挑战流力塘，探究水流特征

消力塘内的流态特征及其演变与下游水垫深度ht、入水单宽流量q、入水角度β、水舌厚度d 0（或射流直径）等因素有关。在来流条件不变的情况下，随着下游水垫深度的不同和入水角度的变化，塘内水流可能呈现为自由冲击射流、淹没冲击射流、面流型三种流态。

2.2.1.1 自由冲击射流

从下游无水到形成远驱水跃、临界水跃，此时下游水垫深度较浅，射流呈现自由冲击射流（图2.3）。这种水流形态时，视水舌宽度和消力塘的尺度关系而呈现不同流态。若水舌宽度远小于消力塘宽度，塘内水流呈三元形态，水舌直接砸在塘底板上，且向四周扩散。若水舌宽度与消力塘宽度接近，塘内水流呈准二元形态。由于坝体的存在，在坝体与水舌间形成一个水塘，而没有形成有效的水垫。水舌落点下游区的水深也不起实际水垫作用，相当于远驱水跃的急流区。这种情况下，跌落点水流的冲击压力几乎等于总作用水头。在高水头的情况下，这种流态的射流对底板冲击压力过大，加上塘内流态变化急剧且不稳定，临底流速过大易造成空蚀破坏，故在高坝消力塘消能问题中，必须避免出现这种流态。

图2.3　消力塘内自由冲击射流

（a）远驱水跃；（b）临界水跃

2.2.1.2 淹没冲击射流

当下游水垫深度ht超过h″c一定值后，下游水垫对入射水流起到了顶托作用，此时射流冲击点附近的收缩断面淹没度较大，塘内将呈现为斜向淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态。淹没冲击射流又可以分为两个阶段：①临界水跃—淹没水跃，如果提高下游水位，塘内水跃形式由临界式变成淹没式，水舌入水成为潜流，但水舌跌落点上下游存在水位差，此时水垫的作用明显；②再提高下游水位，则水舌跌落点上下游的水位差消失，上下游扩散基本对称。日本安芸周一[1]给出了以有效水垫深度h t与水舌厚度d 0比值为参数的两个区域的界限。当ht/d 0＜20时，消力塘内流态为①型；当ht/d 0＞20时为②型。(www.xing528.com)

对于淹没冲击射流情况，入射水流沿主射流方向可分成3个不同性质的子区域（图2.4）：淹没射流区（Ⅰ）、冲击区（Ⅱ）和壁射流区（Ⅲ）。其中，淹没射流区，主流近似遵循线性扩散规律，时均速度分布近似满足相似性条件；在冲击区，主流转向、流线弯曲，流速迅速减小，压力急剧增大，对消力塘底板产生巨大的冲击压力，是造成底板块失稳破坏的主要区域，表现出明显的冲击射流特征。而在壁射流区，主流贴底射出，并沿程扩散和迅速跃起，在主流区的顶部形成大的表面旋滚区，具有明显的淹没水跃特征。

图2.4　不同冲击高度的淹没冲击射流

文献[2-4]的研究表明，对于不同的d 0和ht，塘内的射流又可分为大冲击高度射流和小冲击高度射流。在大冲击高度射流情况下，ht＞8.3d 0 sinβ，此时塘内射流在进入冲击区之前已达到充分发展阶段，射流的临底流速与射流轨迹长度成反比。而对于小冲击高度的射流，ht＜5.5d 0 sinβ，此时射流在核心区结束之前已进入冲击区。

2.2.1.3 面流型

随着下游水垫深度的进一步增大，或在射流入水角度不大的情况，将会导致射流水股从塘底抬升至水面附近，形成面流流态，如图2.5所示。根据文献[5-6]对薄壁堰和跌坎下游流态演变问题研究成果，面流流态又可细分为表面波破碎、表面波流、表面射流三种。鉴于高坝下游消力塘流动特征和尾水的变化范围，虽然在消力塘内出现表面波流和表面射流的情况是不可能的，但主射流区从临底抬升至水面附近，并在表面形成波破碎特征的流态则有可能。常见于坝身中孔单独泄流工况，如构皮滩和溪洛渡工程的中孔泄流工况均属这种面流型流态。

当消力塘内出现面流型流态时，高速水流从底部抬升至水面表层，造成水面波动剧烈，形成大的涌浪，大量余能溢出二道坝，使坝下游河床两岸易遭冲刷破坏，故这种流态在消力塘设计时应尽量避免。

在工程中实际运行的消力塘，任何工况下都必须保证第二种流态，即保证消力塘中有足够的水深来消杀射流水舌挟带的巨大动能。消力塘中不同的流态直接决定了射流流速在水垫中的衰减和消力塘底部冲击压力和脉动压力的强度与分布等。