（水工结构工程专业论文）低水头电站消能结构试验研究.pdf

摘要 摘要 水电是可再生的清洁能源，是中国能源结构的重要组成部分。近年来，我国 经济快速发展，随着工业、农业的发展提速以及城市基础设施建设步伐的加快， 社会电力需求紧张的矛盾开始凸现。为缓解社会用电紧张的局势，拥有丰富水力 资源的西南地区实施了加强农村水电建设的战略，一大批低水头电站在上游的山 区河流上开始兴建。山区河流山洪爆发迅速，洪峰流量大，电站集中泄洪造成的 坝下冲刷给低水头电站的安全运行带来很大的挑战，坝下消能结构的型式以及消 能效果一直是大家尤为关心的问题。如何使消能结构既具有良好的消能效果，又 具有最优的经济性，是每个低水头电站亟需解决的问题。 本文在分析大量低水头电站的基础上，设计并建立了具有普遍意义的低水头 电站概化模型。通过多组次概化模型试验，研究比较低水头电站坝下几种常见的 消能结构的消能效果。概化模型试验研究结果表明，在消力池尾部布置t 字墩的 结构型式在低水头电站中具有较好的消能效果。 完成概化模型试验后，建立了重庆市羊头铺低水头电站工程整体模型，并在 整体模型上进行了在消力池尾部布置t 字墩的消能结构试验，模型试验结果证明 其在实际工程中仍然具有较好的消能效果。随后对该结构型式的一系列优化试验 表明，适当调整导尾坝并优化泄洪闸的调度开启方式，不但可以大大降低消力池 的尺寸，还能使消能结构的消能效果达到最佳。 低水头电站工程中，消能结构是一个集消能建筑物、辅助建筑以及闸门运行 调度于一体的工作方式，只有根据实际情况通过系统性研究才能得出经济最优、 效果最好的消能方式。 关键词：低水头；电站；消力池；消力墩；结构型式；消能效果 a b s t r a c t h y d r o p o w e ri sr e n e w a b l ec l e a ne n e r g y , w h i c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r to f c h i n a se n e r g ys t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a se c o n o m i cd e v e l o p sr a p i d l y , a sw e l la s t h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，a n d t h ea c c e l e r a t e dp a c eo ft h eu r b a n i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，s o c i a lt e n s i o ni nt h ed e m a n df o re l e c t r i c i t yh a sb e c o m e p r o n o u n c e dc o n t r a d i c t i o n t oe a s e t h et e n s es i t u a t i o ni nt h es o c i a l p o w e r , r i c h h y d r o p o w e rr e s o u r c e so ft h es o u t h w e s tr e g i o nt os t r e n g t h e nt h eb u i l d i n go fr u r a l h y d r o p o w e rs t r a t e g y , al a r g en u m b e ro fl o w - h e a dw a t e rp o w e rs t a t i o ni nt h eu p p e r r e a c h e so ft h em o u n t a i nr i v e r sb e g a nt ob u i l d m o u n t a i nr i v e rf l a s hf l o o d sr a p i d l y , p e a k f l o w , p o w e rs t a t i o no nt h es p i l l w a yd a md o w n s t r e a mt ot h el o wh e a ds c o u r i n gt h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rp l a n t sp o s ec o n s i d e r a b l ec h a l l e n g e s ，e n e r g yd i s s i p a t i o no ft h ed a m d o w n s t r e a ms t r u c t u r ea n de n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c th a sa l w a y sb e e naf o c u si s s u e h o w t oa c h i e v et h a te n e r g yd i s s i p a t i o ns t r u c t u r ei se c o n o m i ca n ds e c u r e ，w h i c hi sn e e d e dt o s o l v eo ne v e r yp o w e rs t a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fl o w h e a dp o w e rs t a t i o n ，p r o d u c e dau n i v e r s a ls i g n i f i c a n c e l o w - h e a dp o w e rs t a t i o ng e n e r a l i z e dm o d e l ，a n dt h r o u g hg e n e r a l i z e dm o d e le x p e r i m e n t ， r e s e a r c ht h ec o m m o ne n e r g yd i s s i p a t i o nf o r mo fl o w - h e a d p o w e rs t a t i o nd a m d o w n s t r e a m ：f l a t b o t t o mp o o ls e ts t i l l i n gt h ea u x i l i a r ye n e r g yd i s s i p a t i o n ，a n dc o m p a r e d i f f e r e n tt y p e so fe n e r g yd i s s i p a t i o n se f f e c t ，d r a ws o m em e a n i n g f u lc o n c l u s i o n s ，p u t f o r w a r dab r o a da p p l i c a t i o no ft h es t r u c t u r eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n ，a n da p p l i e st h e mt o t h ea i ro fh y d r o p o w e rp l a n ti nc h o n g q i n g t h r o u g ht h ew h o l em o d e lt e s to nt h em o d e l e s t i m a t e sm a d eb yt h ep i l o tt ov e r i f yt h ec o n c l u s i o n ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a la i ro f s h o p sp o w e rp l a n tp r o i e c ti ni t ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n da d j u s t m e n to fe n e r g y d i s s i p a t i o n ，t h ea i ro fs h o pp o w e rs t a t i o nr e c e i v e dt h eb e s td i s s i p a t i o ns t r u c t u r ea n dt h e o p e r a t i o nm o d ep o w e rs t a t i o n i i lt l l i sp a p e r , t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 至) g e n e r a l i z e dm o d e le x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，b ya d d i n ga n yd i f f e r e n ts t r u c t u r e s o fs t i l l i n gp i e ri nt h es t i l l i n gb a s i n ，w i l li m p r o v ef l o wp a t t e r n s ，i n c r e a s et h er o l eo f e n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n st - p i e rs t i l l i n gb a s i ni sag o o df o r m s t r u c t u r eo ft h ee c o n o m ya n de n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c t ； t h r o u g ht e s t i n go nt h e1 ：8 0h y d r a u l i co v e r a l lm o d e lo nt l i ea i ro fs h o p sp o w e r a b s t r a c t p l a n t ，v e r i f yt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti nt h eg e n e r a l i z em o d e lt e s t u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，t h et - t a i lh o mp i e rt o g e t h e rw i t ht h et - f o r m a t i o np i e r ( a tt h ee n do fp 0 0 1 ) s t i l l i n gb a s i np r o g r a mi sab e t t e re n e r g yd i s s i p a t i o np r o g r a m k e yw o r d s ：l o ww a t e rh e a d ：p o w e rs t a t i o n ：s t i l l i n gb a s i n ；s t i l l i n gp i e r ： s t r u c t u r e ： e n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 髦鳓 | 日期：7 们彩年弓月乡7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：兰糊 指导教师签名：弛喊弱，帕帖堵l 日期：衙弓月驴日 日期：沙易年丐 月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水力资源作为可再生清洁能源，是中国能源的重要组成部分，在能源平衡战 略和能源工业的可持续发展中占有重要地位。进入2 l 世纪，国家从经济快速发展、 能源的可持续供应、环境保护以及西部大开发等方面考虑，制定了优先开发水电 的方针，水电建设迎来了前所未有的发展机遇。尤其是2 l 世纪前叶，水电发展必 将进入黄金时期。 我国是一个多河流的国家，长江、黄河等更是世界知名的大河。随着社会和 经济的发展，人类与河流的关系更为紧密，包括防洪、引水灌溉、航运、建坝发 电、等等。新中国成立以来，在我国的主要河流上修建了数以万计的水库及各类 水利工程。虽然，受历史、资金等因素的制约，我国的水电建设曾出现起伏，呈 波浪式前进。但半个多世纪以来，水电事业仍然获得了巨大的发展，为国民经济 的发展和人民生活水平的提高做出了巨大贡献。 建国初期，水电建设主要集中于经济发展及用电增长较快的东部地区，大型 水电站不多。2 0 世纪5 0 年代末，开始在黄河干流兴建刘家峡等一批大型水电站。 但从地域分布来看，仍以东部地区为主，而我国水力资源最为丰富的西南地区并 未得到大规模开发。由于水电一次性投资较大，因而火电发展迅速，水电在电力 工业中的比重逐步下降。 改革开放以来，国家把开发西部地区水力资源提到重要位置，尤其是提出“西 电东送 战略以后，西南地区丰富的水力资源逐步得到开发利用。除长江干流上 三峡水电站外，在长江重要支流雅砻江、大渡河、乌江上均已建成或正在建设巨 型水电站。黄河上游龙羊峡至青铜峡河段、澜沧江、南盘江、红水河均已建成或 正在建成一批百万千瓦以上的骨干水电站。这些河流水电资源的开发，为西部大 开发和“西电东送”揭开了序幕。2 0 0 4 年底，全国常规水电已开发装机容量1 0 2 5 6 万千瓦( 水电总装机容1 0 8 2 6 万千瓦，其中抽水蓄能电站5 7 0 万千瓦) ，年发电量 3 2 8 0 亿千瓦时，占全国技术可开发装机容量的1 8 9 ，占全国总装机容量的2 3 3 。其中，东北地区的辽、吉，华北地区的京、津、冀，华东地区的闽、浙、皖、 鲁、赣，中南地区的豫、湘、粤、琼等省( 自治区、直辖市) 常规水电开发程度均 超过技术可开发量的5 0 ，最大达8 8 7 ：水力资源富集的西南地区川、滇、 藏开发程度分别为1 1 7 、7 5 和0 3 ；西北地区陕、甘、青、新开发程度分 别为2 3 8 、3 6 5 、1 8 4 和2 7 。2 0 0 5 年底全国常规水电开发总装机容量 已经达到1 1 4 3 0 万千瓦。 第一章绪论 2 总的来说，我国的水电建设事业从2 0 世纪九十年代以后已经取得了长足的发 展，特别是三峡、二滩、龚嘴等大型水电枢纽的建成，更是见证了我国水电事业 的发展规模和建设水平的飞跃。 近年来，我国迎来了经济发展的最好时机，工业、农业等迅猛发展，国民生 产总值跨入世界前列，人民收入大幅增加，生活水平大大提高。而与此同时，社 会对电力资源的需求也达到了前所未有的程度。随着大批小煤窑的关闭整顿，电 煤需求趋紧，而因为环保要求关闭了部分火电之后，电力紧张的局面开始呈现， 各大城市在用电高峰期拉闸限电时有发生，给经济发展和人民生活带来极大不便。 为解决能源紧缺的问题以及应对越来越突出的环境保护问题，发展清洁、高效、 便宜的新能源成为整个世界共同的话题，风能、太阳能、地热等新型能源的研发 利用成为重要的课题。而水电，作为一种高效率、清洁和可再生的能源方式，让 人们再次将目光更多的投向了开发河流，建库发电。 其实，水电站的建设，不仅仅具有发电的作用，还有蓄水防旱、调蓄防洪等 重要功能。2 0 0 6 年，位于我国西南部的新兴直辖市重庆市发生了1 0 0 年不遇的旱 灾，江河水位下降，小河流大面积干枯，不但导致整个重庆地区电力紧张，而更 为重要的是人畜饮水困难，庄稼大面积枯死，给国民经济带来重大的损失。干旱 过后，痛定思痛，国家和重庆市提出了大力发展农村小水电，蓄水保电力供应， 保障农村饮水灌溉之需。重庆市江河众多，水力资源丰富，大力发展小水电不仅 降低了农村以及城市供电紧张的局面，而且可以防汛抗旱，具有多重作用，对整 个地区的社会经济发展将产生巨大影响。 然而，小水电的建设基本选在山区小河流上游。由于这些山区河流的平时水 流不大，水库面积较小，为降低建设成本和工程建设的难度，因而大多采用了低 水头电站的型式。山区河流山洪爆发迅速，洪峰流量大，给低水头电站的安全运 行带来不小的考验，电站下游的泄洪防冲任务较重。因而，这些低水头电站坝下 消能结构型式以及消能效果成为电站设计、建设人员最为关心的问题，若消能工 程不完善，将给低水头电站的建设带来灾难性的打击，给人民的生命财产带来巨 大的损失。解决好低水头水电站的消能防冲问题，确保小水电的安全正常运行， 提高消能效果，降低工程造价的任务任重道远，需要大批水利工作者做出多方面 的科研工作。 本文针对目前的重庆市小河流上游多数低水头电站的具体情况，通过概化模 型试验研究低水头电站的消能结构型式和消能效果，并提出最优的结构型式，为 工程设计和建设人员提供基本的依据。 第一章绪论3 1 2 低水头电站消能结构的研究现状及存在的问题 1 2 1 研究进展 天然河道中的水流，一般多属于缓流，单宽流量沿河宽方向的分布比较均匀。 当在河道中修建了闸、坝等建筑物后，流动条件发生了变化，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) 比下游河道中 水流的比能大得多，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，常要求这类建筑物的泄水宽度比原河床小，单宽流量加大，形成高速水流 下泄，泄水建筑物下泄的水流流速很高，水流具有动能大而又集中的特点，易于在 建筑物下游产生远趋式或临界式水跃与下游水流衔接乜3 。 为了改变这种不利的衔接形式，必须设法加大建筑物的下游水深，使水跃控 制在紧靠建筑物之处，并形成淹没程度不大的水跃。加大下游水深的工程措施， 主要有下列两种：一是降低护坦高程，在下游形成消力池；二是在护坦末端修建 消能坎来雍高水位，使坎前形成消力池。但经过消力池后的剩余能量仍然很大， 需要我们对消能结构进行优化设计。如果不采取工程措施消除余能，水流将会冲刷 下游河床，并危及建筑物自身的安全。消能是通过工程措施消除余能，防冲是在一 定范围内对河床加以适当保护，两者综合的结果，才能经济有效地解决泄水建筑物 下游地冲刷，保护建筑物地安全。而当流速小于1 6 - 1 8 m s 时，需要加设各种形式的 消能工，以提高消能效率，降低对主要消能工深度和高度的要求口1 。 目前常用的消能基本方式有：底流式、挑流式、面流式、戽流和粗糙壁面消能 工引。 1 2 1 1 底流消能 在我国大量的低水头中小型水利工程中，底流消能是主要的消能方式。底流 消能的特点是适应性强，对高、中、低水头均能适用。水头越高，消能率越大，并由 尾水衔接，紊动波动小，流速分布均匀等优点。底流式消能的实质是利用消力池或 消力槛强迫水流在人们所希望地位置上形成强迫水跃，从而达到利用水跃消能的 目的。底流消能是借助于一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃表面发生的表 面旋滚、掺气、混掺以及与周围水体进行质量、动量和能量的交换来消除余能。 底流消能的效率与跃前佛氏数密切相关，佛汝德数愈大消能效率愈高，当跃前佛 汝德数在1 5 - - - 4 5 范围内，消能效率较低( 一般只能消除不到4 0 9 6 的能量) ，剩余能 量较为集中，对下游冲刷严重，所以常常要在消力池增加一些辅助消能工来提高 消能效率1 。目前国内外主要采用趾墩、消力墩、t 字尾墩、尾槛等。在水跃段设 第一章绪论 4 置辅助消能工，是解决低佛汝德数水跃消能的最基本、有效的方法。根据资料介 绍，当流速小于1 6 - - - 1 8 m s 时，允许加设各种形式的辅助消能工。辅助消能工可设 在池首高流速区，如平台小坎、分流墩等；也可设在池尾如t 字墩、尾坎等；还可 设在池的中间，如消力墩或连续坎等口5 1 。 中低水头电站，由于下游水位变幅大，水跃流态不稳定，消能率低，在推移 质较少的情况下，在消力池内设置辅助消能工，可分散入池水流，加强扰动，增 加水流内部流速梯度，改变水跃形态，使池中水流出现漩滚从而产生强迫水跃。 从而达到提高消能效率、缩短池长、减少对下游的冲刷的目的。加设消力墩还对 池中水流产生反向作用力，从而减小消力池的深度及长度，增加消能效率，降低 跃后水深。若当收缩断面流速较大，如在离收缩断面不远处设置消力墩，墩间流 速较大，超过1 5 m s ，有产生空蚀破坏的可能性时，而选用t 字墩消力池。将t 字墩布置在远离收缩断面处，且与尾坎连在一起，既避开流速高的部位，又增大 了t 字墩的受力结构强度，不易产生空蚀破坏口1 。 消力墩 消力墩是设在消力池中的冲击式消能工，借以产生强迫水跃进行消能。消力 墩的主要形式有：t 字消力墩、梯形消力墩、顶角6 0 度t 字消力墩、矩形墩等。 由于设置了消力墩的消力池具有池短、消能可靠、适应的尾水变幅大等优点，近 年来在国内得到了广泛应用。在消力池中，设置消力墩的主要作用是稳定水跃， 降低水跃表面波动，增加水流的紊动及促进消能。为防止空蚀，消力墩应设在流速 不超过1 5 m s 的池内。同时消力墩所设位置不同，其消能效果也明显不同。当消力 墩设在池首时，可增大流速梯度，墩子距池子上游坡脚越近，涌浪越大。墩在池中 部时可冲击射流，形成强迫水跃，降低共轭水深，缩短池长和增加水流扩散能力。 若将墩子设在跃尾，则可将底部流速挑离河底，从而改善下游流速分布，减少对 河床的冲刷口5 1 。 宽尾墩 宽尾墩是我国首创的一种新形消能工，它是用直线或曲线将溢流坝闸墩的尾 部加宽。目的是使坝面溢流沿横向收缩，在坝面上形成一道窄而高的水墙，收缩 水流，紧贴坝面下泄，这样横向收缩使坝面水深增加2 - 3 倍甚至更大阳l8 们。由于 坝面水流与空气接触面积大，因而水流掺气也大，这股水流跌入反弧时，由于横 向扩散，邻孔水流在鼻坎上互相碰撞和顶托，向上雍起，激起较高的水花。我国 首次采用宽尾墩的工程是潘家坝水库，安康水电站、五强溪水电站、岩滩水电站 等水利工程采用宽尾墩消能工取得了良好的经济效益和社会效益哺1 。 掺气分流墩( 趾墩) 分流墩是一种掺气减蚀、消能防冲的措施。利用墩坎扰动水流，促使水流剧 第一章绪论5 烈紊动和竖向、纵向扩散增大自由剪切表面积，来增大入池前的掺气和消能。其 设施是一种体形简单合理、安全可靠、造价低廉、施工方便掺气减蚀和消能效果 显著的消能工，但是增大紊动强度会导致建筑物发生空蚀和震动破坏，且掺气水 流过分雾化也会导致电站调闸和岸边不稳定等问题。分流墩是屹立在坝面急流中 的冲击式消能工，其形状有消力墩状、三角体状、圆弧面及金字塔状等。单独加 设分流墩可使收缩断面水深增加，从而使共扼水深减小，达到减小消力池深度的 功效。但分流墩设置的位置不同，其消能效率也随之不同。前人做过的实验结果 表明：分流墩设在池首时，水流受反弧离心力及分流墩阻塞作用而上翘。主流趋 向表面，涌浪较大。越过分流墩后二次跌落。池内未形成水跃流态，远驱水跃流 态依旧；当分流墩设置在堰面处时。池内能形成水跃流态。美中不足的是表面波 动、流态不稳定n 训。巴西的依尔哈索尔台拉和西班牙的习底罗工程就是采用掺气 分流墩来消能的n 。 格栅 格栅消能工通过横向或纵向栅条将原来为一股的水流分割成若干小股，从而 减小了水流的能量集中，同时消耗了一部分能量，减轻对下游的冲刷。格栅式消 能工广泛用于渠系建筑物的跌水上。这种消能工由于消能效率低、工程造价低， 施工方便、抗冻性能好等优点，从六十年代起，在我国东北地区的小流量、低落 差泄水建筑物上得到广泛应用。格栅式消能工的消能大致分为两部分，一是水流 入栅后转为垂向过栅流动，之后水流在空中水股相互碰撞，水股与空气相摩擦， 直到跌入静水池水面。以上的能量损失是格栅式消能工所特有的，称为格栅能量 损失。二是水流入静水池后产生一个强制水跃，消杀了另一部分能量，称为水跃 消能。这两部分构成了格栅式消能工的纵消能和整体消能过程嵋1 。 拱网 拱网具有优异的水力特性和消能防冲特性。采用拱网消能大大减少工程规模 和投资。同时它具有良好的流态，能减轻对下游的冲刷。拱网的消能作用主要是 网前的强迫水跃、拱网对水流的局部阻力和网孔射流以及尾水之间的摩擦碰撞和 剪切产生消能作用啼，。 尾坎 尾坎的基本形式有：垂直尾坎、差动尾坎及反坡式尾坎等。设在水跃区内的 尾坎，具有强烈的反击作用，可使水跃所需的共扼水深降低。尾坎的作用是改变 出池水流的流速分布，以减轻对下游的冲刷。对具体的工程而言，采用何种尾坎 形式，应根据入流条件决定。 第一章绪论6 1 2 1 2 挑流消能 窄缝式挑流鼻坎 五十年代开始采用的窄缝式挑坎为解决峡谷河段的建坝消能防冲问题开辟了 一条新途径，我国从七十年代后期开始这方面研究工作。所谓窄缝是指将传统的 与泄槽段等宽的宽浅式挑流鼻坎改为窄缝式鼻坎。国内外有研究表明，窄缝式鼻 坎特别实用于作为峡谷段枢纽建筑物的消能措施1 。但由于窄缝挑坎出口断面急 剧地收缩，其水流条件及边墙动水压力比较复杂，不同于一般等宽挑坎。国内采 用窄缝式挑流鼻坎的有东江双曲拱坝右岸两条溢洪道、龙羊峡水电站溢洪道等。 曲面贴角鼻坎 曲面贴角鼻坎是在窄缝鼻坎基础上发展起来的。为使下泄的高速水流在峡谷 河道能按设计方位要求挑射到下游河床，并能充分扩撒掺气并能减轻下游冲刷， 近十年来，不少工程将挑流鼻坎做称扭曲面或倾斜面，在平面上做成对称或不对 称的体形，改变下泄水流的方向，促进水舌分散掺气，提高消能防冲效果。龙羊 峡水电站中孔、深孔以及底孔出口消能工均分别采用倾斜或扭曲鼻坎挑流。 高低坎大差动时的上下对冲、左右对冲 挑流消能实用于使水流纵横向分散，利用空气摩阻，消杀水流能量。高低坎 大差动水流分散撞击消能工的特点是：挑流鼻坎的宽度、位置、高程不同，出射 角不同，鼻坎形式也可不同，使水流产生纵向、横向、竖向的扩散和冲击。即水 流出鼻坎后，在平面上左右股形成对冲，立面上下水股对冲，增加了水流与空气 的接触面，促进紊流渗气，扩大射流入水面积，减小河床单位面积上的冲击荷载， 以达到减轻冲刷的目的。一般说，上下对冲较左右对冲为好，因为后者如果控制 不当，容易冲刷两岸。我国的白山水电站、二滩、凤滩水电站都采用了这种消能 工。大差动消能布置我国也采用。如七十年代后期建成的古里坝，右岸设三道不 等长的泻槽泄洪，使水流从不同地点回归下游河道，分散了入水能量，减少了对 河床的冲刷踊1 。 1 2 1 3 面戽流消能 宽尾墩加戽式消力池 宽尾墩与戽式消力池联合消能是我国首创的应用于高坝消能的新技术，它在 挑流、底流等传统形式的消能工联合应用中，已显示出显著的优越性。当戽式消 力池与宽尾墩联合运用时，原来平尾墩堰顶的溢流水舌，在墩尾的过水宽度由于 宽尾墩而收缩，迫使水流沿坝面竖向扩散而成一股窄而高的收缩水流，并附贴在 坝面而下，由于水舌两侧和顶部均为自由面，在沿面下泄时，受到重力的影响， 第一章绪论7 水舌又逐渐坦化，当进入反弧段时，相邻两孔水流坦化后开始交汇，水舌相互碰 撞，产生强烈的动量交换，当下游为急流时，在反弧和戽池前部，激起很高的涌 浪，水花飞溅，当下游为水垫时，产生多轴漩滚，形成三元戽跃1 。因此宽尾墩与 戽式消力池的联合运用，由于堰顶收缩射流的出现，戽池内外流态与常规平尾墩 戽式消力池有显著的不同。受宽尾墩的约束，宽尾墩闸孔堰面动水压强较平尾墩 情况下为高，这是使过堰流量略有减少的重要原因，但同时随着宽尾墩戽式消力 池水面线雍高，戽池底板动水压力也升高，对底板的稳定不利n 1 。 1 2 1 4 内消能工 多级孔板压力消能工 孔板消能和水流现象，类似水力学中常见的扩突水流，具有良好的消能效果， 故此多级孔板被认为是一种经济、有效的消能设备。来水经孔板后收缩，形成高 射水流，约在孔板0 2 - 0 5 d 处出现最小断面，然后开始扩散，在主回流交界面具 有较大的流速梯度，不断有大尺度漩涡产生，掺混激烈。它们沿程聚集，增长后 逐渐衰减。在河海大学做的模型试验中，四级孔板水头损失约为总水头的7 5 - 8 2 ，效果显著。加拿大的m i c a 坝首次采用了这种消能工形式，我国的黄河小浪底 也采用了这种形式n 羽。 旋转涡流消能工 反涡消能工实际上是一种空心金属结构，外层混凝土，也可制成钢筋混凝土 结构，内层用金属护面。水流经过一个以消能工纵轴为中心的圆孔和两个长方形 孔口进入涡室，在内涡室的中间套管内，水流由平行消能工纵轴的流核和漩涡组 成，在流核和漩涡界面上，以及内外漩涡之间，交换消能，作为阻力的反涡流消 能工在取水塔中形成雍水，因此部分水位差过渡有压流，故渐变段后面的管道流 速有所增加。实践证明，使用这种消能工可将工作室内水能消掉7 0 左右，余下 经消力塘消能即可啼1 。 1 2 1 5 粗糙壁面消能工 阶梯式消能工 阶梯溢流坝是在溢流坝的下游上设置一系列的台阶，利用这些台阶可以消散 坝面水流的部分能量，从而降低坝址处水流流速和动能，减小消力池体积，简化 下游消能设施n 劓。碾压混凝土坝面采用阶梯式坝面，在坝体碾压和浇铸过程中坝 面台阶随之形成，施工方便。与光滑溢流坝面相比较，阶梯溢流坝能够缩短工期， 节省投资，因而具有较大的经济效益，应用前景广阔。美国的上静水坝采用阶梯 式消能工，其消能率能达到7 0 。 第一章绪论 8 多级跌水 多级跌水的组成、构造和单级跌水相同。只是将消力池作为几个阶梯，各级 落差和消力池长度相等，使每级具有相同的工作条件，便于施工。 多级跌水有设消力槛和不设消力槛两种形式。一般在上一级消力池末端设置 一定高度的尾槛，用来造成淹没水跃，并作为下一级的控制堰口，各级同样布置。 消力池的尾槛上常留1 0 xl o c m 或2 0 2 0 c m 的泄水孔，以放空消力池内的积水。 消力池的长度一般不超过2 0 m ，所以沉降缝常设在池的两端，缝内设止水啼3 。 1 2 2 存在的问题 总结前人所作的工作，在过去所修建的低水头电站中，使用t 字墩+ 消力池的 消能型式使用较为普遍，多数工程人员也对其效果作了一致的肯定。所以，t 字墩 + 消力池的消能型式在低水头电站的建设中具有较大的优势，搞清楚t 字墩+ 消力 池的不同布置方式之间以及与其他结构型式间的消能效果和水流形态的差别具有 普遍的实用意义。 t 字墩消力池是在平底池内加设平面上呈“t 字、前墩用支腿与尾坎相联的 辅助消能工消力池啼1 2 1 。这种消力池源于印度的巴哈贝尼坝( b h a v a n i ) ，该坝高 3 3 m ，堰上水头4 6 m ，尾水深l o m ，推算单宽流量q = 1 9 5 n 1 2 s ，计算平底池长4 4 m 。 后通过试验采用t 字墩消力池，池长缩短到9 2 m n 钔。1 9 5 1 年第四届国际大坝会议 上介绍了这一成果，显示了它的优越性5 一引。1 9 8 0 年湖南三江口电站率先在我国应 用t 字墩消力池。湖南三江口水电站溢流坝( 坝高3 1 m ，最大泄流3 2 0 0 0 m 3 s ) 消能 选择，应用t 字墩消力池后，使池长由底池的5 0 m ，缩短到1 5 m 。目前国内采用t 字 墩消力池的低水头电站工程见表1 1 u 7 1 8 1 。 正是由于t 字墩+ 消力池的结构型式应用较多，所以有不少研究人员对于具体 工程问题在这方面作出过专门的研究。花立峰n 们通过对消力墩一t 字墩一消能搪联合 消能的试验研究，得出了消力墩一t 字墩一消能搪方案既能满足施工期间大泄量、低 佛汝德数的泄洪消能的要求，又满足了枢纽工程竣工后泄洪期间的高速水流的消 能防冲问题。秦峥口3 通过对辅助消能工及其在低佛汝德数水跃消能中的应用，得出 辅助消能工只有与传统的底流式消力池合理搭配、联合作用才能最大限度的发挥 消能效率。陈俊英n 1 通过对t 字墩应用于低佛汝德数水流的研究，通过试验得出在 海漫段设置t 字墩对低佛氏数的泄水建筑物有较好的消能作用。王忠诚畸1 通过对t 字墩消力池的水力学系列模型试验，揭示了t 字墩消力池的流态特性、消能机理、 体形优化选择以及水力设计参数方法及程序，并给出了t 字墩池界限水深的数学表 达式及解。刘沛清阐述了消力墩的作用与设计方法。游文荪心通过水工模型试 第一章绪论 9 验验证了t 字墩作为辅助消能工的作用，不但缩短了消力池的长度，而且得到了较 好的水流形态，减少了对下游的冲刷。江锋口2 1 等结合青海雪龙滩电站消能试验， 对t 字墩消力池的结构尺寸、水流流态、压力分布及其消能效果作了研究，并给出 了t 字墩消力池消能率计算公式及结构尺寸选择方法。高树华矧经过对5 种大藤水 电站枢纽布置方案的泄洪和消能形式进行大量的试验研究，得出采用t 字消力墩消 能方案为最优方案。 但是，在以前的研究中，针对具体工程较多，人们直接应用t 字墩+ 消力池， 直观上认为其是最好的结构型式。而很少有人对t 字墩和其它不同墩形构成的消 力池在相同试验工况下对其水流形态和消能效果进行比较研究，也就是不清楚到 底该种结构比其它的消能结构好多少，是否是其他型式会更好，总的来说就是不 具备普遍意义的研究。 实际上，t 字墩+ 消力池的结构型式还跟t 字墩在消力池的摆放位置有关，可 能因为摆放位置的不同，消能结构的尺寸则可以减小，从而大大降低工程造价。 然而，从以前的研究来看，人们很少有在此方面进行过专门的比较。 表1 1t 字墩消力池的工程 坝高平底池t 字墩缩短池建成 n o名称 ( m )所在地长( m )池( m )长( )年份备注 1 河溪 4 2 湖南吉首 6 02 06 6 71 9 8 4拱坝 2三江口3 1 湖南石门 5 01 57 01 9 8 8 3 遥田 1 9 湖南耒阳 3 31 55 4 51 9 8 8 4 青山付坝 1 3 2湖南临澧护坦2 01 9 9 1加固 5 水酿塘 2 6 4 湖南靖州6 02 0 6 6 7 1 9 9 2 6 南津渡 2 4 3 湖南永州 4 02 05 01 9 9 2 7 朗江 2 5 湖南会同 5 02 25 61 9 9 3 8桃山1 9 5黑龙江3 53 51 9 9 0稳定水流 9 栓驴泉 1 0 山西沁河 2 11 4 3 0 已建 1 0沙河子 吉林 2 51 44 41 9 8 9 1 l 五道吉林 5 2 53 04 31 9 9 2 1 3 研究目的与意义 大力发展小水电的战略，不仅降低了农村以及城市供电紧张的局面，而且可 以防汛抗旱等多重作用，对整个地区的社会经济发展将产生巨大影响。由于，小 水电的建设基本选在上游山区的小河流上游，且大多采用了低水头电站的型式。 山区河流山洪爆发迅速，洪峰流量大，给低水头电站的安全运行带来不小的考验， 电站下游的泄洪防冲任务较重。因而，这些低水头电站坝下消能结构型式以及消 第一章绪论1 0 能效果成为电站设计、建设人员最为关心的问题，若消能工程不完善，将给低水 头电站的建设带来灾难性的打击，给人民的生命财产带来巨大的损失。解决好低 水头水电站的消能防冲问题，确保小水电的安全正常运行，提高消能效果，降低 工程造价的任务任重道远，需要大批水利工作者做出多方面的科研工作。 本文针对目前的重庆市小河流上游多数低水头电站的具体情况，通过概化模 型试验研究低水头电站的消能结构型式和消能效果，并提出最优的结构型式，为 工程设计和建设人员提供基本的依据，具有重要的理论与实际意义。 1 4 主要研究内容 本文主要针对目前小水电建设中的低水头电站坝下的消能结构型式进行试验 研究，主要内容包括两大部分，一是通过低水头电站的概化模型试验，研究低水 头电站的最佳消能结构型式；二是实际工程应用部分，在概化模型结论的基础上， 通过整体物理模型研究重庆市郁江上游羊头铺低水头电站的消能结构型式，下面 分别叙述。 一、基础性研究部分低水头电站的概化模型试验研究( 2 - - 3 章) ： ( 1 ) 通过对多个低水头电站的资料分析，建立低水头电站的概化模型； ( 2 ) 在概化模型内进行低水头电站的消能结构型式的试验，对目前低水头电 站建设中常用的几种结构型式的消力墩进行消能研究，比较了t 字墩+ 消力池、梯 形墩+ 消力池和顶角6 0 度的t 字墩+ 消力池三种复式消能结构流速分布、水流形态、 消能效果； ( 3 ) 选定其中消能效果较好的墩形作为推荐方案，比较所推荐的消力墩位于 池首、池中、池尾三个不同的消能位置时的流速分布和消能效果； 二、实际应用研究部分郁江上游羊头铺低水头电站消能结构试验研究 ( 4 - - , 5 章) ： ( 1 ) 根据设计资料，建立羊头铺电站1 ：8 0 的整体水工模型； ( 2 ) 在第一部分研究的基础上，通过对羊头铺低水头电站具体资料的分析， 初步选定适合的消能结构型式； ( 3 ) 通过模型试验研究选定型式的消能效果，并对概化模型试验的结论进行 验证： ( 4 ) 通过一系列的试验优化所选结构型式，提出在不同流量下的闸门开启位 置、孔数和开启度的优化调度方案，使消能结构不仅在结构上最优，还在本工程 运行中达到最高效的方式。 第一章绪论1 1 1 5 本文的研究路线 本文低水头电站的消能结构型式的研究拟通过理论分析结合模型试验的手段 进行，主要研究路线如下图所示。 根据社会需求提 出研究对象：低 水头电站的消能 结构型式 收集资料，分 析研究对象的 现状与存在问 题提出研究内 容和方法 本文研究 内容：( 1 ) 低水头电 站的消能 结构型式； ( 2 ) 羊头 铺电站的 消能结构 研究方法： ( 1 ) 理论 分析；( 2 ) 物理模型 试验 基础性研究： 低水头电站的 消能结构型式 建立具有 普遍意义 的低水头 电站概化 模型 概化模型 研究不同 消能结构 型式的消 能效果 工程应用研 究：羊头铺电 站消能结构型 式的研究 建立1 ：8 0 的羊头铺 整体电站 模型 水工模型 试验研究 羊头铺电 站的最佳 消能方式 第二章低水头电站概化模型设计 第二章低水头电站概化模型设计 对目前多个低水头电站的资料进行对比发现，小水电的建设基本选在上游山 区的小河流上游。这些山区河流的平时水流不大，水库面积较小，大多采用了低 水头河床式电站的型式。由于建坝拦水，洪水期通过建筑物的闸孔的泄水宽度比 原河床小，单宽流量加大，水头增加，形成高速水流下泄，泄水建筑物下泄的水 流流速很高，水流具有动能大而又集中的特点，易于在建筑物下游产生破坏式的 冲刷。为了防止下泄集中水流的破坏，通常在下游设置消力池，并辅以各种型式 的消力墩配合减弱水流下泄的能量，以起到保护下游河岸、河床以及建筑物不被 冲刷的作用。 为了对低水头电站的消能结构型式进行系统性的研究对比，制作低水头电站 的概化水槽模型进行系列的研究很有必要。 2 1 概化模型设计 低水头电站的概化模型布置在1 6 m 宽矩形水槽内，水槽全长1 5 m ，其中坝前 水库长5 m ，坝后长度约为l o m ，底部以及边壁采用水泥砂浆抹面。为保证坝前水 流平缓，水槽的前池采用了较长引水段。模型水位由测针固定量测，流速由直度 式旋浆流速仪施测，进口流量采用流量自控系统控制，控制精度0 5 l s ，尾水 采用自由出流的方式。 低水头电站主要是在泄洪闸开启集中泄洪时坝下受到较大冲刷，对坝下河道 以及建筑物的破坏较大，消能结构主要作用也是为了减弱集中泄流时洪水的的下 泄动能。根据多数低水头电站的实际情况分析，消力池+ 消能墩型式的消能结构具 有较为广泛的应用和较好的效果，因而本文概化模型仍然主要研究该种型式的结 构。所以概化模型需要反映的建筑物主要是大坝、闸孔、消能结构( 消力池+ 消能 墩) 以及保护河道的海漫。 根据多数电站的实际水流条件以及电站结构的尺寸，模型中坝高采用0 6 m ， 最大蓄水高度o 5 m ，闸孔宽度为0 4 m ，- - ：l 出流。从闸门底板以l ：4 的坡度修 建护坦至消力池池前，护坦后接消力池。消力池顺水流方向长0 8 3 m ，宽1 5 6 m ，在 消力池池尾设置尾坎，尾坎的高度即消力池的深度0 1 m 。消力池内布置7 个消力 墩，墩间净距0 1 m 。试验过程中，只需变换消力墩的结构型式和位置( 池首、池 中、池尾) ，在墩的个数及墩间距不变的情况下进行不同水流条件下的，消能试 验，以研究对比不同消能结构型式的消能效果。 第二章低水头电站概化模型设计 1 3 概化模型平面及纵断面布置分别见图5 1 、5 2 。 u j 、) 7 1 0 8 3 n 一 一1 7 3 盯一 左边墙 14 消力池= 一 ； = n l n 鎏 1 0 + 4 ，裂答厘 t 消； 能广 墩厂 右边墙 水流方 ，l 模型平面布置图( 消力墩位于消力池尾) ( b ) 模型平面布置图 u 匕r 4 - - _ 消力池 一，】，j 海漫 _ 一i 二三：山一一 。二芝 ! 一一 _ 概化模型剖面图 图2 1 低水头电站概化模型布置图 同纠门h叫醐_ 第二章低水头电站概化模型设计1 4 2 2 消能结构型式的选择 在过去所修建的低水头电站中，使用t 字墩+ 消力池的消能型式使用较为普遍， 多数工程人员也对其效果作了一致的肯定。所以，t 字墩+ 消力池的消能型式在低 水头电站的建设中具有较大的优势，搞清楚t 字墩+ 消力池的不同布置方式之间以 及与其他结构型式间的消能效果和水流形态的差别具有普遍的实用意义。 但是，在以前的研究中，针对具体工程较多，人们直接应用t 字墩+ 消力池， 直观上认为其是最好的结构型式。而很少有人对t 字墩和