第八节　消力池的翼墙扩张型式

§8.Type of wing wall extension along stilling basin

一、翼墙的作用和适宜扩张角[1，15]

闸坝下游侧边翼墙或导墙具有导流和消除回溜的作用，能使泄流均匀扩散并尽快过渡到下游河渠的正常流速分布状态。但若扩张角度太大又无消能时，出闸急流就会脱离边墙形成“人”字形波继续保护急流前进，再结合出流受消力池前玻底边突扩影响，就更容易形成波状水跃，此时消能作用甚微，如图2-41（a）所示。这种接近临界水流的波状水跃，一般发生在共轭水深h2/h1≤2，或弗劳德数Fr21≤3的急流中。因为两侧回溜压迫主流更加集中，甚至还会形成左右摆动的折冲水流，如图2-41（b）所示。这样将导致严重冲刷和昂贵的护坡，因此需要设计一种既能使水流均匀扩散，又有最大扩张角的较短翼墙。

翼墙或边墙的扩张角大小，可从水流的扩散速度作简单说明，见图2-42。下面以水流向旁侧扩散速度vy与纵向速度vx来表示出流扩散角度θ，横向速度vy决定于水流的厚度h，平均值为

它与原纵向流速的比值，即水流扩张率为

由此可知，扩张率与弗劳德数Fr成反比。

急流在平台上扩散，沿纵剖面方向不受重力影响，基本上符合式（2-67）的规律。若在陡坡上则受重力沿流向的分力作用，形成加速流而减小了扩散能力。相反，在反坡上就必然会加大水流的扩散能力。所以在出流平台上加小槛及消力池尾槛等促使水流发生仰角都有向旁侧扩散的作用，例如，某水库泄洪洞出口紧接1∶6的陡坡，出流段Fr=4.5，边墙扩张率tanθ=1/8时，急流即与边墙脱离；模型试验中修改为8m长的出流平台再接以曲线陡坡至消力池时，急流段边墙扩张率则可加大为1/7，说明出流平台对高速水流的扩散作用也很明显。

在没有消能措施的出闸水流情况下，我们曾对急流、缓流和临界水流等分别进行过试验。以水流扩散恰好不出现旁侧回溜为标准，试验结果如图2-43所示，急流的扩张率随或Fr急剧地变化，而缓流和临界流的扩张率变化很缓。并知在没有任何消能工时，急流的边墙扩张率最大为tanθ=0.123，扩张角约为θ=7°；缓流的最大扩张率tanθ=0.23，θ=13°左右。

实际工程多在消力池中设置一些槛、齿、墩、梁之类的辅助消能工，以促使水流的进一步扩散，这时边墙最大扩张率可达tanθ=0.57，θ=30°左右。根据文献[1]对25座水闸的最终修改边墙和消能工的试验资料及没有任何消能工的试验资料（图2-43）所作综合分析的结果，如图2-44所示。若从安全考虑取图中各点略偏下的实线值时，其方程式为[15]

式中　h2——护坦上或消力池中水流扩散段的尾水深；

H——上、下游水头差；

∑（P/h）——消能工高度P（排齿高或槛高）与该处水深h的比值之和，若消力池段的辅助消能工有出流平台小槛，池中又有消力墩一排，池末端还有尾槛，则∑（P/h）就是这三道消能工的各比值之和。

上面的边墙扩张角公式与文献[1]中分析的公式计算结果一致，只是式（2-68）的形式更为合理。式（2-68）既适用于水跃区及跃后缓流段的边墙平均扩张角计算，也可用于计算急流段的扩张角（或Fr＞1时）。

关于边墙的综合分析，系指出流后水跃在消力池或固定护坦消能扩散过渡段的平均扩张角度分析，按照出流的各段特点，应在出流平台以下（可能是射流的陡坡段）采用最小的扩张角；在水跃后缓流的消力池段则可采用较大的扩张角；结合消力槛、齿、墩的扩散作用，还可在这些辅助消能工附近再加大扩角。

【例】　江都西闸1991年洪水超设计流量运行，Q=1000m3/s，上游水位4.20m，下游水位2.70m，河底高程-5.00m，消能工只有池深0.8m；而翼墙扩角较大，平均θ=25°，以致闸下存在回溜使主流略偏，造成右侧岸坡脚的严重淘刷，试用扩角公式（2-68）加以核算。

【解】　护坦上尾水深h2=2.70+5.00=7.70，池水深7.70+0.8=8.50，尾槛高P=0.8，上下游水位差H=4.20—2.70=1.50，代入式（2-68）求得适宜扩角应为

二、突扩翼墙[8]

侧边回溜危害很大，但也可利用它与主流分界面的漩涡剪切应力来加速水流的局部扩散。如图2-45所示的突扩边墙布局，利用突扩处局部漩涡并结合消力池尾槛的作用，就能使其平均扩张角增大为θ=25°（参见图2-44中的试验结果，最大扩张率tanθ=0.46），也不致在护坦末端岸侧发生回溜，下游河床冲刷也有显著减轻。若采用单一直线或弧形边墙而无辅助消能工时，只允许平均扩张角13°左右。突扩边墙在急流区斜坡段的扩张角仍取7°，消力池平底开始利用水跃后的扩散这一有利条件可突扩25°，出池后利用尾槛对水流的扩散作用可再突扩一次，仍用25°。此时由于增大扩角和突扩后的断面加宽，能使翼墙长度更为缩短。至于翼墙与渠道岩坡的衔接处仍可采用扭曲面砌石。

突扩翼墙在消除侧边回溜较之单一圆弧翼墙也有较好的扩散效果，对于部分开闸门时发生波状水跃情况或全开闸门高淹没度情况下均能获得满意的扩散水流效果，如图2-46所示为高良涧闸试验中的一组结果。

三、坡面边墙（梯形断面水跃）

水跃前和跃区（消力池或护坦等消能扩散段）的边墙应为直立式，而消力池与下游河道坡面的衔接宜采用扭曲面形式。若在水跃区采用坡面边墙，如梯形渠槽中的水跃（图2-47），由于跃前、跃后水面宽度不同，边坡上水体不发生旋滚而形成立轴回溜，使主流集中或偏流。这种现象在高速水流中更为明显，如图2-48所示，为宜兴横山水库溢洪道模型试验实例[16]，急流在边坡1∶1梯形渠槽消力池中产生水跃时形成偏流，没有充分发挥池中水体旋滚的消能作用，故在1973年发生消力池底与陡坡的冲毁事故。经试验研究在消力池边墙坡面上各加设消力槛（肋槛）两道，把底部急流拨转到水流中部以阻隔回溜的形成，是消除坡面回溜的最佳措施；加固工程采用肋槛后也被证明是成功的。消除梯形槽水跃偏冲的另一措施，还可使陡槽在跃首处扩至最宽并开始向跃区把槽宽逐渐缩窄，然后进入正常宽度的渠槽，使跃前浅水和跃后深水的水面宽度基本相等，也能得到较好的水跃消能效果。

四、导墙

水利枢纽中的溢流坝段下游，有时因不修建导墙或不拆除施工围堰等也会造成偏流。例如西津电站原建没有右侧导墙，泄流受回溜作用偏向右侧，岸坡处流速高达7.1m/s，坝趾附近底部横旋流速高达8.3m/s，风化岩石河床冲刷深8m，经修建30m右侧导墙后，回溜减轻，岸坡处流速减为2.2m/s，坝趾处旋流流速减为3.6m/s。可见泄流侧边的适宜导墙或边墙是不可缺少的。有时为了满足分区间开放闸门的要求，也必须修建导墙，例如葛洲坝27孔的二江闸为适应下泄流量及下游水位大幅度的变化，使水跃既不远离又不进入闸室冲击闸门，就采用了闸下设二道隔墙形成三区间放水，便于灵活调度运用。总之，不能让出闸主流荡漾于广阔水体中。