽建筑物布置设计说明书［Ｒ］．湘西自治州水利水电勘测设计研究院，2007．
［3］ 王均星，朱祖国，陈利强．湖南竹篙滩水电站水工模型试验研究报告［Ｒ］．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，2009．
［4］ 李炜，徐孝平．水力学［Ｍ］．武汉：武汉水利电力大学出版社，2001．
［5］ 肖兴斌．底流水跃消能在工程中的应用与发展述评［Ｊ］．人民珠江，1991，（3）：22－27．
［6］ 吴雪茹．溢流坝后河床冲刷探讨［Ｊ］．中国农村水利水电，2007年（增刊）：178－180．
作者简介：王均星（1963－），男，博士，教授，主要从事水工结构研究．
