曹喜
（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）
我国拥有2.8×104亿m3的水资源总量，居世界第6，然而由于我国人口众多，且水资源分布不均，导致人均河川径流量不足世界平均水平的1/4，我国水资源需求与水资源占有量之间的矛盾十分显著。因此，大力发展水利事业，合理开发利用水资源是我国解决水资源矛盾的必由之路。在水利水电工程中，上游水体进行宣泄时，势能转化成大量的动能，导致下游消力池内水流紊动剧烈，水流衔接与消能问题是要解决的首要问题，处理不好有可能威胁泄水建筑物本身及下游安全。
鉴于泄洪过程中消能效果的重要性，国内外许多学者开展了研究。杜俊慧等依托乌江银盘水电站开展了泄水建筑物水工模型试验研究，研究分析了电站泄流能力及下游消能形式的选择，并提出了具体设计思路[1]；
邓懿等基于宽尾墩消力池开展了泄洪消能模型试验研究，分析了消力池池长对池内流态、流速等水力特性指标的影响[2]；
杨敏等基于模型试验研究，分析比较了跌坎消力池与传统消力池的流速特征，指出跌坎消力池流速信息更加复杂[3]。本文结合某工程设计，对消力池进行物理试验研究，结合其消能效果，对消力池体型进行优化设计，为类似工程设计提供借鉴。
1.1 模型设计
结合实际工程设计方案，研究采用正态模型，按重力相似准则设计，模型范围取溢洪道库区100.0 m，溢洪道下游至出水渠200.0 m。模型试验比尺λL=40，流速比尺λv=λL0.5=6.325，流量比尺λQ=λL2.5=10 119，糙率比尺λn=λL1/6=1.849。
1.2 模型制作
在模型制作过程中，溢洪道上游库区采用砖砌筑，并采用水泥砂浆对边墙及底部抹面，同时最外层刷两层防水涂料防止渗水。物理模型中，上游库区前沿长度为2.5 m，相当于原型水库中溢洪道上游100.0 m范围。进口段、泄槽段、下游消力池边壁及底板均采用有机玻璃板制作，板厚10 mm。为保证模型糙率相似，在模型制作过程中，下游尾水段采用混凝土制作。上游进水管采用电磁流量计控制进流流量，下游尾水设有矩形量水堰对流量进行校核。
为充分论证消力池设计体型对消能效果的影响规律，本文分别选取流量100，300，500 m3/s 进行试验。
2.1 原消力池设计方案
原设计方案中，消力池池长为100.0 m，池深8.0 m，分别结合不同流量条件开展试验。试验结果表明，原设计方案消力池在流量Q=100 m3/s 条件下发生淹没式水跃衔接，消能率为74%；
在Q=300 m3/s 时则转变成远驱式水跃，但此时消能效果尚好，消能率为76%；
在Q=500 m3/s 时，消力池内同样发生远驱式水跃衔接，如图1所示，但此时消力池水面不稳定且脉动较大，跃首前后移动，消力池末端及下游尾水渠水面波动剧烈，主流不对称，消能率仅为48%，说明在Q=500 m3/s 时，原设计消力池方案消能效果不能满足工程要求，为此，需要对消力池原设计方案进行优化。
图1 Q=500 m3/s 工况下原设计方案消力池内流态示意图
2.2 优化设计方案I
根据原设计方案试验结果分析，当Q=500 m3/s 时，远驱水跃不稳定可能是由消力池池深不足导致，因此，研究中加大消力池池深，进而加大淹没水深，有望改善水跃流态。优化设计方案I 将原消力池设计方案的池深调整为10.0 m，结合不同流量条件开展试验研究工作。试验结果表明，在Q=100～300 m3/s 时，消力池内水跃较为稳定，同时由于下游淹没水深增大，致使消力池内的消能效果有所提升，消能率为80%左右；
对于流量为Q=500 m3/s 工况时，消力池内仍然发生远驱式水跃，尽管水跃形态较原方案有所改善，如图2所示，但池内水面仍然表现不稳定，且出池水流流态较差，消能效果不能满足工程设计要求，需进一步对体型进行优化。
图2 Q=500 m3/s 工况下优化设计方案I 消力池内流态示意图
2.3 优化设计方案Ⅱ
前期试验结果表明，通过加大消力池池深，增大淹没水深可有效改善大流量条件下水跃的稳定性，但由于消能不充分，进而导致池内水流紊动剧烈，水面起伏较大，因此，应研究进一步考虑如何提高消能率。根据计算，当流量Q=500 m3/s 时，消力池内进口处断面傅汝德数Fr=15.6，此时若发生水跃，则为强水跃，跃后水面波动较大；
根据底流消能原理，在消力池进口处形成淹没式水跃效果较好，由于泄槽末端水流流速和傅汝德数较大，要想达到较好的消能效果，只能加设消能工来解决。部分研究指出，当上游来水流速过高、能量过大时，消力池内水跃消能不充分，需要在消力池内增加辅助消能工，如消能栅、趾墩、T 型墩、尾坎等来提高消能效果。T 型墩对消力池内水流具有一定的阻挡作用，可以改变消力池内水深，使池内水跃提前发生。在T 型墩作用下，消力池内水流发生强烈碰撞，紊动剧烈，从而促使消能效果得到提升。刘文华、孙栋芬、江锋等均对T 型墩消力池开展了物理模型试验研究，分析了其消能效果[4-6]。
鉴于前期研究及工程应用经验，研究提出在消力池内增加T 型墩对消力池进行改进。T 型墩消力池是在常规消力池加设一排消力墩，并与尾坎连成一整体，借助T 型墩及尾坎作用，将消力池内水流进行分散、撞击、掺混及分割等，从而在坎前形成强迫水跃，随后在坎后形成二次漩滚，池内水流流态类似消力戽的水流流态。与常规消力池或组合式消力池相比，其消能工体积小，消能率却较高，还可以缩短消力池长。同时，该优化方案还可兼顾校核洪水流量，能满足底流消能的基本要求，使水流与下游尾水渠有较好的衔接状态。
根据国内外的试验研究和工程实例，研究提出的优化方案中，T 型墩在池内排列的总宽度（阻水面积）约为池宽的50%，设计结构见图3，其各部分结构尺寸比例A∶B∶C∶D∶E=2∶3∶4∶5∶6。图3中，A为T型墩前墩厚，B为墩高，C为前墩宽，D为尾坎高，E为T 型墩支腿长。
图3 T 型墩设计尺寸示意图
试验结果表明，在Q=100～500 m3/s 时，消力池内均能发生稳定的淹没式水跃，池内水面波动较小，尤其当Q=500 m3/s 时，消力池内水面稳定，消能效果明显得到提升，消能率由原设计方案的48%改善至85%左右，消能效果显著，如图4所示。然而，此时受T 型墩的影响，下游跃后水深明显增加，达到11.5 m，超出原设计方案的8.0 m，出现水流外溢现象，由此表明，需要对原设计方案消力池边墙进行加高处理。上述试验结果充分说明在消力池中加设T 型墩后消能效果的改善是非常明显的，可以达到工程设计的要求。
图4 Q=500 m3/s 工况下优化设计方案Ⅱ消力池内流态示意图
本文结合某工程设计案例，采用物理模型试验方法对消力池内流态及消能效果进行了分析，提出了消力池优化思路，形成如下结论：传统底流消力池对于小流量来流而言，消力池内水面稳定，消能效果较好，可以满足工程设计要求；
加大消力池池深，可有效改善大流量条件下消力池内水流流态及消能效果，但改善效果有限，仍难以满足工程设计需求，需增加辅助消能工；
消力池内加设T型墩，可有效满足不同流量条件下的消能效果需求，极大地改善了消力池内水流流态，满足工程设计需求，推荐设计采用。