水庫溢洪道多級消能研究范文

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《中國水能及電氣化雜志》2015年第七期

1原消能方案存在的問題

三種工況下的模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，對整個溢洪道進(jìn)行多級消能，基本能夠完成泄洪消能要求，各工況下不存在高速水流現(xiàn)象，因此，發(fā)生空蝕、磨蝕及建筑物振動等不利影響的可能性不大，但在個別工況和一些特殊位置仍然表現(xiàn)出一些不利現(xiàn)象，主要是工況3下的交錯加糙段，在流量較小情況下，會形成局部空腔，并產(chǎn)生較大負(fù)壓，容易產(chǎn)生空蝕破壞，其原因是加糙段與水流方向垂直，并且高度較大［2］;其次是在泄洪道進(jìn)口段，在工況2水位條件下，水位已經(jīng)越過導(dǎo)流墻頂部并橫向進(jìn)入溢洪道，出現(xiàn)脫壁繞流問題;一、二級間的彎道過渡段轉(zhuǎn)彎幅度較大，在大流量狀態(tài)下，右邊墻有少量溢水，并導(dǎo)致第二級水面擺動幅度增大，二、三級連接段也存在類似問題;交錯加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是摻氣過度使水深增加，并導(dǎo)致水流從邊墻溢出。

2消能方案優(yōu)化

2.1溢洪道體型修改方案針對原方案不足之處，提出兩點(diǎn)修改建議:首先，將溢洪道進(jìn)口段導(dǎo)流墻頂高程改為2585.00m(見圖2);其次，取消溢洪道加糙段底板加糙條，以改善下泄水流的流態(tài)。

2.1.1優(yōu)勢泄洪道進(jìn)口段修改方案實(shí)施后，高水位進(jìn)口流態(tài)明顯改善，過流能力略微增加，但與原方案相差不大;模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，各個測壓孔壓力值總體有所減小，最重要的是負(fù)壓消失，原因是去掉底板加糙條后，下泄水流流態(tài)有明顯改善，下泄流速增大，壓能相應(yīng)減小，由加糙條造成的漩渦區(qū)消失，因此負(fù)壓不復(fù)存在。

2.1.2不足由于取消了泄流槽底板的加糙條，在改變流態(tài)的同時，水流速度明顯增加。流速增加的負(fù)面效應(yīng)就是溢洪道末端消力池內(nèi)難以形成水躍，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流態(tài)，挑距與水舌高度比原方案有明顯增加。試驗(yàn)結(jié)果顯示:在所有三種工況下，消力池均失去其基本的消能作用。很明顯這一現(xiàn)象是由于消力池長度和深度不夠造成的。但是要實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)的底流消能，消力池的長度和深度需要大幅度增加，例如:在工況2的條件下，要實(shí)現(xiàn)底流消能必須將消力池深度由現(xiàn)在的1.20m增加到4m以上，顯然在經(jīng)濟(jì)上是不可取的［3］。

2.2進(jìn)一步優(yōu)化

2.2.1優(yōu)化措施針對原修改方案存在的消力池失效問題，擬將溢洪道出口消力池由底流消能改為挑流消能。根據(jù)消力池周邊地形及下游河道狀況，經(jīng)過優(yōu)化比對，決定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程為2532.30m，樁號為0+222.590，比原方案消力池末端向上游移動約8.16m，挑流鼻坎的挑角設(shè)計(jì)為25°，其具體設(shè)計(jì)體型如圖3所示。

2.2.2模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.2.1動水壓力分析經(jīng)過模擬試驗(yàn)對不同工況下的時均動水壓力值進(jìn)行測量，結(jié)果顯示，各工況下各個測壓孔均無負(fù)壓值出現(xiàn)，壓力值均符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2.2溢洪道流速、流態(tài)及水面線分析由于此次修改措施只影響溢洪道下游的水流態(tài)勢，因此，在模擬試驗(yàn)過程中只對泄0+178.042向下游進(jìn)行測量，實(shí)測結(jié)果顯示各工況水流下泄平穩(wěn)，流態(tài)良好。部分流速值見表2。取消加糙條后流速會增加，是否會產(chǎn)生空化對過流壁造成危害，需要進(jìn)行分析計(jì)算［4］。根據(jù)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用水流空化數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算出各個測量斷面的空化數(shù)(見表3)，計(jì)算結(jié)果顯示水流空化數(shù)都遠(yuǎn)大于0.30，因此，溢洪道過流壁不會因?yàn)樗骺栈獾娇瘴g破壞。試驗(yàn)結(jié)果顯示:挑流消能工運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高點(diǎn)距鼻坎的距離見表4)，從水舌挑流形態(tài)來看鼻坎挑流順暢，水舌形態(tài)良好。

2.2.2.3下游河道流速及流態(tài)各工況下，下游河道各測速點(diǎn)實(shí)測流速值見表5。從中可知，各工況下岸邊流速都在4m/s以下，其中，工況2下不超過3m/s。下泄設(shè)計(jì)流量以下時，下游河道流態(tài)良好。在工況1和工況3下，在泄0+253.297斷面左岸附近有回流，但是回流流速不超過4m/s，不會對下游河道流態(tài)造成負(fù)面影響。

2.2.2.4下游河道沖淤在模擬試驗(yàn)中，各工況下水流對河道的沖刷時間均保證在5h以上，以便使河道沖淤達(dá)到形態(tài)不再變化的平衡狀態(tài)［5］，并將測得的各特征值列于表6。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，各工況沖坑底到挑流鼻坎的距離在22～34m之間，并且坡度很緩，不會危及溢洪道安全。

3結(jié)語

通過加高導(dǎo)流墻可以有效解決高水位狀態(tài)下，溢洪道進(jìn)口導(dǎo)流墻脫壁繞流現(xiàn)象;交錯形加糙段加糙條阻水作用明顯，拆除后流速有所加大，但不存在超過20m/s的高速水流現(xiàn)象，并且水流流態(tài)明顯改善;原方案各工況下，溢洪道末端消力池內(nèi)不能形成底流消能流態(tài)，將底流消能改為挑流消能后，消能效果良好，下游流速較小，回流流速都在4m/s以內(nèi)，不會對岸坡造成明顯沖刷，滿足出口水流銜接要求。

作者：劉志芳 單位：山西省禹門口水利工程管理局