（水力学及河流动力学专业论文）不同体型宽尾墩的水力特性比较研究.pdf

摘要 不同体型宽尾墩的水力特性比较研究1 水力学及河流动力学专业 硕士研究生：曾华指导老师：许唯临教授 摘要 本文对收缩式消能工的应用和发展进行了回顾，对各种体型的宽尾墩进行 了总结。通过试验对常规、x 型、v 型宽尾墩的水力特性进行了较为系统地研 究，主要内容和研究成果如下： 1 常规宽尾墩冲击区比较集中，消力池底板最大时均动压始终比较小，在 消力池末段，压力值沿程变化不大。在多数工况下，峰值区较为坦化，峰值区 前后压强衰减较快。在相同的堰顶水头下，随着下游水深的增加，其时均动压 改变不大，受下游水垫波动的影响不明显。 2 x 型宽尾墩由于下部水舌的顶托作用，消力池底板最大时均动压小，峰 值区坦化，x 型宽尾墩对水流起挑作用不大，水舌直接跌落在消力池首部，所 以峰值区位于消力池前部和反弧段处，时均动压在横向上的分布趋势与常规和 v 型相反，类似正弦曲线。 3 低v 型宽尾墩在较小的下泄流量下，纵向扩散程度与高v 型宽尾墩相 当，但是对下游底板的冲击动压要小。而在较大的泄流量情况下，随着下游水 垫的增深，冲击射流在消力池由于强烈的剪切，紊动和掺气作用，水舌在到达 底板的过程中能量逐渐衰减，从而更有效地减轻下泄水舌对水垫塘底板的冲击 压力，由此可见，v 型宽尾墩的冲击压力对水垫变化比较敏感。 4 常规宽尾墩的临底流速大小介于v 型宽尾墩和x 型宽尾墩之间。流速 1 目家杰出青年科学基金项目( 5 0 3 2 5 9 2 8 ) 国家自然科学基金委员会、= 滩水电开发有限责任公司雅砻江 水电开发联合研究基金项目( 5 0 5 3 9 0 6 0 ) 联合资助 i 四川大学工学硕士学位论文 分布在横向上比较均匀，出池流速较小。 5 x 型宽尾墩的下部水股沿堰面流动，部分水流位于水垫塘底部，存在 着较大的临底流速和堰面流速，而且流速在横向上分布不均，出池流速较大 6 低v 型宽尾墩在各种宽尾墩中临底流速值最小，它通过水股之间的碰 撞，混掺和强烈的紊动掺气，流速衰减和扩散比较快，在消力池末段得到了比 较小的出池流速，而且在空间位置上分布均匀。高v 型宽尾墩的池内流态与低 v 型基本一致，只是流速值偏大，这是紊动扩散不充分的结果，由于它的冲击 区偏向下游，所以需要比较长的消力池来消能。 7 三种宽尾墩的水舌形态差异显著，常规宽尾墩的溢流坝面存在大面积无 水区，只有少部分过水，而x 型宽尾墩由于下部开口，底层水舌变得扁而平， 贴着堰面下泄。v 型宽尾墩的水舌完全脱离坝面，直接挑射入消力池。v 型宽 尾墩上缘挑距最远，纵向扩散明显，水舌呈高而薄的鸡冠状。常规宽尾墩水舌 比较均匀，纵向扩散比v 型宽尾墩小。 8 通过实验和量纲分析，得出了计算v 型宽尾墩水舌下缘出射角的经验 公式。根据该式，可由v 型宽尾墩收缩坎的体型和来流条件计算初始出射角。 通过实验和前人的实验成果，结合窄缝挑坎的计算方法，得出收缩段出1 2 1 断面 水深和流速的计算公式。同时通过对射流的特性分析，给出了确定v 型宽尾墩 挑距的估算方法。 9 v 型宽尾墩的收缩坎出1 ：3 高度不宜过大，在本文的实验条件下，其合 理的取值约在3 4 c m 之间，高于该上限值，则影响宽尾墩的过流能力，低于 下限值，则下缘水舌挑出后直接跌落在坝面上，均使v 型宽尾墩的效果明显降 低。 关键词：宽尾墩纵向扩散时均动压临底流速挑距 n 摘要 r e s e a r c ho nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tf a r i n gg a t ep i e r s m a j o r ：h y d r a u l i c sa n d r i v e rd y n a m i c s p o s t 掣 a d u a t e ：z e n gh u a s u p e r v i s o r p r o f x uw e i l i n a b s i r a c t i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nd i f f e r e n tf a r i n gg a t ep i e r sw e r ed o n e s y s t e m a t i c a l l y t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe n e r g yd i s s i p a t e r s a r ea l s o r e v i e w e d b a s e do naf l u m ee x p e r i m e n lt h ei n f l u e n c e so ft h eh e i g h to fo u t l e tc h a n g e o nt h ep o r t r a i td i f f u s i o na n dt i m e - a v e r a g ep r e s s u r ei nt h ep l u n g ep o o la r ea n a l y z e d s o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e f eo b t a i n e da n dd i s c u s s e d t h ep r i n c i p a lc o n t e n ta n d a c h i e v e m e n ta r ec o n c l u d e d 勰f o l l o w i n g ： t h ei m p i n g i n ga r e ao fg e n e r a lf a r i n gg a t ep i e r si sc o n c e n t r a t e d a tt h ee n do f s t i l l i n gb a s i n ，t i m e - a v e r a g ep r e s s u r e sc h a n g eal i t t l ea l o n gw i t ht h ec h a n n e lu n d e r t h ec o n d i t i o no fs 锄ew a t e rh e a d , w i t ha 8d o w n s t r e a mw a l e rl e v e li n c r e a s i n g ， t i m e - a v e r a g ep r e s s u r ea l t e r s l i t t l e i t 8o b v i o u st h a tt i m e - a v e r a g ep r e s s u r ei s i n s e n s i t i v et ot h ec h a n g eo f d o w n s t r e a mw a t e rl e v e l t h en a p p ep a s s i n gf a r i n g g a t ep i e r s f l a t t e ng r a d u a l l yb e f o r ee n t e r i n gi n t o s t i l l i n g b a s i n , s oi m p i n g i n ga r e as e p a r a t ea c c o r d i n g l y t h em a g i n l ma x i s t i m e - a v o r a g ep r e s s u r er e s u l t i n gf r o mv - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e ri ss u p e r i o rt ot h a to f g e n e r a lf a t i n gg a t ep i e r s w h e nt h ed i s c h a r g ei ss m a l l ，t h ev e r t i c a ld i f f u s i o nr e s u l t i n gf r o ml o wf l a r i n g g a t ep i e rw i t hv - t y p ei sa l m o s ta s t h es a m ea sl o wo r e s b u tt h et i m e - a v e r a g e p r e s s u r ei ns t i l l i n gb a s i ni sl o w e rt h a nt h eh i g h e r i nt h ec o n d i t i o no fl a r g ed i s c h a r g e ， a sd o w n s t r e a mw a t l 曹l e v e li n c r e a s i n g , t h ee n e r g yo fn a p p ea t t e n u a t eg r a d u u l l yi nt h e 四川大学工学硕士学位论文 p r o c e s so fa p p r o a c h i n gp l a t e ，a n dt h ev a l u e o ft h ep l u n g i n gp r e s s u r ei nt h er e c e i v i n g p o o l 眦a l l e v i a t e de f f e c t i v e l y i t so b v i o u st h a tt i m e - a v e r a g ep r e s s u r ei ss e n s i t i v et o t h ec h a n g eo fw a t e rl e v e l c o m p a r i n gd i f f e r e n tt y p e so ff l a r i n gg a t ep i e r , v - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e ri sa b l e t or e a l i z ea g o o dg o a lw i t hl o w e rd o s e - t o b e dv e l o c i t y a si n t e n s i t yo f b l e n da n d b u m pa m o n gj e t si n c r e a s i n g ，t h ev e l o c i t yo f f l o wd e c a y sa n dd i f f u s e sq u i c k l y i nt h e e n d8 e c t i o no fs t i l l i n gb a s i n , t h el o w e rv e l o c i t yd i s t r i b u t i n ge q u a l i t yi ns p a c ep o s i t i o n i so b t a i n e d ，w h i c hm a k eb e n e f i tf o rr e d u c i n ge r o s i o no i ld o w n s t r e a mb a n k t h ef l o wp a t t e r ni ns d u i n gb a s i nr e s u l t i n gf r o mh i g hv - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e ri s a l m o s t 雒t h es a m ea sl o wo n e s b u ta sar e s u l to ft h a tf l o wd i f f u s ei n s u f f i c i e n c y , t h e d o s e - t o - b e dv e l o c i t yi ss u p e r i o ro v e rt h el o w e r b e c a u s ei m p i n g i n ga r e ai ns t i l l i n g b a s i nl e a nt od o w n s t r e a ms e c t i o n , i tn e e dl o n g e rs t i l l i n gb a s i nt od i s s i p a t ee n e r g y t h el o wn a p p ep a s s i n gx - s h a p eo ff l a r i n gg a t ep i e rf l o wa l o n gw e i rs u r f a c e , o t h e r w i s et h es e p a r a t i o ne f f e c to fn a p p ei nd i r e c t i o no fl o n g i t u d ei si n f l u e n c e d m a i n s t r e a ml i e so nb o t t o mo fs t i l l i n gb a s i n n o to n l yv a l u eo fd o s e - t o - b e dv e l o c i t y i sg r e a t ，b u ta l s od i s t r i b u t i o ni su n e q u a li nv e r t i c a ld i r e c t i o na n dt h eg r e a t e rv e l o c i t y w i l lr e s u l ti ne r o s i o no nd o w n s t r e a mb e d d i f f e r e n tf a r i n gg a t ep i e r sh a v ed i f f e r e n tn a p p es h a p e o v e r f a ud a ms u r f a c eo f g e n e r a lf a r i n gg a t ep i e r se x i s tg r e a ta l - e l lw h i c hn ow a t e r c t 0 $ 8f r o m d u et oh a t c ha t l o w e rs e c t i o n , n a p p eo fx - s h a p eo ff l a r i n gg a t ep i e rb e c o m e 8f l a t n en a p p eo f v - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e rb r e a ka w a yd a ms u r f a c e ，t i p p i n gi n t os t i l l i n gb a s i nd i r e c t l y b a s e do nc x p e r i l l l e n t 8a n dd i m e n s i o n a la n a l y s i s ，t h ef o r m u l ao fl o wn a p p e s a n g l ef o rv - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e ri so b t a i n e d i ti n c l u d e sh e i g h to fo u t l e t8 e c t i 0 1 1 a n dt h eh y d r a u l i ch e a db e t w e e nu p s t r e a ma n dt o po fw e i r u s i n gs u c haf o r m u l a , t h e n a p p e sa n g l ec a l lb ew o r ko u t b a s e d0 1 1 e x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y s i so ft h e f o r m u l ao nh a n d ，t h ef o r m u l ao fw a t e rh e i g h ta n dv e l o c i t ya to u t l e tp r o f i l ei s o b t a i n e d i n e o m i d e r a t i o n o f h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f r a p i d f l o w , as i m p l e m e t h o d f o rc a l c u l a t i n gt h en a p p et r a j e c t o r yd i s t a n c ef o rv - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e ri sp r e s e n t e d t h eo u t l e th e i g h to fv - s h a p ef l a r i n gg a t ep i e rs h o u l db el l o tt o ol a r g e i nt h i s p a p e r , t h eo p t i m a lv a l u ee x i s t si n 3 4 e m , o n c , l et h ev a l u ee x c e e d st h eu p i 弛tl i m i t , 摘要 t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yd e c r e 撇o b v i o u s l y o t h e rm o r e i ft h ev a l u ei su n d e rl o w e r l i m i t , t h el o wn a p p ef a l lo nd a mf a c ed i r e c t l ya n dt h ee f f e c to ft h ev - s h a p ef l a r i n g g a t ep i e rd e c r e a s e s k e y w o r d s ：f l a r i n gg a t ep i e r sw i t hv - t y p e ；p o r t r a i td i f f u s i o n ；t i m e - a v e r a g e p r e s s u r e ；c l o s e - t o - b e dv e l o c i t y v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 泄洪消能的回顾与现状 1 1 i 泄洪消能的研究意义 建国以来，特别是近十几年来，我国的水利水电建设取得了巨大的成就。 目前，已建各类大坝9 0 0 多座，是世界上建坝最多的国家，建坝水平日益提高。 泄洪消能是我国高坝建设中非常突出的关键技术问题。安全泄洪的主要内容包 括泄洪消能建筑物在泄放高速水流和消能过程中的自身安全以及通过充分消能 使高速集中水流与下游河道的正常水流获得妥善的衔接。 河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，流动的条件发生了变化，通过建筑 物下泄的水流往往具有很高的流速，单位重量水体所具有的能量( 即比能) 也 比下游河道中水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。特别 是为了节省建筑物的造价，常常要求这类建筑物的泄水宽度比原河床小，单宽 流量增大，形成高速水流下泄，能量更为集中，破坏性更大。例如一个溢流坝， 设坝址断面的比能为e ，下游断面的比能为忍，二者的比能差为余能 a e = e l 一致泄洪时上下游落差为日= 6 0 m ，如单宽流量为q = 8 0 m 3 厶，水的 容重y = 9 8 0 0 n m 3 。当略去坝前断面和下游断面的流速水头，不计坝面的能量 损失时，其余能近似等于上下游水位差z ，则单位宽度河床上每秒应该消除的 能量为n = ，q h = 4 7 0 0 0 k w 这样巨大的下泄水流的能量，若不采取有效措 施加以分散和转化，从而使上、下游水流很好地相互衔接，则极易起坝下严重 的冲刷，冲毁河堤，甚至使建筑物遭到破坏【l 】。并且，水流集中泄出，可能使 下游水流形成不良的流动情况，不利于枢纽的正常运行 2 1 所以，泄水建筑物水力设计的主要任务之一，就是在于选择及适当的消能 措施，使在下游较短的距离内消除余能，并且使高速集中的下泄水流安全地转 变为下游的天然流动，从而保证建筑物的安全。国内外工程实践中，由于消能 措施不当而使下游河床遭受剧烈冲刷的例子很多，如位于赞比亚和罗得西亚交 界处的卡里巴拱坝下游的冲刷，美国的德沃夏克溢流坝消力池的破坏，委内瑞 四川大学工学硕士学位论文 拉的古里水电站溢洪道消力戽的空蚀破坏，四川境内的龚咀水电站面流消能工 下游的破坏，位于中国湖南省境内的欧阳海拱坝的下游冲刷以及陕西省汉江上 游的安康电站中孔消力池内升船机排架的冲毁嘲等等。 根据对实际工程资料的粗略统计，泄洪消能造价约占土建工程总造价的 3 0 。因此，无论从安全性或是从经济性来讲，泄水建筑物下游的消能防冲问 题都是至关重要的【4 1 。 1 1 2 消能的概念 这里所谓的消能，其实质是下泄水流的动能转化和重新分配。按照能量不 灭定律，消能主要是将动能转化为热能，对消能工的要求就是如何有效地实现 这种转化。也就是说，在较短的距离内，使高速集中下泄的水流与下游河道的 水流妥善的衔接。应该强调的是，无论采取什么方式，能量都没有被消灭 5 1 ， 而是把集中的水流动能分散开来，转化成为大大小小的漩涡的紊动动能，并最 终转化成热能。 消能的另一层含义是动能在空间上的重新分配，这就是说，将集中的动能 分散到较大的空间内，从而使单位水体的能量大大降低。如用扩散的方式，使 动能分散在下游河床的较大范围内，减小单位面积上承受的动能；又如挑流鼻 坎等，将水流挑射至远离主体工程的地方，以减小对主体工程的危害。 从紊流力学的角度，消能是一个能量的梯级传递和耗散过程。紊流是由一 系列大大小小的涡漩组成的。泄洪过程中，水体的势能首先转化为时均动能； 时均动能通过剪切和混掺作用大量地传递给大尺度涡漩，成为紊动能；大尺度 涡漩在其运动过程中，又将能量传递给较小的涡漩，这些涡漩又将能量传递给 更小的涡漩，从而形成了能量从大涡漩向小涡漩传递的梯级；最终，在小尺度 涡漩中，通过克服流体的粘性将能量耗散嘲。由此可见，促使水流分散或流线 显著弯曲之所以被用作消能的手段，是因为剪切和涡漩混掺效果可由此得到增 强。 1 1 3 泄洪消能的方式 常用的消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能和戽流消能等。 2 第一章绪论 挑流消能是应用最广泛的一种消能方式，它是将挑射到空中去的水流尽可 能横向扩散或纵向扩散，通过和下游水体的碰撞、剪切和混掺以减少对河床的 冲刷；同时希望获得较大的挑射距离，以利建筑物的安全。挑流消能方式一般 无需在下游设置人工衬护的消力池，从而节省了工程量和工程费用，工程布置 和施工都比较方便，挑坎磨损小，检修方便，允许下游水位有较大的变化。当 坝较高流速较大时，常可获得保证坝脚安全所需的冲坑后坡，消能效果及经济 指标均能令人满意。这种消能方式的缺点是，对下游河床冲刷较为严重，要正 确估计和妥善处理，以免影响水工建筑物的安全；泄洪时下游流速和波浪较大， 对岸坡、导墙有回流淘刷和冲刷作用；由于挑射水舌大量掺气造成的雾化影响 及因水舌跌落引起的下游水面波动和冲坑堆渣对发电、通航的影响。挑流消能 常在地质条件较好的高、中水头的工程中采用。当坝下有软弱岩层或不利的地 质构造时，采用这种消能方式应该十分谨慎。挑流消能方式最先在法国高坝建 设中被采用，我国于上个世纪五十年代初开始在淮河佛子岭水库泄洪钢管出口 应用 7 1 ，当前，国内外已在高、中水头的岩基工程中广泛采用，并已成为高水 头、大单宽流量泄洪建筑物的有效消能措施。对采用挑流消能方式的大量高坝 工程分重力坝、支墩坝、土坝、堆石坝等几种坝型，据文献隅1 统计，在国内外 已经建成的坝高大于7 0 米的泄洪枢纽建筑物中，采用挑流消能方式的，国外占 7 4 4 ，国内占9 7 7 。高拱坝坝身泄洪工程几乎全部采用挑流消能的方式。 底流消能又称水跃消能，它是一种古老的消能方式。底流消能利用消力池 使下泄水流在泄水建筑物出口限定范围内产生水跃，通过水跃使上下游水流相 互衔接并消除余能。在这种方式的衔接消能段中，具有较高流速的主流位于水 流底部，故称为底流消能1 高速水流在消力池内受到尾水顶托之后，由急流 变为缓流，在转变过程中水流表面横向漩辊与接触面上的强烈紊动剪切，在底 部主流沿程扩散时，还受到固体边界的摩擦，以及其他辅助消能工的阻力，可 以消除大部分的动能，有一小部分动能则转换成位能与下游水位平稳相接。这 样下泄水流就不会对下游河床发生严重的冲刷，而且雾化现象也比较小底流 消能流态稳定，消能效果良好可靠，对各种地质条件均能适应，在软基上的闸 坝工程中采用十分广泛。底流消能的主要缺点是消力池的工程量及投资较大 底流消能工多用于中小工程，例如，早期原苏联伏尔加河上的梯级电站，我国 的大型低水头的葛洲坝水电站，世界上采用底流消能工最高的泄水建筑物是原 四川大学工学硕士学位论文 苏联叶尼塞河上的萨扬舒申斯克水电站，我国采用底流消能工的最大工程为五 强溪水电站等。 面流消能就是利用设置在溢流坝末端的垂直鼻坎，将坝顶下泄的高速水流 引导至下游河床，以面流水跃的形式和下游水面衔接，然后沿程逐渐扩散消杀 余能。也就是说，面流的主要消能段是在跃后，射流水股的动能主要依赖于表 面波在相当长的距离内逐渐扩散消除在水跃区则靠主流底部和表面旋滚( 自 由面没有表面旋滚) 消杀部分能量。故其底旋滚的反向流速较低，起了将高速 的表层主流和河床隔开的作用，因而大大地减轻了泄流对河床的冲刷。因而采 用面流消能，对于岩石河床，下游一般可以不进行保护，对于其中的自由面流 流态还具有光滑的水流表面，能满足漂木、排冰等特殊要求。但是，面流衔接 的流态比较复杂，不易控制，当水跃区消能不充分，跃后余能较大时，下游的 水面波动对岸坡、电站出力、航运等的影响不可忽视。必须在枢纽布置和水工 设计中一并加以考虑，增设必要的防护设施。选用面流消能工除了对顺利排水， 漂木过坝有良好效果外，由于其结构布置简单、施工方便，可省去大量的护坦 工程，特别是在引水式发电枢纽中，当坝下两岸无重要保护对象，河床和岸坡 均为岩质时，其工程经济效用尤为明显。面流消能适用于水头不很高，泄流量 较大，下游水深较深，但变幅较小，溢流段较长的中低坝，采用挑流有困难， 采用底流又工程量较大，或还有漂木、排水等特殊要求时选用 z l 。早在上世纪 2 0 年代，萨巴湟夫把面流消能工用于伏尔霍夫水电站溢流坝，其它如德罗泥、 下斯韦尔等工程都是面流消能工。5 0 年代，美国也做了大量的室内研究，特别 是对不同高度的跌坎做了深入研究，但是实际应用不多。我国采用面流消能工 最早是广西的西津，其后有富春江、七里垅、龚咀、大化等。 戽流消能由美国最先提出来，它是上个世纪六十年代后期，面流消能的运 用发展和改进后的产物。消能戽是指泄水建筑物的末端由较大的反弧半径( 或 其他的特殊型体) 和较大的挑角所构成的一种深塘式消能工戽流流态系指在 下游尾水淹没鼻坎的条件下，下泄的高速水舌由于受下游尾水的顶托，表层水 股失去稳定倒向戽腔形成表面旋滚，底层水股出戽后形成反向旋滚，其主流水 股因戽唇的作用，向上挑射，出戽后离开河床形成凸曲型的涌浪，浪后以二次 水跃的形态和下游水面衔接。这就是众所周知的“三滚一浪”的典型戽流流态。 因其挑角较大，戽流消能适应的下游水位变幅相对面流消能要大些。戽流的能 4 第一章绪论 量主要是在戽后涌浪的激流扩散中消杀，戽流的主要消能段在戽后水流的涡旋、 掺混和扩散工程中进行。戽内旋滚的最大消能率可达3 0 左右。戽后反旋滚的 消能率小于戽内旋滚的消能率。与面流流态相比，戽流消能( 与面流的淹没混 合流流态相似) 更适合于较大单宽流量，深尾水，且下游河床和两岸基岩较好 的情况。对于有排漂要求的泄水建筑物不宜采用，同时设计时还应考虑泄洪时 涌浪波动对电站尾水和通航建筑物的影响等圆。最早使用戽流消能的是美国的 大苦里坝，到了6 0 年代这种消能工在美国和日本发展很快，如美国的克拉克山 坝、布格斯库坦、中心山坝等，日本的城山、佐久问、五十里坝，委内瑞拉的 古里坝。我国首次采用戽流消能工的是石泉电站。 消能方式的选择，影响因素很多，包括坝型、坝高、泄流量、坝址的地质 地形、下游水深及变幅、水利枢纽中各建筑物的布置及运用要求、工期、工程 量及投资等，需要根据各个工程的具体情况，结合各种消能工的运用特点，进 行综合的技术经济比较分析。 1 1 4 新型消能工的发展 一九五六年，我国修订了十二年科学发展远景规划，其中包括高水头泄水 建筑物的研究。可以说，这是我国有组织地研究高速水流( 包括高速水流消能) 的开端。近年来，我国在高坝泄洪与消能技术研究方面发展很快。一九七八年 在汉口召开的泄水建筑物消能防冲会议，检阅了一九七八年以前的研究成果， 并正式出版论文集，会后还组织编写了“泄水建筑物下游消能防冲问题”的专 著，对我国消能防冲的研究成果进行了总结。为推动这一专题的研究起到了很 好的作用。上个世纪八十年代通过联合攻关和大批水电科技工作者的努力，在 消能防冲问题的指导思想上也有了突破和飞跃，创造和发展了许多新型的消能 设施。其主要特点是：发展了一批使水流纵向扩散的新型消能设施，既解决了 峡谷地区坝肩防冲问题，又有效地提高了消能效果，如收缩式窄缝消能设施， 大差动碰撞消能及拱坝顶分流坎等；改变了以往在坝面急流区尽量使墩体符合 流线型的做法，创造出了宽尾墩这种新型设施，它不仅使坝面掺气量加大，而 且使水流消能增加；通过对低佛氏数水跃消能问题的研究将原消力池内的墩、 坎上移到陡坡段，既增加了消能率也避免了空蚀引起的墩、坎破坏问题；压力 5 四川大学工学硕士学位论文 洞内设置孔板局部消能。随着这些新型消能设施的出现，在理论研究上也有了 很大的进展。计算机的应用，使原来仅用实验作为唯一研究手段的消能防冲问 题也增加了新的研究途径【4 】。 国外近年来在消能工研究方面也出现了一些新的特点，如：扩大和偏转消 能，逆流消能，粗糙坡面消能，漩涡消能，射流扩散消能，大差动和纵向扩散、 横向扩散消能等等。特别值得一提有：碾压混凝土坝出现而产生的台阶式坝面 溢洪道，它不但使坝面施工加快，而且大大地增加了坝面消能，同时还无空蚀 问题，这与我国近年形成的增加空中消能和局部消能的指导思想有不谋而合之 处；t 形消力墩消能工，它是在消力池内设有在平面上是“t ”形的辅助消能工， 前墩与支腿、尾坎相连结，其显著的特点是采用t 形墩后使消力池长度大大缩 短；泄洪洞的内消能工，有孔板式消能工，竖井式消能工，螺旋流式消能工以 及洞塞式消能工 1 2 宽尾墩消能工的回顾与现状 1 2 1 宽尾墩消能工研究的意义 近几年来，中国修建的一些大型水电站工程，都有一个突出的特点，即高 水头、大流量、窄河谷、深尾水和低佛汝德数。早在上个世纪七十年代，林秉 南院士提出了【3 】“在拱坝顶部设置宽尾墩，可以使自由溢流水舌成一股股收缩 射流沿纵向充分扩散，然后跌入下游水垫，促进掺气消能”的设想。1 9 7 4 年龚 振赢唧在安康水电站的水工模型试验中具体研究了宽尾墩，证实宽尾墩促进消 能的效果是显著的。近年来，宽尾墩已经在许多工程中得到广泛的运用，它和 挑流、底流、戽流、坝面台阶等多种消能方式联合运用，解决了大量常规的消 能工难以解决的消能防冲问题。我国目前在建和拟建的大坝大多数处于峡谷地 区，泄洪消能的问题特别突出，所以对宽尾墩做更进一步的研究、不断探索它 的运用前景，对解决峡谷地区水利枢纽的消能问题有重要意义。 1 2 2 宽尾墩的基本特点 ( 1 ) 流态描述嘲 由于墩尾加宽，闸室过流通道沿程收缩，水流在闸室内也随之逐渐雍高， 6 第一章绪论 流出闸室后水流在一定范围仍然保持其收缩倾向，使每一孔出流都在坝面形成 一道窄而高的水墙，在闸墩后出现大块的无水区。同时闸室内靠近闸墩尾部的 水流受到墩尾的顶托作用，使靠近表面的部分向上雍起，水流线与坝面之间存 在较大的夹角。闸室后水面向内翻卷激起两道形似闭和蝉翼的“水翅”，沿墩尾 方向合拢，围成一个上端开口的空腔。 坝面水舌三面接触空气，并有水翅、空腔等流态，水流与空气的接触面 增大，增加了水流的掺气量和紊动，有利于坝面防蚀，同时闸墩后的无水区也 降低了施工平整度的要求。 挑流水舌的厚度增加，导致入水射流纵向扩散长度增大，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。 由于坝面水流掺气和水股碰撞等因数，造成水流动能损失增大。同时 由于挑舌水流高低相问，挑流水舌呈高而薄的雄鸡尾状，水舌落点分散，空中 和水垫消能率大大提高。 ( 2 ) 宽尾墩几何参数及其确定 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 闸孔收缩率 ；霉：l 一_ b p - b ( 1 - 1 ) = 一= l 一一 【l - 1 ) a占 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 以及其消能冲刷等影响很大。大量实验表明= 0 3 0 7 是合理的。 闸墩尾端折角 e = 口r c t g 等( 1 - 2 ) 当g 一定时，宽尾墩水舌的坝面扩散随着尾端折角而变化。 宽尾墩始折点位置参数 孝2 毒r = 百y ( 1 - 3 ) 式中，口为闸室净宽；b 为墩尾收缩后的闸孔净宽；日。为设计水头；石和 7 四川大学工学硕士学位论文 y 为从坝顶起向下游的水平和垂直距离 ( 4 ) 宽尾墩体型 宽尾墩消能的关键之一是宽尾墩体型的选择。随着坝工建设的蓬勃发展， 各具特色的宽尾墩体型陆续出现。我国刘永川对多种墩型的实验研究表明：侧 墙垂直型宽尾墩，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；侧墙倾斜型宽尾墩，可以适应各种流量的变化，对改善小流量的扩散和 掺气效果显著；贴角型宽尾墩闸室水面低，纵向扩散效果好，水冠小，是适应 流量变化，节省工程量的最优体型，可以用于大中型工程；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是为了调整下游河道沿横向宽度的流量 分布时，可以采用不对称型宽尾墩，工程措施简单可靠，消能效果好。近来又 新提出了x 型和翼型宽尾墩【1 川。x 型保持了传统宽尾墩的优势，增加了坝面的 过水面积。小流量过流时，水流经坝面过流，充分发挥了坝面的消能作用，避 免了y 型宽尾墩最不利的工况。当大流量过流时，过堰水流分成两部分，部分 通过下部开口过流，又对上部宽尾墩纵向拉开的水舌产生上托作用，减小了宽 尾墩过流时坝面出现的负压，又避免水流集中对坝面的冲蚀作用。 1 2 3 宽尾墩的水力计算方法 由于宽尾墩水流运动的显著三元性，许多的参数难以确定，因此目前的研 究工作仍然是用二元动量原理，不考虑附加射流的影响下建立下游消力池内水 流的计算式。这一方面的工作有谢省宗【1 1 】建立的宽尾墩与戽式消力池联合运用 的水力计算方法，武爱玲【1 2 】建立的溢流坝反弧末有跌坎的宽尾墩底流消能的水 力计算方法，吴桢祥1 5 1 则探讨了低坝宽尾墩水跃消能工的计算。刘永) f l t l 3 1 建立 了宽尾墩小戽斗水跃消能的计算方法，杨首龙【1 4 l 提出了宽尾墩水跃消能系统水 力计算方法，这些方法的共同特点是引入了某些压力和流速的修正系数，但是 除杨首龙外，均未给出参数的变化规律。并且跃前断面水深的取值将很大程度 上影响计算结果的可靠性。因此这些方法还有待于进一步完善。 1 2 4 宽尾墩联合消能工的发展 ( 1 ) 宽尾墩一挑流联合消能- f t 蛔 该方式最先运用于潘家口水电站。窄而高的堰顶收缩射流由于重力和离心 第一章绪论 力影响，在反弧段急剧坦化，扩散，相邻孔之间扩散水流彼此交汇，相互碰撞， 激起很高的水冠向下游挑射，在鼻坎上的挑流水舌形成高低相间的水股与差动 鼻坎的水舌相似。消能机理：利用宽尾墩先收缩后扩散的流动特征，使鼻坎上 水流自然分层形成差动，使连续鼻坎具有差动鼻坎的特征，而且由于水冠大量 掺气，增加了消能效果，比常规的差动鼻坎更为有利。 ( 2 ) 宽尾墩一消力池联合消能工【1 1 【l r l 堰顶收缩射流沿坝面下泄，当水舌坦化进入反弧段时，相邻两股水流开始 交汇。各水股在消力池内相互混合，产生强烈的动量变换和紊动剪切。类比于 常规宽尾墩型消力池，将下游水位由低向高抬升，宽尾墩消力池内依次出现下 列情况：( 1 ) 涌浪远驱水跃；( 2 ) 宽尾墩三元正常水跃；( 3 ) 宽尾墩三元淹没水跃。 消能机理：实质是堰顶收缩射流形成的一系列水流内部结构的变化所引起 的。当常规平尾墩的二元薄层过堰水舌被宽尾墩在堰顶改变成三元窄高收缩射 流下泄时，一部分水流因冲击波而飞溅并掺气，从而耗散了一部分水流动能， 其大部分实体的射流在相互混合后形成特有的三元水跃，宽尾墩三元水跃较之 常规的二元强迫水跃( 或自由) 水跃和三元水跃在水流内部产生了更为剧烈的 紊动剪切，从而形成常规平尾墩消力池所不可能有的附加消能，水流的总能大 为降低。其结果是三元水跃的第二共轭水深显著降低，跃长大为缩短，消力池 消能率大大提高。 ( 3 ) 宽尾墩戽式消力池联合消能工 在同样的水力条件下，宽尾墩戽式消力池池内流态变化有显著不同：( 1 ) 宽 尾墩由于相邻各孔水舌在反弧段坦化与交汇，激起很高涌浪，形成“涌浪一附 贴挑流”；( 2 ) 当下游水位继续抬升，宽尾墩戽池内在形成足够水深时将把涌浪淹 没并形成“临界戽跃”；( 3 ) 当下游水位进一步抬升，宽尾墩戽池则形成。淹没戽 跃”，这时戽池内水体旋涡破碎，紊动剪切增强并大量掺气。和平尾墩相比，宽 尾墩戽池产生戽跃的临界水深显著降低，消能率大为提高。消能机理：其消能 机理和宽尾墩底流消力池联合消能工没有重大差别，其实质都是由于多股堰顶 收缩射流杂戽池紊动和掺混作用，并产生一种特殊的宽尾墩三元戽跃，其本质 上是发生在戽池内的完全三元水跃。它大大改变了原来二元戽流“三滚一浪” 的面流特征，宽尾墩戽池的消能率可达到4 5 。6 0 。 ( 4 ) 宽尾墩一底孔( 挑流) 一消力池联合消能工【1 观【1 9 】 9 四川大学工学硕士学位论文 它的主要思想是利用宽尾墩后的无水区来布置坝身泄洪底孔的出口。底孔 的水流以挑流的方式注入宽尾墩消力池的三元水跃进行联合消能。当底孔关闭， 其流动特征即为一般的宽尾墩消力池联合消能工；根据附加动量理论，在水跃 中注入射流，只要射流的水跃的入射角选择得当，底孔射流饿注入不但不会引 起水跃消能的恶化，而且还可以在入池单宽流量增加的条件下改善消能。通过 模型实验和五强溪原型观测，该消能工的效果显著，池内水跃完整、旋涡破碎、 掺气剧增、余能较小。 ( 5 ) 宽尾墩一阶梯式溢流坝联合消能工 2 0 l 2 1 i 这种新的消能方式兼有宽尾墩消能和阶梯式溢流坝的特点和优点：它既利 用阶梯式溢流坝进一步增进了宽尾墩的消能率，又利用宽尾墩后的无水区对阶 梯底部进行通气来避免空化和空蚀，从而使阶梯式溢流坝向高水头大单宽流量 方面发展。随着碾压混凝土筑坝技术在大中型水电站主体工程中的运用和发展， 尤其是碾压混凝土具有抗冲磨和强度高于常态混凝土3 0 9 6 5 0 等优点，利用宽 尾墩在堰顶形成的三元收缩射流纵向扩散便于向阶梯下通气的特点，同时免去 溢流坝面施工中撤除预制模板和回填混凝土形成光滑溢流坝面的工序。 宽尾墩在我国水利工程中运用很广，下面是一些工程实例嘲 1 0 第一章绪论 表1 - 1 宽尾墩联合消能工工程实例表 坝名 省份坝型坝高 设计流量消能方式收缩比 收缩角 潘家口河北宽缝重力坝 1 0 32 0 8 宽尾墩+ 挑流0 6 6 71 8 4 4 石板四川r c c 重力坝 8 45 3 5 宽尾墩+ 挑流 0 6 1 7 1 蟒塘溪湖南砼重力坝 4 37 5 3宽尾墩僦流o 62 1 0 3 坡帖 广西 浆砌石重力坝宽尾墩硝流 o 5 9 安康陕西砼重力坝 1 2 82 5 4 宽尾墩+ 消力池0 42 1 8 隔河岩湖北重力拱坝 1 5 l2 0 0 宽尾墩+ 消力池 0 2 5 桃林口河北r c c 重力坝 9 7 51 3 7 宽尾墩+ 消力池 0 33 0 2 6 岩滩 广西 砼重力坝 1 1 03 0 6 宽尾墩+ 消力池 0 5 3 31 5 1 2 巴江口 广西砼重力坝 4 01 4 1 宽尾墩+ 戽池 o 52 0 白石辽宁r c c 重力坝 5 0 31 7 0 宽尾墩+ 挑流0 62 5 6 4 高坝洲湖北砼重力坝 5 41 4 5 宽尾墩+ 戽池 o 51 5 满台城 吉林 砼重力坝 3 76 7 z 宽尾墩+ 戽池 0 62 0 5 6 宽尾墩+ 底孔挑流 五强溪湖南砼重力坝 8 5 82 9 60 3 6 81 7 5 3 + 消力池 宽尾墩+ 阶梯溢流 水东福建r c c 重力坝 5 71 3 9o 4 41 9 2 9 坝面+ 戽池 宽尾墩+ 阶梯溢流 大朝山云南r c c 重力坝 1 1 12 1 4o 42 1 8 坝面+ 戽池 宽尾墩+ 阶梯溢流 索风营贵州r c c 重力坝 1 2 1 82 4 50 4 61 9 2 9 坝面+ 消力池 宽尾墩+ 阶梯溢流 百色广西r c c 重力坝 1 3 02 0 5 0 3 4 3 2 0 9 7 坝面+ 消力池 1 1 四川大学工学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容 ( 1 ) 常规宽尾墩、x 型宽尾墩、v 型宽尾墩的消力池底板冲击压力的比较。 ( 2 ) 常规宽尾墩、x 型