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文档简介

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济建设和水利事业的迅速发展,泄洪建筑物的水力设计和消能防冲问题 的研究成了工程中的关键性技术问题。 本文对泄洪闸下消能的应用和发展进行了回顾,针对底流消能的局限性,结合实际 工程提出了加糙消力池的概念。在总结前人研究工作的基础上通过理论分析和模型试验 对加糙消力池的水力特性进行了较为系统的研究,包括结构布置、水流流态、泄流能力、 压强特性、冲坑范围及深度等方面。主要的研究内容及成果如下: 1 介绍了泄洪闸四种体型结构布置形式,通过模型试验研究了四种体型的泄流能力 及水流流态。通过比较可知,加糙后水流平稳,降低跃后水深和尾坎高程,且不增加消 力池长度。 2 研究了泄洪闸四种体型的水力特性。通过比较知,加糙后下游流速分布均匀,加 糙衰减了脉动压强,冲刷后下游基本没有冲坑,消能效果好。 3 提出了加糙消力池及相应的设计方法;给出了c 0 水面曲线长度的精确解和加糙河 床上水跃共轭水深比的显示解;测定了一种简单加糙体型的等效曼宁糙率系数和等效阻 力系数;给出了一个高佛氏数传统消力池与加糙消力池池长对比的算例。 4 进行了不同加糙体的试验研究。结合实际工程进行试验研究,所得各项指标良好, 说明加糙方法适宜于实际工程,且工程量不大。 关键词:泄洪闸;加糙消力池;水力特性;设计方法 加糙消力池水力特性研究 s t u d yo nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f a r t i f i c a lr o u g h n e s sb e d s t i l l i n g b a s i n a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fo u rn a t i o n a le c o n o m ya n dt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fw a t e r c o n s e r v a n c y ,t h er e s e a r c ho nh y d r o d y n a m i cd e s i g na n de n e r g yd i s s i p a t i o no ft h ed i s c h a r g e d b u i l d i n gh a sb e e nc r u c i a lp r o b l e m t h ea r t i c l el o o k sb a c kt h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o n a b o u ts l u i c e ,b e c a u s eo ft h ed e f e c to fe n e r g yd i s s i p a t i o nb yh y d r a u l i c sj u m p ,a r t i f i c a lr o u g h n e s s b e ds t i l l i n gb a s i nw a sp r e s e n t e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef o r m e rw o r k ,s y s t e m i cr e s e a r c h o nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fa r t i f i c i a lr o u g h e n s sb e ds t i l l i n gb a s i na r ec a r r i e do u tb ym e t h o d o fa c a d e m i ca n a l y s i sa n dm o d e lt e s t s i ti n c l u d e ss t r u c t u r a ld e s i g n ,f l o wp a t t e r n s ,d i s c h a r g e d c a p a b i l i t y ,d i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ea n ds c o u ra r e a t h ep r i n c i p a lc o n t e n ta n da c h i e v e m e n ta r e c o n c l u d e da sf o l l o w e d : 1 b a s e do nt h em o d e lt e s t so ff o u rs c h e m e s ,t h ef l o wp a t t e r n sa n dd i s c h a r g e dc a p a b i l i t y h a v eb e e nk n o w n a f t e ra r t i f i c a lr o u g h n e s sa r eu s e d ,t h el e n g t hb e h i n dh y d r a u l i cj u m p ,s t i l l i n g b a s i na n dt h er i d g e se l e v a t i o na l er e d u c e d 2 h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o u rs c h e m e sa r ec o m p a r e db ym o d e lt e s t s t h e v e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi s s oh o m o g e n e o u s ,f l u c t u a t i n gp r e s s u r ei sl e s s e n e d ,l a n d f o r mi sa su s u a l a f t e rt h ea r t i f i c a lr o u g h n e s sa r eb u i l t ,t h a tt h ee n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c ti sb e t t e r 3 a r t i f i c a lr o u g h n e s sb e ds t i l l i n gb a s i na r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef o r m u l a ef o rt h e l e n g t ho ft h ef l o wp r o f i l ef r o mt h ec o n t r a c t i o ns e c t i o nt ot h eh y d r a u l i cj u m pa n dt h es e q u e n t d e p t hr a t i of o rt h eh y d r a u l i cj u m pi nt h ec h a n n e l 、) ,i t ha r t i f i c a lr o u g h e n s sb e d a r ed e d u c e d t h e m a n i n gr o u g h n e s sc o e f f i c i e n ta n dt h ed r a gc o e f f i c i e n to fas i m p l et y p eo ft h ea r t i f i c a l r o u g h n e s sb e da r em e a s u r e d a ne x a m p l eo fah i g hf r o u d en u m b e rs t i l l i n gb a s i ni st a k e nt o i l l u s t r a t et h ed e s i g nm e t h o df o rt h es t i l l i n gb a s i nw ,i t ha r t i f i c a lr o u g h n e s sb e d 4 s t u d yo nd i f f e r e n ta r t i f i c a lr o u g h n e s st e s t a r t i f i c a lr o u g h n e s sb e ds t i l l i n gb a s i ni su s e d i nt h ea c t u a lp r o j e c t , t h ei n d e x e sa r ew e l lf r o mo b s e r v e t h em e a s u r ei ss u g g e s t e dt ou s e k e yw o r d s :s p i l l w a ys l u i c e ;a r t i f i c a lr o u g h n e s sb e ds t i l l i n gb a s i n ;h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s ;d e s i g nm e t h o d i i 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名: 净纽眺一 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名:么k 硇 导师签名: 捌年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1闸坝枢纽概述 我国幅员辽阔,河流众多。据统计,全国大小河流总长度约有4 2 万k m ,流 域面积在1 0 0 0 k m 2 以上的河流有1 6 0 0 多条,大小湖泊2 0 0 0 多个,年平均径流总 量2 8 万亿m 3 , 居世界第六位,水力资源的蕴藏量达6 8 亿k w ,其中可开发利用 的约为3 8 亿k w ,是世界上水力资源最丰富的国家之一【l 】。 在河流中下游兴建水利工程时,因其地势大多比较平缓,故多为低水头电站, 这类电站库前集雨面积大,但库容很小,几乎无任何调洪能力,形成了泄洪流量 变化大、上下游水位差变幅大和泄流时间长的特点。因此,这类工程的泄洪消能 问题不同于高中坝的高速水流问题。一般说来,水闸较能适应这种要求,在低水 头水利工程中采用较普遍,它具有泄洪流量大、洪水淹没损失小、下泄水流流态 较稳定及便于排除库区淤沙等特点 2 1 。 水闸是防洪保安、水资源调控、蓄水灌溉的重要公共基础设施,具有很强的 公益性,社会效益巨大。目前我国现有水闸5 0 0 0 0 余座,其中大型水闸4 8 6 座, 中型水闸3 2 7 8 座,小型水闸4 6 万座,数量之多为世界之冠p j 。 通常中低水头闸坝工程可分为:水闸、堰、溢洪坝、溢洪道( 闸) 等。其中水 闸一般情况下多用于丘陵和平原地区,在山区河流中目前也较为常见,具有挡水 和泄水的双重作用,按其所承担的任务可分为节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、 挡潮闸、冲沙闸六种一制。 大多数水闸建在土基上,一般有以下几个特点: ( 1 ) 软土地基的压缩性大,承载能力低,细砂容易液化,抗冲能力差。在闸 室自重及外荷作用下,地基可能产生较大的沉降或沉降差,造成闸室倾斜,止水 破坏,闸底板断裂,甚至发生塑性破坏,引起水闸失事。 , ( 2 ) 水闸泄流时,尽管流速不高,但水流仍具有一定的剩余能量,而土基的 抗冲能力较低,可能引起水闸下游的冲刷。此外,水闸下游常出现的波状水跃和 折冲水流,将会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。同时,由于闸下游水位变幅大, 闸下出流可能形成远驱水跃、临界水跃直至淹没度较大的水跃。因此,消能防冲 设施要在各种运用情况时都能满足设计要求。 ( 3 ) 土基在渗透水流作用下,容易产生渗透变形,特别是粉、细砂地基,在 闸后易出现翻砂冒水,严重时闸基和两岸会被淘空,引起水闸沉降、倾斜、断裂 甚至倒塌。 加糙消力池水力特性研究 虽然到目前为止,国内外对中低水头闸坝枢纽的研究已比较成熟,但由于闸 坝本身的复杂性,其下游消能防冲措施的设计研究问题仍有待进一步的研究和探 索。因此对该问题进行探讨具有实际意义。 1 2 泄洪消能概述 1 2 1泄洪消能 在水工建筑物的设计和运用中,要解决的主要问题是消能防冲。据实际调查 了解,在相同落差、流量条件下,如果消力池设计合理,其消能防冲效果就好1 7 j 。 消能是手段,防冲是目的。消能是指通过一定的工程措施来“消除”下泄水流的 余能;防冲是确保下游河床、岸坡及建筑物避免遭受冲刷破坏。其目的都是为了 满足在宣泄设计洪水时,能够保护工程的安全。所谓消能即水流在运动过程中因 克服各种阻力做功,消耗了一部分机械能量,如动能或势能,使之转换成热能。 机械能转化成热能后,通常将难以再被利用,也就是消耗掉了。消能的多少取决 于水流机械能做功的情况。对具有粘滞性的水流而言,在无边界分离的流动情况 下,做功的主要形式表现为水流相互作用由切应力形成的摩擦阻力和维持紊动水 流中的漩涡运动;在有边界分离流动的情况下,做功的形式就更复杂多样,如由 法向应力形成的压强阻力,非恒定流动时的惯性力,惯性分离时发生的冲击或碰 撞等。因此,凡是能产生水流与边界剧烈摩擦和冲击或碰撞的水力现象都具有程 度不同的消能效果。当摩擦与冲击发生于边界上,并超过边界抗冲摩擦能力时, 必然会造成边界上不同程度的磨损、冲刷等破坏,因此,消能防冲的核心问题是 研究局部水力现象中的水流运动规律、水流特性及消能的机理悸j 。 在上下游落差的作用下,泄水建筑物下泄的水流具有比原先大得多的流速, 加以泄水建筑物的溢流宽度总是比原有的河床宽度小,使泄出的流量相对集中, 因而往往都具有很大的单宽能量,极易引起下游冲刷,造成下游恶劣的流态,甚 至危及大坝的安全。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,例如:西班牙的里拜约坝最大冲坑深度达7 0 多米,冲走岩 石的总体积达1 0 0 万m 3 ;美国的威尔逊溢流坝冲走的最大岩块重达2 0 0 余吨; 我国广西西津工程自1 9 6 1 年开始溢流,到1 9 6 4 年就发现河床翻起许多大石块, 体积最大者达8 0 m 3 ,且移动了16 米,鼻坎下坝址基岩处有淘空现象,淘空部位 达2 8 处之多,严重危及工程的安全运行【9 j 。还有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,委内瑞拉的古 里水电站溢洪道消力戽的空蚀破坏,四川的龚咀水电站面流消能工下游破坏,位 大连理工大学硕士学位论文 于中国湖南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等等。 针对实际工程资料和粗略统计,泄洪消能造价约占工程总造价的4 0 一 5 0 ,而消能防冲设施的费用在泄水建筑物中又占了4 0 - - 5 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。合理 地选择泄水建筑物的型式及消能设施,是关系到整个水利水电工程安全与经济的 重要问题【删。 1 2 2 泄洪消能方式 根据下泄水流与尾水、河床的相对位置,主要的衔接与消能方式有下面四种 【l l ,1 2 o 底流消能是一种古老的消能方式。我们知道水跃的跃前断面是急流,跃后断 面是缓流,并且它又是很好的消能器。我们就利用水跃的这一特点,实现水工建 筑物下的急流向缓流的过渡,并消除多余的动能。一般是在紧接泄水建筑物的下 游修建消力池,人为的增加下游水深,使水跃在消力池中发生,缩短急流段的长 度,并消除多余的动能。由于这种衔接方式的主流在底部,故称为底流衔接与消 能。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用,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原苏 联叶尼塞河上的萨扬舒申斯克水电站以及我国采用底流消能工的最大工程五强 溪水电站,丹东太平湾电厂、盐锅峡、蒲圻工程等。 图1 1 底流消能示意图 f i g 1 1 s k e t c ho fe n e r g yd i s s i p a t i o nb yh y d r a u l i c sj u m p 当下游河道中的水深较大且较稳定时,用低于下游水位并有适当高度和小挑 角的跌坎,将下泄的高速急流导入尾水的表面,并因受尾水的顶托而扩散。这时 在跌坎后形成巨大的底部漩滚,它既将主流与河床隔开,以免主流冲刷河床,又 加糙消力池水力特性研究 可以消除水流中的多余动能。由于衔接段的高速主流在下游水流的表面,故称为 面流衔接与消能。采用面流消能对于下游岩石河床可以不进行保护,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 游的水面波动对岩坡、电站、航运等的影响不可忽视。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。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、垄咀、大化等。 主流 图1 2 面流消能不恿图 f i g 1 2 s k e t c ho f e n e r g yd i s s i p a t i o no fs u r f a c er e g i m e 戽流消能是借助于低于下游水位的戽斗将下泄的急流挑射到下游水面列成 涌浪,在涌浪上游的戽斗内形成旋滚,在涌浪下游形成表面旋滚,在主流之下形 成底部旋滚,即所谓形成一浪三滚。它兼有底流型和面流型的水流特点和消能作 用,故称为戽流型衔接与消能。从构造上同面流跌坎相比,戽斗的跌坎低,倾角 大,反弧段f h j 率半径小。消能效果比面流好,流态较面流容易控制,其缺点是下 游水面波动较大。戽流的能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 两岸抗冲能力较强的情况。对于有排漂要求的泄水建筑物不宜采用,同时设计 时还应考虑泄洪涌浪波动对电站尾水和通航建筑物的影响等。最早使用戽流消能 大连理工大学硕士学位论文 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 克拉克坝、布格斯库坦、中心山坝等,日本的城山、佐久间、五十里坝,委内瑞 拉古里坝。我国首次采用戽流消能工的是石泉电站。 涌浪 表面漩涡 届部援涡 图1 3 戽流消能示意图 f i g 1 3 s k e t c ho fb u c k e t - t y p ee n e r g yd i s s i p a t i o n 挑流消能是在泄水建筑物的下游端修建一挑流鼻坎,利用下泄水流的巨大动 能,将水流挑入空中,然后降落在远离建筑物的下游消能。挑入空中的水舌,由 于失去固体边界的约束,在紊动及空气阻力的作用下,发生掺气、碎裂,失去一 部分动能。其余大部分动能则在水舌落入下游后被消除。因为水舌落入下游时, 与下游水体发生碰撞,水舌继续扩散,流速逐渐减小,并在入水点附近形成两个 巨大的旋滚,主流与旋滚之间发生强烈的动量交换和剪切作用,消散大量的能量。 潜入河底的主流则冲刷河床而形成冲刷坑。由于挑流消能方式无需在下游设置护 坦,具有节省工程量和工程费用,工程布置和施工都比较方便,挑坎磨损小,检 修方便,鼻坎不受尾水深变幅影响,对挑流坎上单宽流量的适应性强等优点,在 国内外众多高坝泄水建筑物中,挑流消能方式的应用最为广泛,技术上也有不断 取得新的进展。另方面,泄洪时下游冲击流速较大,导致下游河床局部冲刷严 重,并对岸坡、导墙也有回流淘刷和冲刷作用,在峡谷河道中,挑流水舌的归槽 和高陡岸坡的稳定问题较为突出;同时,挑射水舌入水激溅以及在空中运动过程 中的裂散和掺气造成雾化,影响狭窄河道两岸交通,以及电厂和船闸的工作条件; 水舌跌落引起下游水面波动和冲坑堆渣对发电、通航产生影响。挑流消能于1 9 3 3 年首次应用于西班牙的r i c o b a y o 重力拱坝的溢洪道出e l ,并于1 9 3 6 年应用于法 国m a r e g e s 拱坝的滑雪式溢洪道上。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。 加糙消力池水力特性研究 图1 4 挑流消能示意图 f i g 1 4 s k e t c ho fs k i - j u m pe n e r g yd i s s i p a t i o n 1 2 3 新型消能工发展 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,消能防冲问 题在指导思想上有了突破和飞跃,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,又有效地提高了空中消能效果,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; 通过对低佛劳德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 增加了消能效果也避免了空蚀引起的墩、坎破坏问题;压力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,使原来仅用试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 1 3 - 1 6 o 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、宽尾墩消能、掺气分流墩消能、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等等【l 7 。 阶梯溢流消能工是一种新型的坝面消能工。阶梯溢流坝一般是结合碾压混凝 土施工工艺,将传统的光滑溢流坝面做成具有阶梯状的溢流面,利用这些台阶可 以消散坝面水流的部分能量,从而降低坝址处的水流流速和动能,减小消力池的 体积,简化下游消能设施。单宽流量小是阶梯坝面消能的一个制约因素。由于阶 梯坝面的体型特点,改变了原光滑坝面的水流流态,往往让人担心是否会了生空 蚀破坏。据有关文献研究,阶梯的局部消能负荷很小,断面平均流速也较低,发 大连理工大学硕士学位论文 生空蚀破坏的可能性不大;相反,由于阶梯面水流相当破碎,且充分掺气,反而 可以避免空蚀。目前国内外已建成的阶梯溢流坝有3 0 多座,效果良好【墙】。 t 型墩是由垂直于水流的前墩、连接前墩与尾坎的支腿及尾坎等部分组成。 t 型墩消能塘是一种加设辅助消能工的冲击式消能塘。这种消能塘源于印度的巴 哈凡尼坝。1 9 5 1 年第4 届国际大坝会议上介绍了这一成果,引起了世人的重视。 2 0 世纪7 0 年代后期我国许多专家、学者对此进行了卓有成效的研究与推广应用。 t 型墩结构尺寸的选定,一般需通过模型试验来确定,以不同的墩型系数k 值来 放大或缩小t 型墩结构尺寸,随着墩高的增大,塘内水体及堰顶涌浪亦随之增大, 塘内水体越大,消能效果越佳。其尾坎的基本形式有:垂直尾坎、差动式尾坎及 反坡式尾坎等,由于尾坎高低不同,增加了水流的紊动、掺混消能效果。实践证 明,t 型墩消能塘比常规平底消能塘一般可缩短塘长6 0 1 1 9 1 。 内消能工一般用在泄水建筑物为泄洪洞的工程中,常见的内消能工主要有三 种形式:竖井式、孔板式和洞塞式。该消能方式利用在泄水建筑物内部设置一些 特殊的设施,在保证泄水建筑物安全的前提下,使下泄水流的大部分能量在建筑 物内部消耗,致使水流落入下游河道时,能量较小,对下游不产生危害。近年来, 内消能工方式受到工程界的高度重视,已进行了大量研究工作,并已在沙牌、小 浪底、溪洛渡等工程中应用【2 0 】。 1 3 加糙消力池的提出 针对底流消能消力池需要维护,造价高的局限性,提出了一种新的消力池一 加糙消力池。建筑物经过加糙可以对水流进行二次消能,施工方便,也减少了人 为对砼护坡及护底的破坏。 国内外河工模型加糙方法有如下4 种1 2 l j : ( 1 ) 最常用的是底面点块形,布置形式有梅花形、方形、矩形和密排等等,块体 有石块、方块和圆块等等。 ( 2 ) 竖向条杆形,用圆杆、竹片、金属丝和金属片等插于河床上,条杆露出水面, 可获得较大的糙率。国外潮汐河口模型多采用此种加糙形式,适于模拟盐水的震 动形态。 ( 3 ) 底面条带形,即在河床上横贯整个断面敷设剖面为方形或其他形状的阻水 物。 ( 4 ) 水中加糙,是在断面中离底一定高度横拉铅丝或其他类似的阻水物等等。 因此我们在消力池内加设糙体,欲知其实用价值,应用前景如何,很有必要 进行系统的研究。加糙消力池怎样设计才合理,与不加糙消力池相比其泄流能力、 水流流态、流速分布等水力特性是否优良,脉动压强、对下游冲刷是否理想,都 加糙消力池水力特性研究 还需要进一步了解。 1 4 本文的研究内容 1 介绍泄洪闸下四种方案的结构布置,通过模型试验比较了四种方案的泄流 能力、水流流态。 2 通过模型试验比较了四种方案的水力特性,包括流速分布、脉动压强、对 下游冲刷。 3 提出了加糙消力池的加糙思想,设计方法。 4 推导了g 水面曲线长度的精确解和加糙河床上水跃共轭水深比的显示 解。 5 测定了一种简单加糙体型的等效曼宁糙率系数和等效阻力系数。 6 加糙消力池与传统消力池的池长进行了对比。 7 通过模型试验,对实际工程中加糙情况的各项指标进行测定。 1 5 本章小结 本章先对闸坝枢纽作了简介,对泄洪消能问题韵概念进行了介绍,对泄洪消 能的方式及新型消能工的发展进行了回顾及展望,提出了加糙消力池的设计思 想,最后在总结已有成果的基础上提出了本文所要研究的内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 消力池内水流流态 本论文依托于实际工程项目,因此先对工程概况做以介绍: 2 1工程概况 三湾水利枢纽工程水库总库容1 2 9 亿m 3 ,兴利库容0 3 5 亿m 3 ,规模为大( 2 ) 型,工程级别为i i 等。 枢纽主要建筑物沿坝轴线按直线型布置,坝总长5 4 5 3 7 m ,左岸挡水坝段, 坝长6 0 0 m ;电站坝段,位于主河槽处,为河床式电站,坝段宽3 6 3 7 m ,厂房布 置在坝后;鱼道坝段,为导墙式鱼道,坝长1 3 5 0 m ;泄洪闸位于主河床上,共 布置1 7 孔,单孔净宽1 4 0 m ,溢流总净宽为2 3 8 0 m ,总宽度为2 9 2 o m ;城市供 水引水坝段,设置两个城市供水引水口,坝长1 6 0 m ,取水泵站设在右岸坝下; 右岸挡水坝段,总长为1 2 7 5 m ;挡水坝段右侧的山坡内设置2 2 0 m 长的混凝土 刺墙;升压站设在电站副厂房下游的平台上;下游两岸各设一条上坝公路,公路 延伸至下游爱河大桥;管理局布置在右岸下游的山坡上。 输水管线设计规模6 7 5 6 万t d 。输水管线选择沿江线、外环线和山上线三条, 从管线长度、占地和动迁及安全性方面进行综合比较,选择山上线,管线总长度 3 8 9 5 0 m ,管道长5 6 6 0 5 m 。 水库枢纽工程主要建筑物:挡水坝段、取水坝段、泄洪闸、电站厂房的上游 挡水部分、取水泵站为2 级建筑物,电站厂房的非挡水部分为3 级建筑物;次要 建筑物:消能防冲建筑物、导流墙、拦砂坎、副厂房、变电站等为3 级建筑物。 临时性水工建筑物为4 级建筑物。 表2 1 水库特征水位表 t a b 2 1c h a r a c t e r i s t i c so fs m r a g ec a p a c i t y 加糙消力池水力特性研究 图2 1 三湾水利枢纽平面布置图 f i g 2 1 p l a i na r r a n g e m e n tp l a no fs a n w a nh y d r a u l i cc o m p l e x 图2 2 三湾水利枢纽泄水闸横剖面图 f i g 2 2 h o r i z o n t a lp r o f i l ec h a r to fs a n w a nh y d r a u l i cc o m p l e x 2 2 模型试验概述 2 2 1 相似准则与模型比尺 三湾水利枢纽工程单体水工模型试验中模型设计遵循重力相似准则,采用正 态模型。为了较好地模拟水流的流态,同时考虑实验室的具体条件,确定单体水 工模型试验的长度比尺为丑= 3 0 ,整体水工模型试验的长度比尺为丑= 7 0 。其 它各物理量的相似比尺见表2 2 和2 3 。 表2 2 重力相似条件下的物理量比尺 t a b 2 2s c a l eo f t h e p h y s i c a lv e c t o r su n d e rt h eg r a v i t a t i o n a ls i m i l i t u d e 大连理工大学硕士学位论文 表2 3 整体水工模型重力相似条件下的物理量比尺 t a b 2 3s c a l eo f t h ep h y s i c a lv e 眈o r su n d e rt h eg r a v i t a t i o n a ls i m i l i t u d ei nw h o l em o d e lt e s t 2 2 2 模型材料、制造与安装 为使模型试验能够真正反映原型的水流情况,因此在选择模型材料时必须近 似顾及模型材料的糙率要求。虽不必使模型材料的糙率严格满足相似要求,但也 不能差异过大,否则会影响试验结果的精度。根据重力相似要求,有 九:生:a i ( 2 1 ) n m 原型泄水建筑物的糙率,z p = 0 0 1 4 ,下游河道的糙率刀p = 0 0 3 3 模型泄水建筑物的糙率应为:鲁:t 0 0 1 4 :0 0 0 7 5 ,下游河道的糙率 雒 4 0 6 为:卑:t 0 0 3 3 :0 0 1 7 8 碰 4 0 6 有机玻璃材料的糙率一般为0 0 0 6 0 0 0 8 ,所以模型中泄水建筑物材料选用 的是有机玻璃,常规混凝土的糙率为0 0 1 4 ,下游河道材料选用的是混凝土抹面 并用细微砂砾加糙。 模型安装要求:平面导线布置,视模型形状和范围而定,导线方位用经纬仪 控制,允许偏差为0 1 。;模型高程用水准仪控制,需满足精度控制要求。 模型精度控制要求:建筑物模型高程允许误差为0 3 r a m :地形高程允许差 为2 m m ,平面距离允许误差为l o m m :水准基点和测针零点允许误差为0 3 m m 。 2 2 3 试验测试手段 水工模型试验供水系统设施,包括蓄水池、动力泵、平水塔、配水管和回水 槽等。 加糙消力池水力特性研究 水位与水面线量测仪器:采用水位测针及水位跟踪仪,用丁测定恒定流水 位;压力( 压强) 量测仪器:采用中国水科院研制d j 8 0 0 多功能监测系统及压力 传感器,用于测定恒定流时均压力; 流速量测仪器:采用挪威进口小威龙测速仪及南京水科院研制便携式流速 仪测量; 流量量测仪器:采用矩形量水堰,用于测定恒定流流量,量水堰堰型满足 量程和精度要求。 矩形量水堰的流量计算公式为: q = m b x 2 9 h 。5 ( 22 ) 式中口为量水堰宽度,为堰上水头,m 为流量系数。 叫叭半- o 警,ll+055(寿肾bi h 晓, 日 鼠 + , 四。 式中b n 为引水渠宽,p 为堰碗高程与上游堰底高程之筹。 圈23i f , 力传感器测得脉动压力图24 挪威进口小威龙测速仪 f i 9 23 p u l s ep r e s s u r e m e a s u r e db yp r e s s u r es e n s o r f i g24v e c t f i n o f l o w m e t e r f r o m h o l a n d 23 结构布置与体型比较 为了便于研究泄洪闸水力特性,分别进行了4 种体型的水工模型试验,这四 种模型的体型特征列于f 表。 大连理工大学硕士学位论文 表中总长是从堰进口到消力池尾坎坎址的总长度。 ,渺 4 0 0 0 口9 0 0 噶 v 。口5 图2 5 体型一布置图 f i 9 2 5l a y o u to ft h ef i r s tp r o j e c t 图2 6 体型二布置图 f i g 2 6l a y o u to ft h es e c o n dp r o j e c t 一1 3 加糙消力池水力特性研究 图2 7 体型三布置图 f i g 2 7l a y o u to f t h et h i r dp r o j e c t 。l 一 矽、 。i 她5 0 口1 0 卯 、 y 、 y x 7 5 加7 图2 8 体型四布置图 f i g 2 8l a y o u to ft h ef o u r t hp r o j e c t 2 4 不同体型的泄流能力 泄流能力是用堰流或孔流的基本公式乘一个实验性的修正系数计算的,所以 需要根据闸坝泄流的边界条件寻求一个适用的流量系数,以便运用控制闸门开度 满足宣泄的流量;同时在消能冲刷计算中也必须知道宣泄的流量。虽然泄流能力 的计算比较成熟,容易从模型试验得出规律的结果,但由于缩尺影响,以及考虑 侧岸及闸墩处水流收缩和行近流速的不确定,实际流量往往大于试验值,而且密 切与出流淹没度这一不易准确计算的流态有关,所以仍存在一些问题。过去有不 少水闸经过水工模型试验都论证出设计的泄流能力过于保守,很多闸的试验结果 比设计流量大的多,例如江苏省的高良涧、皂河、六塘河等闸试验结果比设计流 量大2 0 左右,可省去一孔;原废黄河通地涵试验结果比设计流量大4 0 5 0 , 可缩减5 孔;又如山东省南四湖红旗四闸由于上下游开挖引河很窄,与闸的放宽 断面联结段扩张角太大,经模型试验论证,原设计的1 3 4 孔可以减为7 8 孔等1 2 2 , 2 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 因此泄流能力一直是模型试验的重要内容之一,是衡量水工建筑物水力学性能的 关键指标之一。对不同库水位时的泄流量进行了试验研究,综合流量系数a 测按 照下式计算。 “。:兰i 一 ( 2 4 ) 测2 b 三2 厄一h i s ( z 4 ) 式中口为堰宽度1 4 o m ,为堰上水头。 2 4 1 体型一的泄流能力 表2 5 单孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 5 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei no n e h o l e 库水位 4 92 0 8 l 2 2 5 92 3 5 92 3 7 52 4 0 22 5 2 92 5 7 l 2 6 7 527203 2 4 92 0 8 l 2 2 5 92 3 5 92 3 7 52 4 0 22 5 2 92 5 7 l 2 6 7 53 2 ( m ) p 测量 6 6 0 6 36 9 4 7 88 9 0 3 5 l 0 0 8 2 31 0 2 0 6 71 0 3 8 7 61 1 8 3 1 61 2 4 1 5 2 1 4 3 7 7 81 5 1 4 1 3 ( m 3 s ) a n 0 3 3 70 3 3 90 3 4 20 3 4 3 0 3 4 20 3 3 70 3 3 60 3 3 80 3 5 40 3 5 4 表2 61 7 孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 6 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g e i ns e v e n t e e nh o l e s 库水位 4 92 0 1,92 3 5 92 3 7 52 4 0 2 2 5 2 92 5 7 12 6 7 5273220 82 2 4 9 2 0 1,92 3 5 92 3 7 52 4 0 2 2 5 2 92 5 7 12 6 7 5 ( m ) p 计算1 1 2 3 1 1 1 8 1 11 5 1 3 61 7 1 4 01 7 3 5 11 7 6 5 92 0 l1 4 2 1 1 0 62 4 4 4 2 2 5 7 4 0 ( m 3 s ) 设计水位2 3 5 9 m ( p = 1 ) 时体型一1 7 孔泄流的泄流量为1 7 1 4 0 m 3 s ,设计 值为1 8 7 2 5 m 3 s ,相差1 5 8 5 m 3 s ;校核水位2 7 3 2 m ( p = 0 1 ) 时体型一1 7 孔泄 流的泄流量为2 5 7 4 0 m 3 s ,设计值为2 7 2 7 5 m 3 s ,相差1 5 3 5 m 3 s 。 2 4 2 体型二的泄流能力 表2 7 单孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 7 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei no n eh o l e 1 5 一 加糙消力池水力特性研究 表2 81 7 孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 8 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei ns e v e n t e e nh o l e s 由表2 7 所知,由单孔实测泄流量计算得到的设计水位2 3 5 9 m ( p = 1 ) 时 体型二1 7 孔泄流的泄流量为1 8 7 1 6 m 3 s ,设计值为1 8 7 2 5 m 3 s ,相差9 m 3 s ;由单 孔实测泄流量计算得到的校核水位2 7 3 2 m ( p = 0 1 ) 时体型二1 7 孔泄流的泄流 量为2 6 6 6 9 m 3 s ,设计值为2 7 2 7 5 1 3 s ,相差6 0 6 m 3 s 。 2 4 3 体型三的泄流能力 首先对体型三单孔在不同库水位时的泄流量进行了试验研究,由于体型三与 体型二相比,只是将下游尾坎高度由1 0 m 降为河床高度9 m ( 即取消尾坎) ,不影 响泄流量,因此流量几乎未变。 2 4 4 体型四的泄流能力 表2 9单孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 9 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei no n eh o l e 但必须说明,体型1 ,2 ,3 的闸孔净宽均按1 4 o m 考虑,体型4 模型的闸孔净宽虽按1 4 o m 设计,但表2 9 、2 1 0 中的值已换算成闸孔净宽为1 5 6 m 表2 1 01 7 孔泄流的库水位一流量关系 t a b 2 10 r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei ns e v e n t e e nh o l e s 大连理工大学硕士学位论文 闸孔净宽按1 5 6 m 考虑时,与校核库水位2 7 3 2 m 、设计库水位2 3 5 9 m 相应 的流量为2 7 8 1 5 6 1 m 3 s 和1 9 0 0 8 7 2 m 3 s 。前者比设计流量2 7 2 7 5 m 3 s 大5 7 6 m 3 s , 后者比设计流量1 8 7 2 5 m 3 s 大2 8 3 7 2 m 3 s 。 为了全面比较以上四种体型,现将四种体型的实测库水位一流量关系曲线绘 于图2 9 中。 图2 91 7 孔库水位流量关系图 f i g 2 9r e l a t i o n s h i po fr e s e r v o i rw a t e rl e v e la n df l o wd i s c h a r g ei ns e v e n t e e nh o l e s 2 4 5 结论 本节通过模型试验研究了四种不同堰型和消力池结构的泄洪方案,得出体 型四在闸孔宽度增加后过流能力达到并

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