（水利水电工程专业论文）汤河水库溢洪道整体模型试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它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。 研究生签名： 复丑秭 时间：久口妒厂年月p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 互丑确 时间：a 矿驴年妇p 日 导师 时间：d 一饵编少日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 溢洪道是水利枢纽工程中一种重要的泄水建筑物，溢洪道的布置形式多种多样。在 工程实践中，常因地质、地形、工程结构、枢纽整体布置等条件的限制，或者为了充分 利用地形、依山傍势，溢洪道常要在平面上设置弯道段，这种形式的溢洪道在泄流时， 如果水流为急流，常常会产生弯道急流冲击波，若溢洪道的陡槽设置弯道，水流流态就 更为复杂。因此，溢洪道设计方案通常要进行模型试验，进行优化。 一 汤河水库溢洪道具有典型的陡槽设置弯道、单宽流量大、进入消能段的水流分布不 对称等的特点，研究溢洪道的整体情况具有非常重要的意义。本文以汤河水库溢洪道续 建工程设计方案为依据，根据工程设计单位提供的基本资料，在实验室建立水工模型。 通过水工模型试验，首先对溢洪道原有工程段进行了泄水能力以及水流形态研究，并与 原型观测对比：其次，对溢洪道续建工程设计段的水流流态、流速分布以及底板压强分 布进行了研究；最后通过实验数据分析，提出了方案存在的问题，给出解决问题的合理 建议，并对陡槽溢洪道的体型进行优化，使方案满足泄流安全和消能的双重要求。 在模型试验研究中，分正常运行、设计、校核三种不同洪水流量方案分别进行了试 验研究。试验结果如下： ( 1 ) 从汤河水库溢洪道模型试验数据和试验观察可知：原有工程段的水流流态较 好，水面波动不大，水位分布也较均匀，水流流速在全段分布情况良好；溢洪道具有超 泄能力，满足泄水能力要求。 ( 2 ) 汤河水库溢洪道续建工程设计方案中泄槽段、消力池段、海漫段整体工程布 置、体型及尺寸合理，水流形态也基本趋于正常，未产生异常水流现象，模型试验中水 流流速分布情况大体与设计方案相似。尽管在弯道段流态、流速分布较复杂，但整体情 况与理论相符，建议在弯道段采用弯曲导流墙法来消减弯道急流冲击波。 ( 3 ) 设计方案各段底板压强分布正常，不存在太大的安全隐患。在溢洪道某些位 置出现负压，设计方案已予以考虑，并添加了工程措施，保证了底板的稳定性。 ( 4 ) 受弯道冲击波影响，消力池内未能形成完整水跃，在各流量下均形成远驱水 跃，消能效率较低，出流条件不满足下游冲刷要求。建议改善消力池入流分布及采取挖 深消力池的办法，增加尾坎高度，提高消力池消能效率。 关键词：陡槽，弯道，消力池，溢洪道，模型试验 摘要 a b s t r a c t t h es p i l l w a vi sa i m p o r t a n tn o o dd i s c 】1 a ：r g ec o s 仃u c t i o ni t h ew a t e r0 0 n s e a n c yl l i n 譬e e g i l l e e r i n g ，a n dt h ea r r a n g i n gf o 珊so fs p i l l w a y 盯ev a r i o u s i i lt h ep r a c t i c ep r 巧e c t ，o f t e n b e c a u s eo ft h er e s 仃i do ft e mo f 也et e 删n ，e n g i n e e r i n gc o n s t n l c t i o n ，t h ew h o l ea r f a n g eo f h i n g ee t c ，o rf o rm a k i n gm eb e s to fu s i n gt h et c r m h ，m es p i l h a yo f e nt i l r r 堪r o u n d 姐a n d e o nt h ef i a ts u r l a c ea n dh a v et 0d e s i 2 皿e dt h ef b r n lo fc u r v ec h a i u l e l ，w h e nd i s c h a 咖gf l o o d ， t 1 1 i st y p eo fs p i l l w a vw o u l do f t e np r o d u c es u p 删t i c a ls h o c kw a v eo ft h en o wj ss u p e r c d t i c a l ， i ft h eb e n di s 猢2 e di nc ：h u t e ，t h en o w n d i t i 叩i sm o r cc o m p l e x t h e r c f o r e t h es p 1 w a v d e s i 蟹皿p r o p o s a lu 蚰a l l ym u s tc a i r vo nt b em o d dc x p e i i m e n ta n dt l l eo p t i m i z a t i o n t h es p i l l w a yo ft h n g h er e s e r v o i rh a ss 锄ct y p i c a lc h a r a c t 甜s t i c s u c ha sa r r a n 西n gb e n d i l lc h u t e ，b 妞l l l i i td i s c h 孤z e ，a n da s ”l l l e t r i c a li n f l o wd i s 础b u t i o i ns t i l lb a s i i ls e d i o na n ds o o n t h ei e s e a r c h0 nw h 0 1 em o d e lt c s to fs d i l l w a yh a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i 2 h i 丘c a n c e h it h i s p 印e r ，m ed e s i 髓p m p o s a lo fc o m i u e dw o r k so fs p m w a yi so b j c c to fs t u d y i n g t h e h y d r a u l i cm o d e li sm a d ej nl a ba c r d i gt ot h eb 鹅a ld a t a 血a ti so 饪e r e db yd e s i g nl l n i t b y t h eh y d 舢l i cm o d e lt e s t ，c a p a c i t y 趾d 丑o wp a t t e m s0 fp r i m a r yw o r k so fs p i l l 、a yi s r e s e a r c h e da n dc o n t r a s t e dw i t i lt h ep r o t o t y p e so b s c r v a t i o n sa t 矗话t s e c o n d i y ，n o w c o n d 拓o n s p e e dd i s t r i b u t i o na n dt h ep r e s s u r e d i s t r j b u 廿o o fb e da r er e s e 缸c h e di nt e s t - a tl a s t ，b y a n a l v z i n go fe x 口c r i n l e n t a id a t a ，m ee x i s t e n tq u e s t i o 璐i nc o n t r i v a c ca n dt h es o l v e d s u g e e s t i o na r ep m v i d e d ha d d 坩o n ，t l l ef o n no ft h es p i l l w a yi so p t i i i z e da i i d 删e v e dt h e 窖0 a l st om a k en o o dd i s c h a r 足ei ns e c u r j t ya n dt h ee n e r g yd i s s i p a t es u i d e n t l y ht h es t u d vo fm o d e lt e s t ，t h en 0 姗a ld i s c h a r g e ，d e s i 鲫d i s c h a r g ea n dc h e c kd i s c h a 】? 日ea r e i n c l u d e d t h er e s u l t so fe x d e r i m e n ta r ea sf b u o w s ： 1 ，丘o mt h et e s td a t aa n dm o d e lo b s e n r a t i o no fs p i l l w a vo ft h g h er e s e o i rc 锄】( i l o w ：t h e n o wc o n d i t i o no fp r i m a r vw o r k si sw e l l ，t h ed i s t f i b u t i o no fw a t e rl e v e la n dv j c t o r yi s s y m m e t r i c a l ；t h es p i i l w a yh a st l l ec a p a c i t yo fo v e n a k ed i s c h a r g 血2 ，a n dn o wd i s c h a r g em e e t s d e m a n d 2 ，e g i n e e n n gl a y o u t t y p ea n ds 也eo fs p i l l w a y sd e s i g np l a ni st e a s o n d b l e ，n a wp a t t c 璐 a l s 0b a s i c a l l yt e d st on o r n l a l lv ，a n dt h e r eh a sn o ts o m eu n u s u a ln u c n tp h e n o m e n o i nt h e m o d de x p e r i m e n tt h ed i s t r i b u t i o no ff l a wv i c t o r yi sr o u 曲l ys i m i l 盯w i mt h ed e s i 印p r o p o s a l a l t l l o u g l li nt l l ec u r v es e c t i o nn u i ds t a t e ，t l l es p e e do fn o wd i s t i i b u t i o ni sc o m p l e x ，b mt i l e o v e r a i ls i t u a t i o i sc o n s i s t e n tw i t ht l l et h c o r vi ts u g g e s t st l l a tt h ed e n e c 血gv a n ei su s e di r it h e c u r v es e c t j o t of e d u c et h es h o c kw a v eo fb e n d 3 ，t h en o o rp r c s s u r co fe a c hd c s i 趴p r o p o s a 王s e c t i o ni sn o 珊a 1 锄dh a sn o tt o ob i gh i d d e n d a n g e lh t l l en e 2 a t i v ep r c s s u r ep o s i t i o no fs p i l l w a y ，t h ep r o i e c tm e a s u r eh a sb e e np r o v i d e di n c o n t r i v a n c et oi n c r e a s i n gt h es t a b i l i t yo ff l o o l 4 ，h l n u e n c e db vt h es h o c kw a v eo fb e n d ，t h es l o p eh v d r a u l i ci u m di sn o tb e e nc a m ei n t o b e i n g s t i nb a s i nc a n tf o 珊i n t e 盯a t e di u m p ，a 1 1 di ti sl e s se 筋c i e n c y t h e r em a yc a u s et h e e r o s i o no fd o w n s t r e a mb e d t h em e a s u r eo fd i g g i n ge n ds t i l li su s e dt oi 1 1 c r e a s i n ge n e r g y d i s s i p a t i o ne f i c i e n cy ：i 【e yw o r d s ：c h u t e ，b e n d ，s t i ub a s i n ，s p i u w a y ，m o d e ie x p e m e n t 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的提出 汤河水库位于汤河干流下游，辽阳市弓长岭区汤河乡内，始建于1 9 5 8 年，续建于1 9 6 9 年，1 9 7 8 年进行安全加固施工，于1 9 8 5 年初竣工验收。水库咀防洪、工业及城市生活供 水为主，结合灌溉、养鱼、发电等综合利用。 汤河水库建成运行3 0 多年来，对原设计和旌工中存在问题的大部分工程己进行了 加固处理，水库主体工程运行状况良好。而溢洪道陡槽段以下岩石裸露，无消能工程， 先天不足始终未得到彻底处理，经多年运行，尤其是几次泄洪运用后，在泄槽右岸 o + 0 6 0 0 + 3 6 4 5 0 ，出现了一条深1 嘶左右的冲沟，表层岩石风化、冲蚀破坏严重，尾 水渠中交通桥处已出现l o m 多深的冲刷坑，严重影响过流和下游安全。因此，提出溢洪 道续建工程有现实意义。 2 0 0 4 年，弓长岭区投资启动了汤河整治工程，从溢洪道尾水渠以卜至安平大桥，修 建河堤路，两岸边坡预制混凝土板护砌及河道整治。主河道及两岸环境己得到很大改善， 而汤河水库所属区域的尾水渠右岸边坡依旧为天然土坡，溢洪道一旦泄洪，势必会冲毁 右岸的边坡及公路，甚至威胁右岸乡村百姓生命财产安全。此外，原溢洪道未建消能设 施，水流没有经过消能，直接进入尾渠，对下游河道及岸坡冲刷严重。为了改善水流条 件，减轻泄洪时水流对两岸及下游的冲刷，特别是坝下旅游景点设施更需要稳定水流保 护堤岸，因此有必要对溢洪道进行消能处理。 2 0 0 4 年底沥河水库溢洪道的续建工程设计开始进行，除改善陡槽中水流流态步 ， 还重点研究弯道段布置、弯道半径选择和消能方式等问题。受汤河水库管理局委托，我 们对汤河水库溢洪道模型试验项目进行了研究。通过模型试验，主要研究溢洪道水 流水力特性，并对存在的问题提出解决方案，以保证工程安全运行。 1 2 课题的意义 我国的水利水电建设已经取得了巨大的成就，但水利工程的自然条件千差万别，选| 为受水文、地质地形条件、水流条件等的限制，在这个工程上取得的经验，不可能照 搬到另一个工程上去。只能在取得大量实际经验的基础上，总结出一般规律，结合具体 条件应用到实际工程中去。 汤河水库溢洪道为陡楷式，其轴线弯曲。弯道溢洪道在实际工程中会带来新的问题， 这就是当下泄流量较大且为急流时，水流在通过弯道时，由于溢洪道边墙的偏转变化， 使水流产生冲击波。产生冲击波后，冲击波使波峰和波谷在溢洪道两岸交替出现，致使 水而超高加剧，使溢洪道内水流流态恶化，特别是在弯道前面接有陡坡段的溢洪道，水 水而超高加剧，使溢洪道内水流流态恶化，特别是在弯道前面接有陡坡段的溢洪道，水 第一章前言 流在通过陡坡段时，具有单宽流量大、流速高、能量集中的特点，经过弯道时所产生的 冲击波将更为强烈，溢洪道内水流流态更为恶劣，下游消能更加困难，如不采取模型试 验对设计方案加以校验，大流量时就可能会造成漫顶事故，这不仅影响汛期水库泄洪， 而且还对溢洪道的安全运行造成威胁。因此，本试验不仅具有理论意义，而实际意义更 加重大。 目前，陡槽式溢洪道内所采用的消能方式主要有单级和多级之分，具体方式包括挑 流消能、底流消能、跌坎消能、阶梯消能等多种。每种方式的设计都有相应的理论和规 范依据，但是在工程实践中具体理论分析、计算，都要根据溢洪道及其下游的具体情况 因地制宜来解决。目前，对于底流消能、大流量水流消能防冲的研究方面的理论比较成 熟，工i 黩际应用也较多，但低弗氏数水流的研究却相对较少，而且我国的中小型闸、 坝多在平原地区，它们一般具有大单宽流量( 大于5 0 2 s ) 、低弗氏数( 小于1 ) 的特点。 因而，在泄流时，大单宽流量、低弗氏数水流的大尺度紊动和水面波动对下游河床及岸 坡可能造成淘刷，从而影响建筑物的安全，影响泄洪效果。故采取何种措旌提高水流的 消能率、减少河床的冲利、降低工程造价已成了一个急需解决的谋题。 本文的研究目标着重于验证设计方案、采取何种措施提高消能率、使河床冲刷控制 到最少；寻求在流量变化大的运行条件下的最佳设计方案，从而保证建筑物的安全，并 且提高工程的经济效益。 1 3 国内外研究概况及发展趋势 目前，国内外已进行了很多溢洪道泄洪消能问题的试验研究。有些具体的试验研究 实例，试验后对原设计方案提出了很多的合理性建议，并且在理论知识更新方面有很大 进步。但是，由于溢洪道的组成结构比较复杂多样，以至于多数具体的消能方案适用的 范围受到地质、地形等条件的限制。消能方式的选择、消能工程的布置等都要受到具体 的地形、地质等客观条件的限制，根据这些客观条件所选择的方案，可能会出现水流条 件较差，冲刷严重等特点。因此，国内外对溢洪道的研究，主要集中在溢洪道布置、消 能方式、消能效率及下游冲刷的研究。 典型的溢洪道消能型式包括底流消能、挑流消能、面流消能、戽流消能。( 肖兴斌， l 9 9 9 ) 底流消能是采用水跃作为泄水建筑物下游的一种消能措旄，其历史悠久，应用广 泛；除坝顶泄洪和厂房顶溢流外，其他的泄洪方式均可采用底流消能，尤其对于地质条 件较差的大中小型枢纽，高坝大泄量、低单宽流量工程中应用很多。( 王才欢、肖兴斌， 2 0 0 0 ) 对于小高差、大单宽流量的溢洪道多数采用底流消能，因为这是解决低弗氏数消 能问题最好方法；据统计国外4 0 3 座坝高大于1 0 0 _ _ j 2 白q 高坝中，采用底流消能的有1 2 4 座， 目前世界上采用底流消能的最高坝是印度的巴克拉坝2 2 6 历。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 1 3 1 国内研究的现状 目前，国内对溢洪道的研究有以下几个特点：研究向深度发展，研究面更加广泛， 同时随着科学技术的不断发展，研究的方法和技术有了很大提高。( 黄天纵等，1 9 9 4 ) 结合柘田水库工程，研究了河岸式溢洪道陡槽水流流态和由于上游弯道产生冲击波使下 游消力池难以产生水跃的问题。通过试验对溢洪道水流形态分析，采用两级消力池消能 的方案，合理解决了陡槽和弯道产生的冲击波对下游消能的影响，经多年的运行消能效 果良好。( 孙栋芬、候佩瑾，1 9 9 5 ) 结合拴驴泉水电站工程，研究了t 型墩的消能效果、 水跃长度及其它注意的问题。提出t 型墩对于低水头大单宽流量的工程是一种较好的消 能工型式，不仅能提高消能效率，同时能使主流流速得到重新调整，能把主流挑向表面， 使底流流速大大降低，减轻对下游河床的 申刷；使池内水跃长度缩短；采用t 型墩消力 池，必须充分考虑到池后由于池后水面波动大，两岸的防护工程必不可少；t 型墩的尺 寸、位置直接影响到消能效果。( 唐朝阳，1 9 9 5 ) 在鱼背山水电站溢洪道消能设计研究中， 提出了阶梯消能和t 型墩消力池联合消能的方案，并列举了湖南的河溪水电站、四川的 东西关水电站等都采用了t 型墩消力池消能。( 卜水发，1 9 9 5 ) 在大河枢纽溢洪道水力 试验研究中，测定了泄槽底板上的水压分布及其变化，研究了溢洪道底流消能的消能效 率及其改善措施，减轻了下游冲刷。( 黄国强，1 9 9 6 ) 对低水头大流量枢纽的泄洪能力、 消能设计、下游防冲设计、闸门泄洪调度等问题进行了研究，提出消力池内消能效率的 计算的新见解和宽尾墩加消力池联合消能、t 型墩消能、消力池内设消力坎的消能方案： 指出造成下游河床出现回流流态的原因是闸门不均匀开启和消力池、海漫布置与下游衔 接不好，两边边墙扩散角度太大。高速水流在陡坡自然扩散降低单宽流量作用不明显， 且容易出现不利于消能的水力因素：下泄水流不均，在消力池上出现了立轴回流及偏斜 水跃。( 罗周、罗肇烽，1 9 9 5 ) 针对以上情况在平台扩散水跃消能及辅助消能工在溢洪 道上的应用的研究中，提出采用平台扩散方式消减这些不利因素，指出平台扩散水跃消 能使陡坡下泄的急流，经过扩散段按一定角度横向扩散后进入消力池，借助水跃消能； 还介绍了几种辅助消能工，说明辅助消能工的尺寸及位置对消能效果影响很大。( 王冶 祥，1 9 9 8 ) 在陡槽水力扩散特性研究中，指出高速水流在消力池前陡坡明槽上的扩散运 动涉及到紊动、脉动变化，影响因素复杂，经分析推荐了一种求解加速水流扩散运动的 方法。掺气分流墩及其与消力池联台消能的作用，越来越被人们所重视。但由于掺气分 流墩局部流态和消能机理非常复杂，某些理论参数难以确定，通常难以用理论方法直接 计算出消能量并评价其消能效果。( 张宗孝、孙静，1 9 9 9 ) 用附加动量理论分析了掺气 分流墩与消力池联合消能机理，用跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积的减少百分数， 估计新增消能设施的经济效益；分析了掺气分流墩与消力池联合消能的流态特点。为适 应不同工程的地形条件及消能要求，目前国内对于底流消能的研究，多集中于针对不同 工程的消力池联合消能的消能效果及水流流态的研究。( 黄国兵等，1 9 9 9 ) 为探讨水布 垭水利枢纽泄洪消能工程合理消能型式，分别研究了一级挑流方案和底流衔接挑流的二 5 第一章前言 级消能方案的水力特性，通过对比选择了最优方案。( 甘惠麒等，1 9 9 9 ) 针对于巴江口 水电站具体情况，采用宽尾墩戽式消力池联合消能，较好的解决了水电站大单宽流量、 低弗氏数的泄洪消能问题，减轻了下游河床、岸坡冲屉4 。( 黄汉玲、梁学文，2 0 0 1 ) 通 过对青龙江水库溢洪道水工整体模型试验及结果分析知：原设计方案消力池左侧出现回 流，水位左低右高，消能不充分。为解决问题，在溢洪道进口左侧设导流墙，在消力池 出口设小坎。加设一排侧向齿墩。( 赵珏龙等，2 0 0 1 ) 结合大江水库溢洪道实际情况， 提出了采用蹉动式消力墩与消力池结合方案。( 田士豪、王森，2 0 0 4 ) 为解决纳吉滩水电 站底流消能存在的问题：小流量时消力池内水深不足，呈远驱水跃，消能差。通过试验 研究，提出了加高尾坎的方案，消能效果好。 3 2 国外研究现状 国外对溢洪道的研究有其特有特点，由于国外具有先进的研究设施及方法，在进行 针对实际工程的试验研究同时，他们更注重基本理论及新的溢洪道布置形式及消能法的 探讨。( h a 叠e r ，1 9 9 2 ) 研究了底槛控制消能工，分析了矩形断面水槽中横向连续底槛对水 跃的影响，引入了新颖的水跃滚动长度的标准。此外，还对水跃的二元和三元水流作了 讨论。( f i o m l t o 、1 9 9 2 ) 在水跃下的紊压波动的研究中，考虑到紊压波动与消力池内衬 砌稳定性的关系，提出了水跃底部紊压波动统计结构的新试验结果，说明了各向异性压 力波动区的时间和空间关系的最大值及其结构。( y a n gsl 1 9 9 4 ) 研究了弥散水流的消 能设旆，指出弥散水流的消能设施综合了传统水跃、槽式消力戽及挑流式消能设旌的优 点，这种弥散消能设施由弥散板、滑槽板及挑流底坎组成，可使消力池较短和较浅并且 要求尾水深度较小，工程造价小。( h a g e r ，1 9 9 2 ) 在冲击水跃的研究中，对闸门附近的水 跃作了理论和试验分析，通过控制水跃参数，对由传统水跃到超临界水跃的跃迁现象进 行模型试验。提出了闸门不同开度与下游水跃的相关性。( g c 克里斯托多罗等，1 9 9 5 ) 通过对希腊中部的大坝陡槽溢洪道水工模型试验研究，分析了陡槽水力特性和下游垫塘 的冲刷，确定了下游冲刷的范围和出流可能存在的问题。( m u s t a f ag u n a l 、r a n g a s w 锄i n a r a y a l l a n ，1 9 9 6 ) 通过实验研究了斜坡上的水跃，运用热膜测速仪，测量了不同弗氏数下 水流流场和沿水跃方向的水深，还测量了底部的压力及静水压力。经过分析得到了与预 测相近的滚动长度经验公式，详细解释了斜槽水跃现象。( s t e f a n 0p a g l i a r a 、e s s a n d r o p e n l g i n e l l i ，2 0 0 0 ) 在限制或控制底槛的反坡水跃研究中，从理论和试验角度分别分析了棱 形河道的反坡水跃，提出了水深比与弗氏数、反坡角的关系方程。( t a t s u a l 【i n a k a t ，2 0 0 0 ) 研究了6 号坑大坝的消力池模型试验水力特性，按一定的比例建立消力池的水工模型后， 通过对消力池底板失稳起直接作用的横向、纵向作用力的直接测量，发现横向最大脉动 压力是造成失稳的主要因素，并提出用三角形空心砖降低横向荷载冲力的措施。( s 埘 r a mc h a u r a s i a ，2 0 0 3 ) 在矩形水平槽水跃直接方程研究中，提出了矩形水平槽跃前和跃后 水深、比能的直接经验方程，并对此方程的应用范围作了验证，认为此方程在各种流量 沈阳农业大学硕士学位论文 和水头损失下均有实用价值，且与其它方程相比局限性小。 1 4 课题研究内容、方法及技术路线 一 1 4 1 课题研究内容 本文以汤河水库溢洪道续建工程设计方案为依据，根据工程设计单位提供的基本资 料，在实验室建立水工模型。通过水工模型试验，本课题首先对溢洪道原有工程进行泄 水能力以及水流形态研究，并与原型观测对比。 然后针对陡槽溢洪道的水力特性，对溢洪道的消能方式以及消能效果进行研究，对 陡槽溢洪道的体型进行优化，使方案满足泄流安全和消能充分的双重要求。最终实现消 能充分和工程稳定。 进而对溢洪道续建工程设计段的水流流态、流速分布以及底板压强分布进行研究； 最后通过试验数据分析提出了方案存在的问题，通过进一步分析给出解决问题的合理建 议。 1 4 2 课题研究方法 本研究采用物理模型试验，并实测数据，利用数学工具软件编程进行数据处理，绘 图分析的方法进行研究。工程的试验研究是依据工程资料，在试验室建立水工模型，通 过模型试验验证并完善溢洪道建筑物体型及布置的合理性，研究溢洪道的水流水力特 性，提出改善溢洪道弯道水流流态和消除冲击波的工程措施。 1 4 3 课题研究技术路线 通过分析汤河水库溢洪道续建工程初步设计，得到如下研究路线：首先收集国内外 溢洪道研究资料，并对汤河水库溢洪道续建工程资料进行分析，制作陡槽溢洪道水工模 型；然后对原设计方案迸行模型试验研究，观察溢洪道水流在不同流量条件下的流态和 水面特征，量测水工模型各段的水力参数，并对溢洪道模型试验数据进行分析：最后， 通过试验数据分析对比，提出方案存在的问题，给出解决问题的合理建议，并对陡槽溢 洪道的体型进行优化，使溢洪道续建工程设计方案满足泄流安全和消能的双重要求。 技术路线如图1 1 ： 7 第一章前言 收集国内外有关资料 i 方案选定及模型制作 固1 1 技术路线 f i g 1 一ln c 蕊lc o w s e 1 5 本章小结 比较国内外的研究现状发现：目前，国内外对溢洪道的试验研究很多，考虑到带弯 道的陡槽溢洪道的特殊性，都要针对实际工程进行试验校核；对弯道产生的冲击波的消 减，通常结合实际工程优选消减措施；对于陡槽溢洪道，研究表明多级消能方式是陡槽 溢洪道消能的良好选择；随着阶梯消能理论研究的逐步完善，阶梯消能的应用范围也更 大； 结合国内外溢洪道研究成果，对汤河水库溢洪道续建工程基本资料进行分折，确定 了课题的研究内容、研究方法和整个过程的技术路线。 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章基本理论 2 1 溢洪道的消能型式 泄水建筑物的消能，一般可分为底流、面流( 包括戽流) 和挑流消能三大类。据( 袁 银忠，1 9 9 7 ) 统计，我国已建坝高3 咖以上的水电工程的消能设施中，采用挑流、面流和 底流消能者分别占7 8 ，2 ，1 4 5 和7 3 。可见，高坝工程中大多数采用挑流消能，国外 也有这种趋势。但在低坝和泄水闸工程中，则多采用底流、面流消能。 2 1 1 挑流消能 挑流消能具有工程量小、投资省、施工简便等优点，对高、中水头工程有较好的适 应性。在岩基好的工程中己广泛采用，并己经成为高水头、大单宽流量泄水建筑物的有 效消能方式。随着高山峡谷中兴建高坝的增多，新的挑流消能工不断出现，它们共同的 特点是通过设置不同位置、不同角度和不同形式的挑流坎，强迫能量集中的水流发生纵 向、横向和竖向的扩散和冲撞，增加水流与空气接触面积，促进紊动水气掺混，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。研究新型消能 工，很多问题的解决需依赖原型观测与模型试验的结合。 挑流消能由建筑物的摩阻消能、水股空中扩散消能及冲坑水垫中紊动剪切消能组 成。一般说来，前两者消能效率约为2 0 左右，而水垫消能效率约为5 0 左右，见图2 1 。 挑流水舌 图2 1 挑流消能方式不惹圈 f 逅2 一lp l n hs k e t c hm 旺po fs b i u m 9e “e r 特d 酶s 嘻q t t o n 由于挑流消能方式一般不需要对下游河床设置大体积保护工程，故工程费用节省很 多，设计与施工均较简便，因而在国内外应用相当广泛。但是，挑流消能的下游局部冲 刷问题常很严重，尤其是峡谷河道高陡岸坡的稳定问题及挑流雾化问题，需充分重视并 采取有效措施加以保护。挑流消能的雾化问题必须予以重视，雾化严重的地点甚至暴雨 成灾，有些电站曾因雾化发生过高压开关短路和淹没厂房的事故，切断进厂交通。黄龙 滩电厂曾因厂房布置在雾化严重区而发生上述事故。刘家峡、石门、白山等电站也曾出 现过类似问题。 近年来，随着高坝大流量泄水建筑物的兴建，挑流新型消能工的研究和实践取得了 第二章基本理论 不少进展。利用急流段设置不同形式坎型，改变射流水股的断面形状，使之发生竖向及 纵向的收缩与扩散。从而，由于大量掺气而增强消能效果；也可使水股分流，利用冲击 波和水冠，改变水股流态来增加消能作用，如窄缝坎和宽尾墩等；还有在枢纽布置中， 将各建筑的挑坎水流上下前后分开起挑，使水股定向抛射和落点错开，以避免对河床及 岸坡的集中冲刷；再者利用高低坎使水股上下撞击，利用两侧滑雪道使水股左右对冲， 以达到消能的目的。 2 1 2 面流消能 ( 袁银忠，1 9 9 7 ) 面流和戽流消能方式对于中、低水头( 下游尾水较深且水位变幅不大) 的建筑物消能有较好的适应性。面流消能是在建筑物的出流部分采用较小挑角的跌坎， 将泄出的急流射入下游水体的表层，并在坎后形成底旋滚，使高流速主流位于表面部分， 以减轻对河床的冲刷，利用主流与底旋滚的相互作用力及主流的沿流扩散来消能。面流 消能有利于漂木和排冰，具有工程量小和施工期短的优点，能较好地适应丰水河道；戽 流消能则是利用较大反弧半径和较大挑角戽坎形成的凹面戽勺，使高速水流受到下游水 体的顶托，在戽勺内形成表面旋滚，且在库后形成涌浪，然后沿下游水面扩散，并在戽 后主流下面产生底部旋滚，有时在涌浪下游还出现表面旋滚，呈典型的“三滚一浪”戽 流流态。实质上，是底流和面流相混合的衔接形式( 图2 2 ) 。戽流是利用主流水股与底 流、面流的相互作用，以及涌浪后水股的扩散来消能的，其总体消能效率一般高于平底 自由水跃。一般不需建库后护坦，工程造价较低。 圈2 2 消力羼消雒而意图 豫2 - 2p 肠”础e 鼬埘印0 ，6 h c 妇f 印s 礓rd 缸巾口血” 主要问题是传送至下游的水流余能大，水面波动较剧烈，影响距离较远，造成岸坡 冲刷，对航运不利。如石泉电站为戽流消能，距县城千余米，泄洪时沿岸波浪很高，造 成两岸严重的冲刷。富春江电站为面流消能，泄洪时下游两岸也有冲刷问题，航运受到 一定影响。此外，还有下游的旋滚带动砂石冲击磨损戽面和相邻边墙以及淘蚀基础等问 题。如龚咀溢流坝的面流消能，在表面流速3 帆詹的情况下，底部产生很大范围的强烈 旋滚，带动了砂石，使周围的漂木道的软弱基岩和厂房基础侧面混凝土发生严重的冲击 磨损。目前这些问题的计算方法尚不成熟，在某些情况下，一般都依赖模型试验来确定 1 0 滚 号 面，丁 浪|：广、7 涌另 滚砂 n面r 、杉 ，蘩 沈阳农业大学硕士学位论文 工程布置与尺寸。但由于原型河床不易模拟相似，原型实际发生的流态往往与模型有 一定的差别。所以，加强原型观测，研究消能工的体型和适用范围很重要。 2 1 。3 底流消能 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， 并有尾水衔接好、紊动波动小、流速分布均匀等优点。但是，在消力池布置及运行中也 存在一些问题。国内外一些工程的运行经验表明，消力池损坏和尾水渠发生意外冲刷的 主要原因有：底板下的排水系统设置有问题：对高速水流的动水荷载和地基特性未充分 考虑；施工质量存在问题等。 ( 袁银忠，1 9 9 7 ) 底流消能主要是靠水跃进行消能，水跃的消能机理如下：在水跃段 中，主流与表面水滚的交界面附近的对均流速梯度很大。该区域是产生旋涡的源地，流 速梯度愈大，旋涡强度愈大，从而产生的紊动就愈加强烈。通过紊动掺混过程，使水流 的动量、能量以及紊动涡团本身沿横向、纵向扩散，使水流的运动特征沿水深和沿流向 不断获得调整。与此同时，紊动掺混过程伴随有强烈的附加切应力，使水流的部分机械 能迅速地转化为热能而耗散掉，所以交界面也是水流机械能消耗最集中的区域。这是由 于紊流中的大尺度旋涡通过拉伸、变形，使旋涡尺度逐步变小，最后通过液体的粘性作 用将能量转化为热能而消散。消能示意图如2 3 。 图2 3 底流消能示薏图 f 培2 2p l n hs 妇t c i m 叩对h 耐e r 删7 r e m 曲盯科d b s i p 口曲n ( 袁银忠，1 9 9 7 ) 随着技术的不断进步，底流消能演化出很多新型消能工形式。如： ( 1 ) 混合式消力池。西班牙的卡斯特罗( c a s t r o ) 拱坝( 高5 6 肼) ，溢流坝设4 孔，总泄量为 1 0 5 0 咖。由于河床狭窄，仅有3 5 m 宽可布置消力池。经试验，确定中间为2 孔消力池， 两个边孔开挖成较高的泄槽，成为混合式消力池。两侧泄槽水流进入消力池，增加了与 主流的混掺消能作用。( 2 ) 平面收缩消力池。前苏联萨扬一舒申斯克重力拱坝( 高2 4 2 m ) ， 为避免水流向心集中和产生回流，将消力池作成平面收缩式，由1 2 3 m 收缩为9 7 m ，消 能效果良好。( 3 ) 设导流墙的消力他。西班牙的圣埃斯持班( _ s a ne s b a 珊) 供坝( 高1 1 5 脚) ， 泄流量较大，河床狭窄。经模型试验研究，在坝趾处设3 条导流墙，下接二道坝的消力 池。( 4 ) 多级消力池。巴基斯坦的曼格拉工程主溢洪道，经多年研究，选用二级消力池 方案。( 5 ) 宽尾墩和消力池联合消能工。中国安康水电站由于在枢纽布置上存在高水头、 大流量、偏流向、软基岩等特点，多年来，比较了挑流、面戽流、库式消力池及二级消 1 1 第二蕈基本理论 力池等多种消能方案，最后选用了在表孔坝段设宽尾墩与坝下消力池联合消能的布置型 式。 2 1 - 4 其它消能型式 除了上述几种基本的消能方式外，近年来出现了一些特殊的消能方式。如冲击、喷 射和深井消能。还有联合消能，如宽尾墩底孔一消力池联合消能方式，五强溪水电站 就采用了这种联合消能方式：潘家口水电站采用了宽尾墩一挑流联合消能；岩潍水电站 采用了宽尾墩一戽式消力池联合消能。 2 _ 2 陡槽弯道水流 ( 袁银忠，1 9 9 7 ) 当由于地形、地质条件限制，泄槽不得不设有弯段时，仍应力争将 其置于流速相对较低段，并采用较大的转弯半径尼，一般要求尼1 0 b ，这里，6 为槽 宽( 图2 - _ 4 ) 。弯段急流流态复杂，连续转折的边墙，不仅因受离心力作用导致断面外侧 水深加大，内侧水深减小，而且因边墙迫使水流转向，产生冲击波，从而无论沿纵向还 是横向都有水深的剧烈起伏。 现以图2 4 所示的圆弧曲线等宽弧形槽为对象进行分析。流速为v 的急流从直段 进入弯段后，由于外墙向内偏转，从爿点开始发生冲击波，使水面壅高，正扰动线沿 彳艿方向；同时由于内墙商外偏转，从彳点开始水面降落，负扰动线沿a7 b 方向，两线 汇交于矗点。b 点以下两墙的扰动便互相影响，扰动将不再沿直线传播，而分别沿置d 和占c 曲线传播。结果b c 区是只受外墙影响的范围，水面沿程增高，至c 点达到最 高：4 肋区是只受内墙影响的范围，水面沿程降低，至d 点达到最低。d 以下受两 墙交互影响，不断发生波的干涉和反射并传向下游。 工程上消减弯道段急流冲击波的措施，从原理上说主要有两类：给槽内流体旋加 一个侧力，使水流平衡不受干扰。槽底超高法是属于这类的主要方法。如图2 - 5 所示， 该法使槽底具有与水面柱平行的横向坡降，从而使沿横向坡度的重力分量与离心力等值 反向而达到平衡。采用这种方法时，槽底超高在曲线两端要渐变引入，以免由水平槽底 突变成超高槽底，或由超高槽底突变为水平槽底时引起强干扰。渐变引入超高时，平面 上也应加渐变曲线，其曲率半径从直段末的一逐渐变小到有限值，然后又从变到 下一直段起点的。为此，可考虑用渐变线布置。在弯道段曲线的起点和终点引入另 一种干扰，使原来受到的干扰得到抵消。弯道段用复曲线布置就属于干扰处理方法。如 图2 6 所示，弯道段由3 段曲线组成，中间段半径为月c 、中心角为口c ( 可视需要取任 何值) ，为主曲线段，其前后各接半径为盈、中心角为口。的捕曲线段。由前述冲击波理 论可知，为使从a 。点出发的反干扰最有效地抵消从主曲线段起点b 出发的正干扰，有 了从彳爿到肋。的前辅曲线段后，水流从直段进入此段后，水面内外侧高差将逐渐加大 到仅由离心力决定的平衡值，并在主曲线段全程保待这种状态。 沈阳农业大学硕士学位论文 圈2 - 4 简单圆弧弯遭 f i 9 2 4 b e 缸o ，s 咖l e 口c r 一 l，一一 多二i r 1 1 nj 二qj r 。 rd r 图2 5 陡槽弯道段槽底超高法布置 嘞2 5 孤e 口r m 增硎朋fd ，n d ，6 甜加p 幻口一d ，c “坨胁d 第二章基本理论 2 3 本章小结 图2 6 陡槽弯道段复曲线布置 豫2 5 孤e 口玎彻苫绷删f 0 ，髓，- c 删细d c “r 坩o ，c j l “耙6 鲫d 本章首先对泄水建筑物的消能型式作了简单的介绍，对消能形式的优、缺点以及各 自的适用范围作了概括，并介绍了一些新型的消能工。在实际工程中采用什么样的消能 型式，应当根据工程的具体特点来选择。单一的型式，也可以几种消能型式综合运用。 同时还介绍了陡槽弯道水流流态，给出了改变弯道不良流态的工程措施，实际工程中应 通过试验确定所选措施的效果。 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 第三章模型试验与结果分析 以往的模型试验和数值计算结果表明，溢洪道各段的不同组合，对溢洪道的整体水 力特性有十分明显的影响。而其体型和尺寸又直接与溢洪道的工程量、投资、工期等经 济特性紧密相关。同时在其运用过程中水流的水力特性对溢洪道自身乃至水库大坝安 全、下游河床稳定等的影响，也是不可忽视的重要因素。因此溢洪道设计的整体体型优 化有着理论意义和实践价值也有明显的经济效益和社会效益。 弯道溢洪道水流由于易产生折冲水流，其水力特性较一般溢洪道更为特殊。因此， 带弯道的陡槽溢洪道的体型优化问题就显得更具有工程应用与理论研究价值。 般陡槽溢洪道研究的主要问题有： ( 1 ) 以溢洪道水流水力特性为依据对溢洪道体型和尺寸组合进行优化研究。 ( 2 ) 以满足溢洪道水流流动特性为前提兼顾泄流安全以及消能充分的原则对溢洪 道进行的局部优化。 ( 3 ) 在满足水力特性和泄流安全的基础上从经济性方面对溢洪道的不同组合进行 优化。 、 在溢洪道研究与应用现状的基础上本文结合典型的实际工程通过水工模型试验对 溢洪道体型优化问题进行了研究。 3 1 工程概况及研究内容 3 1 1 汤河水库溢洪道工程基本概况 溢洪道续建工程设计计方案按照1 0 0 年一遇洪水设计，1 0 0 0 年一遇洪水校核，其消 能防冲建筑物按5 0 年一遇洪水设计。5 0 年一遇洪水水位为1 1 0 2 6 m ，相应泄量1 1 7 1m 3 s ； 1 0 0 年一遇