（水利水电工程专业论文）宽尾墩—消力池水动力特性研究.pdf

摘要 宽尾墩和底流的联合运用，其消能的基本原理是：除了堰顶冲击射流交汇掺 气消耗一小部分动能外，大量的动能系由相邻水股在反弧段向两侧坦化并在水垫 中碰撞掺混，从而在消力池内形成三元水跃，大大加强水流自身的紊动剪切作用 来进行消能。由于紊动水流的内部机理尚未充分认识，仅从理论上研究水流脉动 压力困难很大，因此对于工程中亟待解决的相关问题，目前主要还是借助水工模 型试验进行研究。 本文以四川官地水电站“溢流表孑l 宽尾墩+ 连续跌坎+ 底流消力池+ 中孔挑 流”消能方案的水弹性模型试验为依托，在总结前人研究成果的基础上，主要研 究“宽尾墩+ 底流消力池”情况下的反弧段和消力池水流特性和底板的受力。以 下是本文的主要工作： ( 1 ) 对y 型宽尾墩下各工况时溢流坝反弧段和消力池的水流流态迸行观 测；对时均压力、底板上下表面脉动压力和底板上举力进行时域、频域、幅值域 以及相关性的分析。 ( 2 ) 对不同体型宽尾墩( x 型和y 型) 下溢流坝反弧段和消力池的时均 压力、脉动压力和底板上举力进行对比分析，研究不同形式宽尾墩对溢流坝反弧 段和消力池的水流参数以及对底板上举力的影响。 ( 3 ) 对x 型宽尾墩下缘开口高度进行改变，研究下缘开口高度大小对实 验结果的影响。 ( 4 ) 考虑到原来底板块厚度较大安全系数较高，研究减小底板厚度以后底 板上举力的变化。 ( 5 ) 由于模型试验本身和测试装置有其局限性，对复杂水流流场相关信息 的获得是有限的，本文在模型试验的同时借助数值模拟技术对溢流坝反弧段和消 力池水流流场进行模拟，以弥补试验之不足。 关键词：水利水电工程，宽尾墩，空间三元水跃，消力池底板，上举力，脉动压 力，紊流数值模拟 a b s t r a c t i ne n e r j g yd i s s i p a t o rd e s i g n ，t h ep r i n c i p l eo fj o i n t a p p l i c a t i o no ff l a r i n gg a t ep e e r s a n db o t t o mf l o wi sa sf o l j o w s ：m o s to fw a t e rn o w e n e 唱yi sd i s s i p a t e dt h r o u g ht h a t t h ea d j a c e n tw a t e ri n t e r l a c ei no g e es e c t i o na n e n u a t i n gf - r o mb o t hs i d e sa n d c o l l i d i n g a n dm i x i n gi nw a t e rc u s h i o np o o l ，w h i c ht h u sc a nf o ms p a t i a l3 dh y d r a u l i ci u m p i n s i d et h ep l u n g ep o o l ，a n ds t r e n 昏h e nt h ee f f e c to ff l o wt u r b u l e n ts h e a rf o rd i s s i p a t i o n ， e x c e p tt h a tt h ec o n f l u e n c ea n da e r a t i o no fi m p i n g i n gj e to nt h ew e i rc r e s tc a nd i s s i d a t e as m a l lp a no fw a t e rf l o we n e r g y b e c a u s eo ft h ei a c ko ff u l l u n d e r s t a n d i n 2o n t u r b u l e n tf l o wi n t e r n a lm e c h a n i s m ，t h es t u d yo nf l o wn u c t u a t i n gp r e s s u r e o n l yi n t h e o qi sv e 巧d i 币c u l t s o ，a tp r e s e n t ，w es t u d yt h ec o l l r e l a t i v ep r o b j e m sn e e d e dt ob e s o l v e du 唱e n t l yi ne n g i n e e r i n gm o s t l yb a s e do nh y d r a u l cm o d e l t e s t a h y d r o e l a s t i cm o d e lo fg u a n d ih y d r o p o w e rs t a t i o ni ns i c h u a nw i t ht h ee n e r g v d i s s i p a t i o ns c h e m eo f“f j a r i n gg a t ep i e r so no v e r f l o ws u r f a c eb a v + c o n t i n u o u s d r o p s + b o t t o mf l o ws t i l l i n gb a s i n + d e f l e c t i n gf l o wb ym e d i u mo u t l e t s ” i se s t a b l i s h e d t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f o g e es e c t i o na n dt h ef i ) r c eo ns t i l l i n gp o o ri ss t u d i e di nt h i s p a p e r ，r e l i e do nt h em o d e lt e s ta n db a s e do nt h es t u d yr e s u l t so fp r e d e c e s s o r s t h e m a i nw o r ko ft h i sp a p e rc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 w r a t e rf l o wr e g i m ei nt h eo g e es e c t i o no fo v e r f l o wd a ma n ds t i l l i n gp o o rh a s b e e no b s e r v e di nt h ed i a e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so fy f l a r i n gg a t ep i e r s 。t h et i m e a v e m g e dp r e s s u r e ，f l u c t u a t i n gp r e s s u r eo nt h eu p d o w ns u r f a c eo ft h ef l o o ra n du p l i r o nt h ef l o o ri sa n a l y z e di nt i m ed o m a i n ，f e q u e n c yd o m a i na n da n l p l i t u d ed o m a i n t h ec o r r e l a t i o no ft h o s ef o r c e si sa ls oa n a l y z e d 2 t h et i m ea v e r a g e dp r e s s u r e ，f l u c t u a t i n gp r e s s u r ea n du p l i ro nf l o o r so nt h e o g e es e c t i o no fo 、，e 讯o wd a ma n dt h es t i l l i n gb a s i no nt h ec o n d i t i o no fd 订瓷r e n ts h a d e f l a r i n gg a t ep i e r s ( xt y p ea n dyt y p e ) i sa n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y t h e nt h ei n f l u e n c e o ff l a r i n gg a t ep i e r sw i t hd i a e r e n ts h a p e so nt h ef l o wp a r a m e t e r so ft h eo g e es e c t i o n o fo v e r f l o wd a ma n dt h es t il ji n gb a s i na n da l s oo nt h eu p l i f to nf l o o r si sg a i n e d 3 t h eh e i g h to fx - f l a r i n gg a t ep i e r sd o w ne d g ei sc h a n g e dt or e s e a r c hi t si m p a c t o nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t 4 c o n s i d e r i n gt h a tt h ef l o o rp l a t eo fp l u n g ep o o lh a sl a 唱e rt h i c l ( n e s s ，w h o s e s a f i e t yc o e 伍c i e n tt h u si sh i g h e r ，t h ep a p e rs t l j d i e dt h ec h a n g e so f u p l i ro nf l o o r so f p l u n g ep o o ib yd e c r e a s i n gi t st h i c l ( n e s s 5 t h ec o r r e l a t i v ei n f o m a t i o no fc o m p l e xf l o wn e l di sl i m i t e da sar e s u l to f i n h e r e n tl i m i t a t i o no fm o d e le x p e r i m e n t sa n dt e s t i n gd e v i c e s o ，t h i sp a p e rs i m u l a t e d t h ef l o wf i e l do fo g e es e c t i o no fs p i l l w a yd a ma n ds t i l l i n gb a s i nt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb e s i d e sm o d e le x p e r i m e n t ，t or e m e d yd e f e c t so fi t k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca n dh y d r o e l e c t r i c h y d r a u i i cj u m p ，s t i l l i n gp 0 0 1b a s es l a b ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e n g i n e e r i n g ，f l a “n gg a t ep e e r s ，s p a t i a l3 d u p l i r1 0 a d ，f l u c t u a t i n gp r e s s u r e ，t i j r b u l e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨姿态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：专蕃张香灾签字日期：知口吕年乡月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：童乞谁敏 导师签名： 叫嚣 筌字日期：) 口口g 年舌月多日 签字日期：洲8 年p 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 对于水利工程的设计与研究，泄洪消能是一个非常重要的课题，它不仅关系 整个水工枢纽布置，直接影响工程量与投资，它的成败还涉及坝的运行与下游城 镇的生命财产安全。我国目前在建和拟建的大坝大多处于峡谷地区，窄峡谷、水 头高、单宽流量大，泄洪消能问题特别突出。鉴于我国水利工程泄洪消能的这些 特点，许多专家学者对消能方式进行了大量的研究。在8 0 年代以前，对高坝的 泄洪消能，大部分采用挑流消能、挑流加底孔联合消能、底孔消能等形式；对中 低坝，采用面流消能。这些消能形式，通过试验并应用于工程实际，起到了一定 的消能作用，但往往不很理想，如某些工程的挑流消能中，冲刷坑深度超过设计 深度，出现坝基不稳定，某些高坝在挑流泄洪过程中，出现水溅与严重雾化，使 水工建筑物附近出现“大暴雨”区，污染坝区。有些中型大坝，采用面流消能后， 出现下游岸坡严重冲刷，护坡工程成倍数增加，有些出现坝下冲刷坑加深，尤其 是两侧回流影响，深度加大。其他的消能形式，如底流消能，虽效果较好，但工 程量较大。总结过去成功与失败的经验，水力学专家们提出了宽尾墩新型消能工 型式，解决了窄河谷、深尾水、大流量的消能难题，并在安康、五强溪、水东、 隔河岩、岩滩、大朝山电站等大型工程及一批中型工程中应用，取得很好的效果。 我国目前在建和拟建的大坝大多处于峡谷地区，泄洪消能问题特别突出，且 西部山区河流高水头大单宽有很大的开发前景，所以对宽尾墩这种消能设施更进 一步探索，研究宽尾墩与其他消能形式联合的一体化消能工的水力特性，对解决 峡谷地区水利枢纽的消能问题具有重要意义和广泛的应用前景。 本文通过模型试验，在研究宽尾墩联合消能工的同时，继承天津大学在水垫 塘底板稳定分析方面的传统优势，综合考虑不同形式宽尾墩下动水荷载对消力池 底板受力的影响。 1 2 宽尾墩 宽尾墩消能工是中国首创的，7 0 年代初期林秉南 1 - 2 】、龚振瀛3 1 提出了将闸 墩尾部加宽，使墩后水流在横向收缩，形成窄而高的射流，然后沿溢流坝面而下， 再落到挑流鼻坎上、消力戽内或消力池内，与这些常规消能工联合消能，取得极 好的效果。到了9 0 年代国内各研究单位分别对宽尾墩与消力池、消力戽，底孔 第一章绪论 以及阶梯式坝面等消能工联合运行，进行了研究并分别付诸实施，使中国在高坝 泄洪消能方面走向了世界水平，目前宽尾墩消能工在我国水利工程中应用很广， 己在许多大中小型电站中得到运用，表1 1 给出了宽尾墩联合消能工的一些工程 实例。 表1 1 宽尾墩联合消能工工程实例表 表孔数堰顶最宽尾闸 闸孔 工程省 坝型 尺寸 最大 大单宽 消能方式收缩 墩收墩 名称份( 宽x 高) 坝高 流量 缩角 宽 ( 孔、m ) ( m ) 比 ( m 3 s m )0 ( 。)( m ) 河宽缝1 8 潘家口 1 0 32 0 8 宽尾墩+ 挑流 0 6 6 71 8 4 43 0 北 重力坝 1 5 x 1 5 四 r c c 5 石板 8 45 3 5 宽尾墩+ 挑流 0 61 7 1 04 0 川 重力坝1 4 x 2 湖砼重力9 蟒塘溪 4 3 宽尾墩+ 挑流 0 62 1 0 33 5 南坝 1 2 x 1 0 5 陕砼重力5 安康1 2 82 5 4宽尾墩+ 消力池 0 42 1 8 04 0 西坝 1 5 x 1 7 湖重力拱5 宽尾墩+ 消力池 0 2 5 隔河岩 1 5 l2 0 0 北坝 1 4 x 1 9 6 河 r c c 1 10 33 0 _ 2 6 桃林口 9 7 51 3 7 宽尾墩+ 消力池 3 2 北重力坝 1 5 x 1 5 5o 3 52 9 2 6 广 砼重力71 5 1 2 岩滩 1 1 03 0 6 宽尾墩+ 戽池 0 5 3 35 0 西坝 1 5 x 2 11 7 9 6 广宽缝 1 1 巴江口 4 01 4 l 宽尾墩+ 戽池 0 52 0 0 03 o 西重力坝 1 3 ( 宽) 辽 r c c 白石 1 15 0 31 7 0 宽尾墩+ 挑流 o 62 5 6 43 0 宁 重力坝 湖 砼重力 6 高坝洲 5 41 4 5 宽尾墩+ 戽池 0 51 5 o o4 2 北坝1 4 ( 宽) 士 砼重力 9 满台城 口 3 76 7 2 宽尾墩+ 戽池 0 62 0 5 63 0 林坝1 2 ( 宽) 湖砼重力 9 宽尾墩+ 底孔挑 五强溪 8 5 82 9 6 0 3 6 81 7 5 35 5 南坝 1 9 x 2 3 流+ 消力池 福 r c c4宽尾墩十阶梯式 水东 5 71 3 9 o 4 41 9 2 9 3 0 建重力坝 1 5 x 1 5 溢流坝面+ 戽池 一 宽尾墩十阶梯溢 大朝山 石r c c 、 1 l l2 1 40 42 1 8 04 0 南 重力坝 1 4 x 1 7 流坝面+ 戽池 贵 r c c5 1 2 1 宽尾墩十阶梯溢 索风营 2 4 5o 4 61 9 2 93 0 州 重力坝 1 6 ( 宽) 8 流坝面+ 消力池 广r c c 4 宽尾墩十阶梯溢 百色 1 3 02 0 50 3 4 32 0 9 78 0 西 重力坝1 4 ( 宽)流坝面+ 消力池 宽尾墩联合消能工新技术，自1 9 7 8 年龚振瀛发表了“堰顶收缩射流及趾部 戽式消力池联合消能工一文算起，到现在已经历了2 7 年f 4 】2 7 年来，宽尾墩 第一章绪论 联合消能工在我国已得到蓬勃的发展。几乎所有的消能方式都有与宽尾墩联合运 用的新型消能工建成并投入运用，例如潘家口的宽尾墩+ 挑流联合消能工【5 】( 挑 流，1 9 8 0 年建成) 、安康的宽尾墩十消力池联合消能工【6 1 ( 底流，1 9 9 0 年建成) 、 岩滩的宽尾墩+ 戽式消力池联合消能工【7 1 ( 淹没面流，1 9 9 3 年建成) 。此外，还有 宽尾墩与多种消能方式联合运用的新型式，如五强溪 8 】、隔河岩【9 】的宽尾墩和挑 流、底流联合运用的新型式：宽尾墩+ 底孔+ 消力池联合消能工等。随后，由于碾 压混凝土坝的发展，出现了宽尾墩与阶梯式坝面消能联合运用的新型式，如福建 水东水电站1 1 0 】、云南大朝山水电站【1 1 】和贵州索风营水电站【1 2 1 的宽尾墩+ 阶梯式溢 流坝面+ 消力池联合消能工，在解决高水头、大单宽流量的消能问题中取得了成 功。除了上述的大、中型水电工程之外，河北的桃林口( 宽尾墩消力池联合消能 工) 、广西巴江口水电站( 宽尾墩戽式消力池联合消能工) 等中小型工程【1 3 2 5 】中都 有应用宽尾墩联合消能工的工程实例。 1 2 1 宽尾墩消能工的发展 宽尾墩联合消能工在我国的出现不是偶然的，而是在安康特定的泄洪消能条 件下诞生的。1 9 7 4 年，当林秉南应邀在安康对泄洪消能问题进行咨询时，与龚 振瀛共同认识到平直的闸墩不如在尾部扩宽的闸墩的消能效果好。以后龚振瀛正 式在安康水工模型中进行宽尾墩试列2 6 j ，正式提出宽尾墩联合消能工。由于种种 原因，宽尾墩联合消能工在当时并未列入安康泄洪消能的设计方案，为后来宽尾 墩和底流式消能工相结合提供了技术储备。 1 9 7 8 年，根据林秉南的建议，刘树坤等【27 j 把宽尾墩应用于潘家口溢流坝的 挑流消能工的试验中，对宽尾墩和挑流联合消能的效果给予肯定。随后建成了三 孔宽尾墩挑流联合消能工试验坝段，开创了宽尾墩联合消能工应用于大型水利水 电工程的先例。约与此同时，罗秉珠等1 2 8 j 和柴柄钦等又分别对岩滩和故县枢纽的 消能设备进行了宽尾墩联合消能工的试验研究，增进消能效果也很好。 1 9 8 1 年，安康表、中孔确定为底流消能方案以后，面对池长仅l o o m 左右的 表孔消力池，如何满足设计要求，设计和科研人员重新提出在安康表孔采用宽尾 墩消力池联合消能工方案，并首先在水科院的l ：l o o 整体和1 ：6 5 的断面水工模型 上进行试验获得了成功。特别是在断面模型上，加宽尾墩与不加宽尾墩两种方案， 无论是从消力池内的流态或消力池外冲刷形态，前者都大大优于后者。此后，经 过水科院水力学所、西北水科所有关同志的不断改进和研究，宽尾墩消力池联合 消能工的优越性日益突出，它的水力特性日益为人们所认识。 1 9 8 4 年，水科院提出在安康工程采用宽尾墩+ 底孔+ 消力池联合消能工，用 新增底孔取代两条岸边溢洪道的泄洪消能新方案。新方案的特点是利用宽尾墩后 第一章绪论 坝面的大片无水区作为在坝身开辟底孔的出口，底孔以挑流方式进入消力池，同 时引入了“附加动量水跃”理论，以论证宽尾墩与挑流和底流联合运用的可行性和 合理性。1 9 8 5 年，经过进一步研究，在水力条件极其苛刻的安康中孔消力池也 采用了宽尾墩联合消能工( 1 8 孔不对称宽尾墩、2 4 、3 4 孔差动式宽尾墩一折流墩) 。 同年，中南勘测设计院、五强溪工程和水科院共同研究将安康的宽尾墩+ 底孔+ 消力池联合消能工这种消能工应用于五强溪水电工程的表孔，该方案于1 9 8 7 年 5 月通过技术鉴定。 此后，广西电力工业局勘测设计院与水科院合作研究岩滩采用宽尾墩+ 戽式 消力池联合消能工，该方案于1 9 8 9 年1 2 月通过技术鉴定。 1 9 8 7 年，清江隔河岩工程初设审查会在北京召开，陈椿庭、李桂芬、谢省 宗等1 2 9 】在会上介绍了宽尾墩技术并介绍了宽尾墩+ 底孔+ 消力池联合消能工。 1 9 8 8 年，长科院结合隔河岩工程的特点，提出了不对称宽尾墩与底孔跌流联合 消能工方案，经过大量的水力模型试验论证了这一方案的可行性，该方案最后在 工程中得到采用，这是宽尾墩联合消能工在重力拱坝应用的先例。 9 0 年代以来，中国的碾压混凝土坝发展迅速，坝面阶梯式消能工的设想己 付诸实现。但是国外在研究使用阶梯式消能工时，其单宽流量都不大，基本上是 在8 0 m 3 s m 以下，而中国泄水建筑物往往流量很大，单宽流量也都很大。1 9 9 0 年，水科院提出在碾压混凝土溢流坝上研究宽尾墩+ 阶梯式坝面联合消能工，以 福建水东水电站为研究对象，这一方案于1 9 9 1 年1 0 月通过技术鉴定，1 9 9 3 年 建成，1 9 9 4 年5 月联合消能工经受到一次近百年一遇洪水的考验，单宽流量达 9 0 m 3 s m ，经现场观察，泄洪消能效果良好，消力池下游水流平稳【1 0 】【3 0 。3 2 1 。9 0 年代末期，一些大型工程也考虑采用了这类消能工，如云南的大朝山水电站l j ， 坝高111 m ，为碾压混凝土坝，采用宽尾墩+ 阶梯式溢流坝面+ 消力池联合消能工， 单宽流量超过1 9 3 m 3 s m ，试验观测发现，运用情况良好。 1 2 2 宽尾墩水流流态和基本特点 1 2 2 1 流态描述例 由于宽尾墩的收缩作用，使得水流具有明显的三维特性，存在多个大曲率的 水气交界面，是典型的水气两相流，属强非线性问题，主要表现在： ，1 坝面水舌三面接触空气，并有水翅、空腔等流态，水流经过w e s 溢流坝 面受宽尾墩的约束作用，向竖向发展，在墩后形成两股窄而高的纵向耸立水舌， 水翅上下表面、两侧及墩后空腔共存在六个水气交界面，这些水气交界面曲率大， 水流与空气的接触面积增大，增加了水流的掺气量和水流的紊动，有利于坝面的 防蚀，同时闸墩后的无水区也降低施工平整度的要求【3 4 | 。 4 第一章绪论 2 挑流水舌的厚度增加。导致入水射流纵向扩散长度也增大，加上水舌大量 掺气，使下游水垫单位面积上的水流冲击压力大为减小，故可减轻河床的冲刷。 【3 4 】 3 由于坝面水流掺气和水股互相碰撞等因素，造成水流动能损失增大。同时 由于挑射水流高低相间，挑流水舌呈高而薄的雄鸡尾状，水舌落点分散，空中和 水垫消能效率大大提高。 4 堰项收缩射流进入消力池后，形成三元水跃，水气的掺混和扩散十分充分。 1 2 2 2 宽尾墩几何参数及其确定 3 5 】 3 6 宽尾墩的几何参数直接影响流态特征和消能效果。对于直墙式宽尾墩几何参 数定义如下 1 闸孔收缩率 b 67 6 s = i = l 一了 ( 1 1 ) bb 闸孔收缩率对坝面闸室流态、射流水舌分散程度、水舌对河底的冲击压力及 其消能冲刷等影响很大。大量试验表明s = 0 3 o 7 是合理的。 2 闸墩尾端折角 秒= a r c 留掣 ( 1 - 2 ) z f 当s 一定时，宽尾墩水舌的坝面扩散随着尾端折角而变化，潘家口宽尾墩挑 流式溢流坝建议口= 1 5 0 2 0 0 ，安康水电站建议目= 1 8 。2 6 0 。 3 宽尾墩始折点位置参数 乒毒川2 考 a - 3 ) 式中，b 为闸室净宽；君为墩尾收缩后的闸孔净宽；为设计水头；x 和y 为从坝顶起算的向下游的水平和垂直距离。 4 宽尾墩体型 实现宽尾墩流态的体型可有多种形式。我国刘永川对多种墩型的试验结果表 明：侧墙垂直形宽尾墩，工程措施简单，效果显著，较适应于大流量工程，是常 用的型式；侧墙倾斜形宽尾墩，可适应于各种流量的变化，对改善小流量的扩散 和掺气效果显著；贴角形宽尾墩闸室水面低，纵向扩散效果好，水冠小，是适应 流量变化、节省工程量最优体型，可用于大中型工程；带小挑坎型宽尾墩，对增 加水舌底部掺气效果显著，当薄拱坝下接消力池时，对保护坝面、加强消能有效 果；当泄洪建筑物下游有弯道或为了调整下游河道沿横向宽度的流量分布时，可 采用不对称型宽尾墩，工程措施简单可靠、消能效果好。 第一章绪论 1 3 底流消能 泄水建筑物的消能一般有三种形式，即面流消能、挑流消能和底流消能。面 流消能是在溢流坝的末端设置跌坎，将泄出的急流导至下游水流表面和河床隔 开，以减轻对下游河床的冲刷。这一消能形式在表面主流与河床之间形成漩滚， 漩滚即消耗能量，同时由于它的底部反向流速较低，因而起到了消能防冲的作用。 面流消能适用于下游水深较深的情况。挑流消能是利用泄出水流本身的动能在建 筑物的出流部分采用挑流鼻坎将水股射入空中，降落在离建筑物较远的下游，使 得对河床的冲刷位置离建筑物较远，而不致影响建筑物的安全。挑流消能是利用 水流与空气的碰撞、水流与水流的碰撞、水股跌入下游水垫后通过水股两侧形成 水滚而消能。底流消能也就是水跃消能，由建筑物泄出的急流贴槽底射出，在消 力池中通过水跃将急流转变为缓流，主流在水跃区扩散、掺混，消除大量的余能 3 7 3 8 3 9 4 0 】。 1 3 1 底流消能发展应用 底流消能是利用在消力池内产生水跃进行消能的一种传统的消能方式，其优 点是适应性强、流态稳定、冲刷轻微，。但对于高水头、大流量泄洪工程采用这 种消能工时，由于消力池底板临底流速较大，底板的抗冲保护难度很大【4 ，因此 这种消能形式的研究和工程应用一直局限在中、低水头的泄水消能工程中。但在 地质条件较差的中低水头水电站中，尽管底流消能工的造价较高，依然得到了较 为广泛的应用。目前，代表世界上底流消能工最高水平的当属前苏联的萨扬舒申 斯克( s a y a n o s h u s h e n s k ，最大坝高2 4 2 m ，最大单宽流量18 4 m 3 s m ) 与印度的德 里( t e h r i ，最大坝高2 6 0 5 m ，其右岸溢洪道采用底流消能，最大单宽流量l l o m 3 s m ) 。另外，印度的巴拉克工程( b h a l ( r a ，最大坝高2 2 6 m ，最大单宽流量1 0 4 m 3 s m ) 与美国的德沃夏克( d w o r s h a k ，最大坝高2 1 9 m ，最大单宽流量1 4 5m 3 s m ) 等高坝工程也采用了底流消能方式。在我国，目前采用底流消能的高坝工程有已 建的安康( 与宽尾墩联合，最大坝高1 2 8 m ，最大单宽流量2 5 4m 3 s m ) 、岩滩( 戽 式消力池，与宽尾墩联合，最大坝高1 1 0 m ，最大单宽流量2 9 9m 3 s m ) 、大朝山 ( 戽式消力池，与宽尾墩联合，最大坝高1 1 0 m ，最大单宽流量1 9 4m 3 s m ) 以及在 建的百色( 底流消力池与宽尾墩联合，最大坝高1 3 0 m ，最大单宽流量1 7 8m 3 s m ) ， 此外，五强溪水电站虽然坝高小于1 0 0 m ，但其表孔底流消力池的最大泄洪流量 高达5 1 0 0 0m 3 s ，最大单宽流量2 9 8m 3 s m ，目前仍居国内前列。但从国内外的 运用情况看，底流消能在大型高坝水电工程中所占的份额仍较低，我国目前大部 分在建与待建的大型水电站，如三峡水利枢纽、小湾、龙滩、溪洛渡、糯扎渡、 第一章绪论 自鹤滩等均采用了以挑流消能为主体的泄洪消能方案。与挑流消能相比，底流消 能引起的泄洪雾化很小，对周边环境几无影响，在目前人们对高坝泄洪雾化等环 境问题日益重视的现状下，底流消能方式具有独特优势。 1 3 2 跌坎式底流消能 1 3 2 1 跌坎式底流消能的提出 常规的底流消能形式，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能目 的，从而降低流速。由于它具有入池流态稳定、消能效率高、尾水波动小、泄洪 雾化影响小的特点，常常在工程中被采用。但高水头、大流量泄洪工程采用这种 消能工时，由于消力池底板i 临底流速较大，底板的抗冲保护难度很大【4 2 】，因此这 种消能形式的研究和工程应用一直局限在中、低水头的泄水消能工程中。如果在 底流消能工中采取适当的措施，降低消力池底板临底流速和脉动压强，其底流消 能工的应用就更加广涮43 l 。从底流消能机理、平面紊动射流的流速分布分析，改 变底流消能的入流方式和改进消力池的体形是行之有效途径。 跌坎式底流消能工是建立在常规底流消能工基础上的一种新型的消能工。水 流沿溢洪道或泄槽由上游水库下泄到消力池中进行消能，在消力池进口处，将消 力池底板向下开挖出一跌坎，从而形成了跌坎式消力池。 一= h 一 藤器 = h 图1 1 常规底流消能工与跌坎式底流消能工示意图 采用带跌坎的消力池方案可降低消力池临底流速，在消力池首部设置跌坎 后，可将高流速的主体水舌引离临底区域，进而达到降低临底流速、保护消力池 底板的目的。 1 3 2 2 跌坎式底流消能的特点 第一章绪论 碑聊毒冲击以 肛筲缀聪“侮善瀚嘲髫獬甏韵f 一 图1 2 底流流态下消力池内流态示意图 跌坎式底流消能这种消能工类似于躺着的挑流消能的水垫塘，只不过是挑流 消能的水流是从空中砸入到水垫塘内的水体里，而这种新型消能工的水流则经溢 流面或泄槽射入到消力池内水体中。在消力池中保持一定的水体，利用与下游消 力池底板具有一定高差的射流进入消能水体的中间，使得下泄水流的主流在消力 池水体中部流动、扩散、消能。既要保证不让主流潜底，以免会使底板的脉动压 力和临底流速增大；又要保证不让主流上漂，形成面流，而达不到消能目的。因 此，不论上下游水位和下泄流量大小怎么变化，都要保持下泄水流的主流在消力 水体中部流动和消能。这种消能方式既不会产生大的雾化，又可以消除下泄水流 的大部分能量；既有利于减小消力池底板脉动压力和临底流速，以免消力池底板 不稳定和底板磨损，又不会产生面流，以免下游水流波动大，影响通航和加剧对 下游两岸的冲刷，因此它在水电工程中具有很大的应用前景。 1 3 2 3 跌坎式底流消能作用分析 345 艇_弓斟目 目马 ，7 一 2 |3 |4 l 5 图1 3 跌坎式底流消能消力池中水流流速分布示意 根据能量方程可以得到2 2 断面处的流速为：u = 伊2 9 胡，其中，伊为 流量系数，g 为当地重力加速度，朋为2 2 断面处与库水位之间的水头差。 从上式看，两种底流消能工的水流进入消力池的初速度是相等的。在高水头情况 下，水流流速u 很大，采用常规的底流消能工时，消力池中的临底流速很大，造 成对消力池底板的冲刷和破坏，影响消力池的正常使用寿命。但是如果采用跌坎 式消能工，则消力池中水流的临底流速将得到大幅度的减少。其原因主要是：在 常规的底流消能工的消力池中，水流进入消力池以后主流是以附壁式射流运动， 第一章绪论 尽管水流的临底面受到固体边界的剪切力较大，但是水体在池中受到底板的约束 而不能向四周扩散，主流所受到的剪切面积小。在一定的距离范围中以潜流为主， 在消力池较长的一段距离中，水流的临底流速较大。而在跌坎式底流消能的消力 池中，水流出坎以后，形成了淹没射流，主流向四周扩散，在射流四周形成强烈 的剪切和紊动漩涡，消能效果很好，消力池内水面比较平稳，出池水面波动很小 j ，并且由于存在着跌坎，相应的增加了消能水体，从而水流的临底流速得到了 明显的降低。对于水流在跌坎式底流消能消力池中的运动状态，可以从平面紊动 射流的理论来分析淹没射流在跌坎式底流消能工消力池中的运动规律，然后通过 水工模型试验来分析验证。 1 4 本文的主要工作 由于宽尾墩的收缩作用，使得水流具有明显的三维特性，水流与空气的接触 面积增大，增加了水流的掺气量和水流的紊动，有利于坝面减蚀和消能；底流消 能是适用于中低水头的利用在消力池内产生水跃进行消能的一种传统的消能方 式，其优点是适应性强、流态稳定、对下游冲刷轻微，缺点是消力池底板临底流 速较大，底板的抗冲保护难度很大。 本文针对宽尾墩+ 消力池联合消能工这种消能形式借助模型试验对其有关水 力特性进行了分析研究： ( 1 ) 对y 型宽尾墩下溢流坝反弧段和消力池的水流流态进行观察；对时均 压力、底板上下表面脉动压力和底板上举力进行时域、频域、幅值域和相关性的 分析。 ( 2 ) 对不同体形宽尾墩( x 型和y 型) 下反弧段和消力池各项水力参数进 行对比分析，研究不同形式宽尾墩对溢流坝反弧段和消力池水流参数和底板上举 力的影响。 ( 3 ) 在本文这种联合消能形式下，分析研究板块厚度对消力池底板上下表 面脉动压力和底板上举力的影响。 ( 4 ) 本文在模型试验的同时借助数值模拟技术对溢流坝反弧段和消力池水 流流场进行了模拟。 9 第二章宽尾墩一消力池的水力特性 第二章宽尾墩一消力池的水力特性 2 1 宽尾墩的水力特性 虽然第一个宽尾墩用于潘家口水利枢纽的挑流消能，但之后得到很快推广的 却是宽尾墩+ 消力池( 或消力戽) 型的消能工，如安康、岩滩、五强溪、隔河岩等 工程，因此已进行过不少宽尾墩+ 消力池的水工模型试验，积累了许多有用的试 验资料。 2 1 1 水力计算方法 在宽尾墩+ 消力池的水力计算方法方面，有一基本思路，即在建立水跃方程 的控制水体上，施加反弧等对水体的作用力，但是影响这些作用力的因素很多， 因此给出这些力的较好的经验表达式很困难。 对宽尾墩消力池进行水力计算的基本问题之一，是对任一拟定的宽尾墩和消 力池体型，在一定来流条件下，计算正常水跃的第二共轭水深见，从而使下游水 深 忽，以保证消力池良好的消能及安全。谢省宗等【4 5 】给出了一般宽尾墩消力 池水力计算的第一、第二共轭水深比的完全三次方程： 彳，7 3 + 曰7 7 2 + c 7 7 + d = 0( 2 - 1 ) 其中： 彳= l 2 ( 2 - 2 ) b = 厶( 啊) 一厶伊s i n 罢( 叫) ( 2 3 ) c = 一( c 。2 + 螽) c o s 口+ 导厶( j i z l ) 2 ( 2 - 4 ) d = c 。2( 2 5 ) 式中，刁= 呜j i 2 i 为共轭水深比；口为消力坎高度：缈为反弧圆心角；r 为反 弧半径；c 。2 = 鸟2 幽3 为折算二元水跃的佛汝德数；9 为入池单宽流量：岛为第 一共轭水深处断面压力系数；厶为消力坎上下游面压力差系数；六为反弧曲面 动水压力系数。式( 2 1 ) 完全三次方程的最大正实数根为： 研= 2 一- s fc o s ( 叫3 ) 一彤3 么 ( 2 - 6 ) 式中： c = ( s 石) ， 9 0 时，为强水跃，消能率高于7 0 ， 但此时跃后水面波动很大，并一直向下游传播。一般认为，底流消能的佛汝德数 在4 5 9 0 之间比较合适。 2 3 2 水跃方程 设一水跃产生于棱柱体水平明渠中，如图1 2 所示。 水跃方程可表示为【3 8 】 妥+ 4 忽，：要+ 似： ( 2 “) 善g i 2 式中q 为流量；g 为重力加速度；4 和4 分别为跃前和跃后断面的面积；吃。 和吃，分别为水跃前后断面形心距水面的距离。 l2 足一一一一一 一 一 ； 二瑚 一i 一一 t止 力了7 + u2 7 t n + 巳 l i ， 一 7 。 _ j - ， ， 图2 1 水跃方程推导示意图 当断面的形状、尺寸和渠中的流量一定时，水跃方程的左右两边都仅是水深 的函数。此函数称为水跃函数，今以符号表示j ( 矗) ，则有 n 2 ( 西) = 兹+ 彳吃 ( 2 2 5 ) 于是，水跃方程式( 2 2 4 ) 可以写成 j ( 啊) = ，( i z 2 ) ( 2 2 6 ) 上式表明，在棱柱体水平明渠中，共轭水深j i z i 和红是具有相同水跃函数的两 个水深。 ， 对于矩形断面明渠，如以6 表示渠宽，g 表示单宽流量，则q = 均， 彳= 砌，忽= 形2 ，代入式( 2 - 2 4 ) ，得到棱柱体矩形水平明渠的水跃方程为 + 垡：互+ 坚 矾 2 眈 2 ( 2 2 7 ) 第二章宽尾墩一消力池的水力特性 对上式整理化简可得 珐：堕 2 2 l ，见- 忙芎l _ 一t 一 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 因为跃前断面的佛汝德数：车：妥，于是式( 2 2 8 ) 变为 g g 坟 吃= 钮厅两一1 ( 2 - 3 0 ) 或刀= 圭 f 面一， 协3 ，) 式中刁：拿称为共轭水深比。由上式可以看出彳是随着曩的增大而增加而 ， 增大的。 对于其他断面的棱柱体渠道，同样可以从公式( 2 - 2 4 ) 推导出水跃方程。推导 方法和矩形渠道完全一样，请参考文献【6 7 】。 2 3 3 底流消雏的衔接形式 底流消能是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过 水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能的目的。由于水跃的跃前水深与跃 后水深存在一定的共轭关系，如果泄水建筑物的下游河床水深小于水跃的跃后水 深时，就会在建筑物下游产生远驱水跃或临界水跃。远驱水跃会造成河床的严重 冲刷，而临界水跃不稳定。 因此，为了改善这种不利的衔接形式，必须设法增加建筑物的下游水深，使 水跃控制在紧靠建筑物之处，形成淹没程度不大的水跃。增加下游水深的工程措 施主要有下列三种：( 1 ) 降低护坦高程，使下游形成消力池；( 2 ) 在护坦末端修 建消力坎来壅高水位，使坎前形成消力池；( 3 ) 根据工程实际，将( 1 ) 、( 2 ) 两 种情况相结合，形成综合式消力池。 消力池的断面形式多种多样，最常用的是矩形消力池。此外，还有梯形断面 消力池、圆形断面消力池、抛物线形断面消力池f 6 7 ，u 形断面消力池以及各 式各样的组合式消力池。 2 4 底板稳定 对于底流消能消力池底板稳定性，因为水力条件与挑、跌流水垫塘完全不同， 一立衍一矿一躬 一 8 8 一 + 一 + 一1 l - 1 l 拭艇 第二章宽尾墩一消力池的水力特性 因而水动力荷载( 上举力) 产生的机理也不一样。挑、跌流水垫塘底板承受来自水 舌的直接冲击，射流水舌携带的动能在水垫中耗散所剩余部分到达底板而转化为 冲击压强并沿缝隙传递到底板的底部。底板上下表面动水压力之差就构成了导致 其失稳的上举力。底流消能的消力池底板不直接承受水舌的冲击，入池水流的流 速方向与底板平面夹角几乎为零，动水压力主要是池内水流强烈紊动所致。水流 脉动压力基本方程中，脉动压力的两个源即“紊动一剪切”和“紊动一紊动”。 前人研究结果表明，边壁脉动压强主要取决于低频大尺度相干涡旋。“紊动一剪 切”脉动源在紊流边界层中起主导作用边壁脉动压强的产生，主要取决于边壁附 近紊流猝发引起的垂直脉动流速对边壁的作用。水垫塘中射流作用下底板的脉动 压强则是“紊动紊动”脉动源起作用。 消力池底板处于水跃的强烈旋滚区，水跃底部的主流区与旋滚区交界面的巨 大流速梯度不断产生大小、强度、方向不同的漩涡。这种剧烈变化的旋滚反映在 底板上就是随机性的压强脉动。实验表明，水跃区底部压强脉动具有低频、大幅 的特点。作用在底板表面的时均压强分布与挑、跌水垫塘有很大差别，不存在所 谓的冲击压强，因而引起底板失稳破坏的机制不相同。尤其挑、跌水垫塘底板上 下表面时均压强在水舌冲击点下游侧存在底大上小的区域，这个区域的底板最易 失稳。而底流消力池底板上下表面的压强分布相对较为均匀，尽管也存在跃首处 底大上小( 临界水跃比较显著) 的情况，但压强变化梯度不大。 国内外己建工程采用底流消能工的有不少在运行初期消力池底板都发生了 破坏。例如前苏联的萨扬一舒申斯克水电站消力池、美国的德沃歇克、国内的安 康和五强溪工程，这些工程消力池底板破坏的经验教训值得我们研究和借鉴。底 流消能多用于中小型工程，而用于高坝泄洪消能则较少。目前超过2 0 0 m 高坝采 用的有三座：萨扬一舒申斯克、巴克拉及德沃歇克，且均出现了问