工程水力学论文新型消能工的发展与工程应用.doc

新型消能工的发展与工程应用摘 要：结合工程实践经验，基于前人的研究，分析和总结一些新型消能工的原理、优缺点和应用范围，开阔视野并积累工程经验，为今后的规划设计工作提供参考和依据。关键词：新型 消能工 工程应用The Development And Engineering Application OfNew Energy DissipatorABSTRACT：Combined with engineering practice experience, based on the predecessors research, analyzed and sunnarized some new type of energy dissipators advantages, disadvantages and application scope to expend my horizon and enrich my engineering experience, and then provide reference and basis for future planning and design work. KEY WORDS: New Energy Dissipator Engineering Application1 概述水电作为可再生能源，相比其他能源具有许多优势。而我国河流众多，径流丰沛、落差巨大，水能资源蕴藏量十分丰富，全国水能资源理论蕴藏量6.94亿kW，约占全世界水能资源总量的1/6，居世界第一位，其中技术可开发量5.42亿kW，经济可开发量4.02亿kW，但水能资源地域分布不均，70%的水能资源集中于西南地区（见图1）。然而西南地区河流洪峰流量大、河谷狭窄、泄流单宽流量大、河道蜿蜒曲折，因此泄水建筑物与其他建筑物的布置矛盾较为突出，传统消能工在本区域工程的应用中出现了许多问题。经过水利工作者艰苦不懈的努力，许多新型消能工应用于不同的工程，并经过工程实践后得以验证其消能效果，为今后工程的实施积累了宝贵的经验。图1 我国水能资源分布图2 传统消能工简介传统消能工主要有底流消能、面流消能和挑流消能三种，分别在各类工程中都有着广泛的应用和成熟的理论计算方法、设计施工方案和运行管理经验。底流消能又称水跃消能，是一种古老的消能方式，能够适应各种水头和不同的地质条件，流态稳定且雾化影响小；但多用于中小型工程，对于高坝泄流消能由于高速水流对于消力池及其附属结构的荷载难以控制、容易引起消力池底板的破坏而较少使用。面流消能多用于中、低水头工程，具有工程量小、施工工期短和节约投资的特点，但对下游水深变化敏感，流态复杂多变，不容易进行识别和控制，下游波浪大造成护岸工程量增大。挑流消能适用于下游河床基岩较坚硬、完整，下游水泣变福较大的倩况，具有结构简单、易于检修、投资少、适应性强的特点，但是若结构及体型尺寸选择不当、布置不够合理，易造成坝下较严重的冲刷，危及两侧岸坡的稳定，坝下回流严重、淘刷坝脚，枢纽布置不当会造成雾化严重。3 新型消能工的发展与应用3.1 宽尾墩宽尾墩是我国首创的一种新型消能工，作为一种大单宽低弗劳德数的消能方式，已经在安康、五强溪、岩滩、隔河岩等许多大型水利水电工程中得到了成功的应用。图2 戈兰滩水电站表孔宽尾墩纵剖面图3 戈兰滩水电站表孔宽尾墩平面图宽尾墩的消能原理：水舌在闸墩尾部由于宽度被骤然收缩，迫使水流在竖向和纵向扩散，促使水流强烈紊动掺气和碎裂；同时，射流受强迫变形，产生强烈的冲击波干扰和碰撞，水流纵、横断面上的质点流向、流速梯度和压力梯度急剧变化，使射流从二元流动的自由剪切紊动转变为三元流动的强化剪切紊动，从而提高了消能率。宽尾墩具有以下优点：（1）下泄水流掺气充分，纵向拉开，消能率高，回流范围小，回流流速低；（2）可降低冲坑上游坡度，有利于大坝稳定；（3）提高坝面压力和闸墩压力，消除坝面负压，有利于减轻坝面空蚀破坏；（4）提高闸墩侧向稳定性，有利于抗震；（5）结构简单、安全可靠，投资少、效果好。宽尾墩既可用于溢洪道、泄洪洞，也可用于坝身表孔和深孔，并多与其它消能方式联合运用，消能效果良好。但宽尾墩后多接挑流消能方式，因此雾化严重。3.2 大差动挑坎大差动挑坎，也称为高低坎。其原理是在坝上不同的位置布置不同孔径不同数量的表、中、底泄流孔，组成不同高程、不同挑角的大差动挑坎，使水流产生三维扩散和撞击，即平面上左右扩散撞击，立面上下水流对冲，从而促使紊动掺气，提高消能效率。图4 江垭水利枢纽大差动挑坎消能工其优点主要是扩大了水舌落水面积，封闭河床.阻断回流，减轻冲刷。但是鼻坎易空蚀，雾化较为严重，工程应用时应予以重视。3.3 窄缝坎窄缝坎是挑流鼻坎的一种，其原理是坎沿流程收缩，将出口过流宽度缩窄为小于原有宽度的1/2，使挑出的水流形成窄而高的射流，在空中向竖向和顺水流流向充分扩散，以减小水舌入水单位面积能量，减轻下游局部冲刷。图5 窄缝坎设计图窄缝坎适用于峡谷地区的高坝泄流建筑物。3.4 消力井消力井的消能机理是：在竖井下部开挖深度较深、直径较大的消力井，一般要求消力井直径D和竖井射流直径d之问的关系为D2d。水流从井顶溢流面或框架型堰顶进入竖井内，由于带入了大量空气，使得竖井中水流充分掺气，空气的混掺和紊动使水气体积膨胀，跌至井底后，水从井底反射并与下落的水流相互碰撞，能量急剧耗散，这种消能方式具有布置灵活、消能率高、抗空蚀性能强且投资省等特点。对于完全淹没竖井连接消力井的泄水道，消能率达30% 50%，而白由掺气消力J消能率可达80%以上。消力井虽然消能率极高，但井内水流紊动剧烈，脉动压力大，要求围岩整体性好、强度高，适用于地质条件较好的工程，在实际工程中应用较少。国内在低水头小流量的水电站工程上曾尝试使用消力井消能，而高水头大流量的水电站工程尚无应用这种消能的实例。万家寨引黄入晋工程北干线调节水库（大梁水库）的放水洞利用竖井式消能，该放水洞设计流量20 m/s，水头差154.59 m。放水洞竖井直径2m，消力井直径6m，深21m，通过掺气作用，消能率达80%以上。俄罗斯的卡姆巴拉金水电站两条泄洪洞把导流洞改建为消力井进行洞内消能，进水口设两道平板闸门，门后设掺气跌坎，通过圆弧水道同竖井连接，下接直径为10m，高为48.3m的消力井(其中泄洪洞底高程下挖深10m)，泄洪洞闸门作用水头114m，总水头约240m，泄流量可达 750 m/s。图6 卡姆巴拉水电站消能井剖面图3.5 多级孔板孔板消能工消能机理是:在孔板泄洪洞内设置一级或多级混凝土环，水流在孔板处流线突然变化，水流势能降低，动能增加，一部分势能转化为动能，而在此后的水流调整过程中，动能又逐渐恢复为势能，并在孔板的上、下游侧产生环状的收缩水流，在收缩水流与泄洪洞周边之问的区域发展为漩涡区，漩涡区水流强烈紊动、混掺和水流内部的剪切作用使得在水流内部产生剪切摩擦与碰撞，将一部分动能转变为热能，从而达到减小流速、减少磨损的目的。在多泥沙河流中修建高水头、大流量的泄洪隧洞，采用多级孔板泄洪洞消能，既可减少水流对洞(管)壁磨蚀，控制水流速度，减轻出口的消能负担，又可减少隧洞内的内水压力，并减少造价。图7 小浪底水利枢纽平面布置图图8 小浪底水利枢纽泄洪洞结构图我国黄河小浪底水利枢纽采用孔板消能工，消能效果良好，堪称为此技术应用之典范，导流洞贴近原河床布置，利用导流洞作为永久泄洪洞泄洪，最大水头达140 m，改建后的孔板消能泄洪洞可消煞相当于60m水流落差的能量，使洞内流速不超过35 m/s。小浪底工程由此减少3条泄洪洞布置，导流隧洞与泄洪隧洞共用洞段总长达3000m，占洞身总长88%，其重复使用率居国内各大水电工程之首。隧洞按压力可分为两段：中闸室前为压力段，中闸室后为明渠流。1#低位孔板泄洪洞的最大泄流量为1727 m/s，2#和3#高位孔板泄洪洞的泄洪能力均为1549 m/s，其孔板消能工具有以下特点：（1）流量系数较大。小浪底孔板泄洪洞的孔板孔径比分别为0.69和0.72，亦即过水面积比为0.476和0.520，流量系数达到0.70.75。（2）消能率较高。消能率可达到40%60%。（3）空化空蚀不严重。在孔板处虽然出现弱空化，但是总体上没有发生强烈的空化空蚀现象。4 小结近年来，水利水电工程建设条件越来越复杂、挡水水头越来越高，这对水工泄流建筑物的布置和结构提出了越来越高的要求。经过众多水利工作者的不懈努力和刻苦钻研，许多新型消能工在工程中得以应用，并取得了丰富的工程实践经验，新型消能工呈现出多样、消能率高和联合运用的特点。通过对新型消能工的分析和总结，为今后的规划设计提供