（水工结构工程专业论文）小水电中坎消力池水力及消能特性研究.pdf

摘要 小水电属于清洁能源，是我国实施可持续发展战略不可缺少的组成部分。小 水电的消能问题是保证水电工程安全和充分发挥工程效益的关键，消能防冲是泄 水建筑物中最重要的水力学问题之一。 本文对两级差动复式消力池中坎的水力特性、消能特性进行了较深入的研究， 取得了大量的试验数据。 论文采用理论分析和概化模型试验相结合的研究方法，在分析消力池加设中 坎前、后的水流流态、流速分布以及消能效果影响因素的基础上，得出了出池水 流均方值紊动能、底流速分布系数、动能修正系数、重心指数的变化规律，推导 了消力池中坎段的消能率公式，为小水电工程的消能措施提供了参考： ( 1 ) 本文取值范围内，中坎段消能率与堰顶的乃相关性不大；( 2 ) 当中坎 的高度低于9 4 ( 0 4 7 ) 时，中坎消能率及总的消能率随中坎高度增加而增大；( 3 ) 消 能效率随中坎位置的后移而降低，在9 0 ( 0 6 5 ) 以后总的消能效率急速降低；( 4 ) 消 能效率随消力池尾水高度的增高而增加，尾水高于1 2 ( 0 6 ) 时中坎和总消能效率的 比值趋于稳定。 关键词：小水电；中坎：消力池；模型实验：水力特性；消能特性 a b s t r a c t s m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n sb e l o n gt oc l e a ne n e r g y i ti sa ni n t e g r a lp a r to fo u r c o u n t r y ss t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ee n e r g yd i s s i p a t i o np r o b l e mi st h e k e yp r o j e c t st oe n s u r et h eh y d r o p o w e rp r o j e c t sc a l lr u ns a f e t ya n de f f e c t i v e n e s s t h e e n e r g yd i s s i p a t i o ns t r u c t u r ei st h em o s ti m p o r t a n to n eo fh y d r a u l i c sp r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h es t i l l i n gb a s i na l es t u d i e d i nt h i sp a p e r ，am o d e lf o rs t i l l i n gb a s i nw i t hh o mh a sb e e ns e tu pi nt h i sp a p e r a t t h eb a s i s ，t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n s t u d i e d ag r e a td e e lo fm e a s u r e dd a t aa c h i e v e d t h e s i su s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm o d e lt e s t g e n e r a l i z a b i l i t yo fc o m b i n i n g r e s e a r c hm e t h o d s ，t h ea n a l y s i so fs t i l l i n gb a s i nl o c a t e di nt h ec a n t o na d db e f o r ea n d a f t e rt h ef l o w , v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ee f f e c to fe n e r g yd i s s i p a t i o no nt h eb a s i so f f a c t o r sr e s u l t e di nap o o lo fw a t e rm e a ns q u a r ev a l u eo ft u r b u l e n te n e r g y ，a tt h ee n do f v e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t ，k i n e t i ce n e r g yc o r r e c t i o nf a c t o r , t h ef o c u sc h a n g e so f t h ei n d e x ，d e r i v e dh o m s t i l l i n gp o o lo ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o nr a t i oa b o v ef o r m u l a , f o r s m a l lh y d r o p o w e rp r o j e c t st op r o v i d et h ee n e r g yd i s s i p a t i o no f t h er e f e r e n c e ： o ) t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ee n e r g yd i s s i p a t i o nr a t ea n dt h et o pw e i rf ri s l i t t l e r e l e v a n c e ；( g ) w h e nt h eh e i g h to fh o mi sl o w e rt h a n9 4 ( 0 4 7 ) ，t h ee n e r g yd i s s i p a t i o n r a t i oa n dt h et o t a lb a s i ne n e r g y d i s s i p a t i o na r ei n c r e a s e dw i t ht h eh e i g h t ；t h e e f f i c i e n c yo fe n e r g yd i s s i p a t i o ni sg o tt ol o w e rw i t ht h ea f t e rs h i f tp o s i t i o n ，i ti sr a p i d l y l o w e r i n go fe n e r g yd i s s i p a t i o na f t e r9 0 ( o 6 5 ) ；t h ee n e r g yd i s s i p a t i o ne f f i c i e n c yi s i n c r e a s e dw i t ht h eh e i g h to ft a i l - w a t e r , b u tw h e ni ti sh i g h e rt h a n12 ( 0 6 ) ，t h ee n e r g y d i s s i p a t i o nr a t i ot e n d e dt os t a b i l i z e k e y w o r d s ：h y d r a u l i c s ；m e d i u mb a n k ；s t i l l i n gb a s i n ；m o d e le x p e r i m e n t s ； h y d r a u l i cp r o p e r t i e s ；e n e r g yd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 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： 谈僦 日期： p 罗年争月日 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：谈4 | ；l 岛巍 躲淹 = ! 兰三= 笙竺二 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。、 学位论文作者签名：谈鸸巍 日期： 护7 年月多日 指导教师签名： 许蜥 喻呼牛月2 ，日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 小水电属于清洁能源，是我国实施可持续发展战略不可缺少的组成部分【l 】。近 年来，随着市场经济的不断深化和经济高速发展，投融资体制发生了根本变化， 原来由国家单一投资主体变成了投资主体的多元化，7 0 以上的小水电由民营企业 投资建设【2 1 。当前许多个体投资者，纷纷投资小水电，一个全民大办小水电的热潮 方兴未艾。于是如何在有限的地理位置和资金配置情况下，使整个小水电工程体 系更经济、更安全、并发挥其最大作用，是目前小水电科研项目的焦点问题【3 1 。 泄水建筑物是保证水电工程安全和充分发挥工程效益的关键，消能防冲是泄 水建筑物中最重要的水力学问题之一。对泄水建筑物消能防冲的要求是：安全、 经济地消散高速水流所含的部分或大部分动能，完成消能任务，并于较短的距离 内使消能工泄放的水流与下游水流获得妥善的衔接，同时满足安全泄洪和经济合 理的要求。1 4 j 目前研究的一些消能措施主要针对大型水电站消能问题，在设计时以安全为 最大目标，消能设施结构较复杂且资金占用量大。在小型水电站的消能问题上， 考虑到其资金投入小、安全系数要求不太高，可以在现有的消能方式上追求结构 简单、施工方便、但又能同时满足安全泄洪和经济合理性要求的消能方式。 由伯诺里( b e m o u u i ) 公式1 5 j ： z 1 j 旦j 口罩 z j 旦j 口堕jh 。 ( 1 1 ) p g2 9。p g2 9 在大坝上、下游水位一定的情况下，水流势能和压能的大小是固定的，要想 达到消能的目的，必然需要从改变水流的动能和水流横向能量分布的均匀程度上 考虑。本文提出：在原有消力池尾坎消能的基础上设置消力池中坎，将原有的一 次消能转变成二次消能，即多加一次水跃而产生的局部水头损失，在横向上对水 流的分布作出了均匀化的调整，从理论上是可行的。 在消力池中设置中坎，结构简单明了、施工方便易行，大大的节约了建筑资 金。在小型水电上，对新修建的消力池、或已建成的消力池均适用。故本文在此 将在模型试验的基础上，对小水电中坎消力池的水流特性、消能效率做出研究。 1 2 小水电资源概况 小水电属于清洁能源，是我国实施可持续发展战略不可缺少的组成部分。 2第一章绪论 所谓小水电是指容量为1 0 0 0 - 5 0 0 k w 的小型水电站：容量小于5 0 0 k w 的水电 站又称为农村小水电。 6 1 在2 0 世纪5 0 年代，我国一般称5 0 0 k w 以下的水电站为农村水电站；到6 0 年代，小水电站的容量界限扩大到3 0 0 0 k w ，并在一些地区出现了小型供电线路； 8 0 年代以后，随着以小水电为主的农村电气化计划的实施，小水电的建设规模迅 速扩大，小电站定义的容量界限也扩大到2 5 x 1 0 4 k w ；9 0 年代以后，国家计委、 水利部进一步明确：装机容量5 x 1 0 4 k w 以下的水电站均可视为小水电，并出现了 一些容量为几万至几十万千伏安的地方电网。【7 1 我国小水电资源十分丰富，分布广泛，全国3 0 多个省( 区市) 的1 6 0 0 多个 县都有农村水电资源，其中1 5 0 0 多个县开发了农村水电。 特别是2 0 0 1 年以来，党中央国务院把农村水电列为“建设期短、见效快、覆 盖千家万户，促进农村增收效果显著的农村中小型基础设施和公共设施”，要求“放 在更重要的位置，增加投资规模，充实建设内容，扩大建设范围”【8 】后，每年新 增小水电装机达2 5 0 x1 0 4 k w ，发展速度是上个世纪9 0 年代的3 - - , 4 倍，现已建成小 水电站5 万多座，总装机达到3 0 0 0 x 1 0 4 k w ，占全国水电总装机的3 6 ，占可再生 能源的9 9 以上，年发电量1 2 0 0 0 x 1 0 8 k w h 。农村水电增加值5 0 0 多亿元，利税近 百亿元，其中税收近5 0 亿元，农村小水电已成为当地经济发展的支柱产业。 9 1 小水电工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、 环境和生态等方面的综合影响甚小。小水电接近用户，输变电设备简单，线路输 电损耗小。这些优点使小水电在我国发展迅速，成为农村和边远山区发电的主力。 在工业发达国家，由于热电站造成的污染问题以及小水电站建造周期短和开 发成本低等优点，人们再次对小水电的开发产生兴趣。 i o l i l l 】【1 2 】 1 3 消能的研究应用现状 泄水建筑物在水利水电工程中占有非常重要的地位。在水利水电工程建设中， 泄水建筑物下游的消能防冲是直接关系到工程安危的复杂问题。当泄流流量较大 而佛氏数较低时，水流的消能率较低，研究表明利用水跃消能当佛氏数f 4 5 时， 消能率一般为2 0 0 o - 4 0 1 3 l 。由于消能工的消能率较低，大量的能量被水流携带到 下游，下游水流紊动剧烈，河床冲刷严重。为了增大消能率，减小水流对河床的 冲刷，现在的设计多在溢流坝下游增设一级甚至多级消力池来满足消能防冲要求。 消力池工程量大，工程造价较高，从个工程经济设计的角度来讲，使用消力池， 经济效果不佳l l 引。 低佛氏数水流消能中存在的另一个主要问题i l 副就是：消能工下游波浪较大。 第一章绪论 较大的波浪不仅淘刷岸坡、影响水电站的运转，而且还会恶化通航条件。如何削 减低佛氏数水流的水面波浪问题己经成为水力学研究中的重要问题。 在大单宽流量低佛氏数水流条件下运行的大坝，由于各种原因安全失事时有 发生，许多水利界人士在这方面的研究中做了大量的工作。低沸氏数水流的消能 主要有下面一些形式： 1 3 1 底流消能 表1 1 部分国内外采用底流消能的水电工程叫 t a b 1 1p a r to ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o nu s i n gt h eu n d e r s e te n e r g yd i s s i p a t i o n 序工程 国家 坝高设计流量最大单宽消力池：宽m x入池流建成 号名称( m )( m 3 s ) 流量( m 3 s ) 长m x 尾坎高m 速( m s ) 年份 萨扬舒平均：5 2 l 前苏联2 4 21 3 6 0 01 8 7 3 l1 2 x 1 4 2 x 1 9 1 9 8 0 申斯克最大：6 0 2 巴克拉印度 2 2 68 2 5 01 0 4 长1 2 8 0 2 1 9 6 3 3 德沃夏克 美国2 1 95 4 3 01 4 53 4 7 x 8 5 3 x 6 14 6 41 9 7 3 4 利贝美国 1 3 65 8 0 04 03 6 4 x 8 3 8 x 3 74 0 5 p i t 6美国5 5 82 2 5 66 7 318 6 x 3 3 51 5 21 9 6 5 6 安康中国 1 2 81 9 0 4 52 0 0 59 l 1 0 8 x 1 41 9 9 0 7 2 x12 0 x ( 4 9 ) 7 五强溪中国 8 5 84 9 3 2 01 8 5 31 9 9 7 高低坎 3 0 1 8 02 9 910 8 x 2 2 8 x 2 5 8 向家坝 中国1 6 22 0 0 7 1 8 5 0 03 3 1 ( 分两池) 底流消能【l7 1 亦即水跃消能，这是最古老也是较成熟的一种低佛氏水流的消能 措施，其主要消能工为消力池。当高速水流沿底壁进入消力池后，受到尾水的顶 托，使流态突变而形成水跃，通过巨大的紊动作用使巨大的有害动能转化为热能 和位能，从而达到消能的目的。 为了防止水流的冲刷破坏，一般消力池的护坦要求做得很厚，护固段要求做 得很长，很不经济。为了克服低佛氏数水流的波动，增强消能效果，就在消力池 或护坦上加设各种辅助消能工或改良消力池的形态，这也是近年来底流消能研究 的一个方向【j ，也取得了一定的成果，具体成果简述如下： 最常用的一种辅助消能工是消力墩( 齿) ，就是在消力池中修建两排间错的消 力墩( 齿) 或在溢流坝的陡脚处加设差动式齿墩或趾墩。美国垦务局推荐的u s b r - i 型消力池就是将以上两种辅助消能工综合起来使用【1 9 1 。 4 第一章绪论 将普通的消力池改良为戽式消力池【2 0 】。戽式消力池利用戽斗加入了水体的 漩滚，增加了消能率，同时也减小了池长。戽式消力池已经在我国的宝鸡峡等水 电站使用【z o l 。 t 型墩消力池。t 型墩消力池是在传统的平底消力池内加设与尾坎相连的t 型墩而成。研究和应用表明：t 型墩消力池与传统的消力池相比可以缩短消力池长 度5 5 - - 8 0 左右【2 l j ，减少工程量5 0 0 0 , - 7 0 左右。为了防止t 型墩的空蚀破坏， 田嘉宁等人又提出将t 型墩的墩角修圆【2 2 1 。 ( a ) 水流流态图( b ) t 型墩平面图( c ) t 型墩立视图 图1 1t 形墩的布置及水流形态图 f i g 1 1t h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n dt h ef l o wp a t t e mo f tt y p eb a r r i e rs t i l l i n gb a s i n 拱网消力池。拱网消力池就是将拱网板这种特殊的结构形式使用到消力池 上，以改善下游流态、提高消能率。与传统的消力池相比拱网消力池可以缩短池 长5 0 ，减小池深3 0 左右【2 3 1 。 图1 2 拱网消能工的布置及水流形态图 f i g 1 2t h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n dt h ef l o wp a t t e r no ft h ea r c hn e te n e r g yd i s s i p a t o r 此外还有消力梁式消力池、双厢式洲t 2 4 1 t 2 5 11 2 6 1 等，但是由于成本或技术 等原因没有得到进一步的研究和应用。 1 3 2 面流消能 面流消能【27 】是利用设置在溢流坝末端的垂直鼻坎，将下游下泄水流导至下游 水面，通过底部漩滚和面部漩滚的作用，使射流逐渐扩散，借此消能。由于主流 流速在一定的范围内集中于面层，所以对下游河床冲刷较轻。与底流消能相比【2 引， 面流消能所需要的鼻坎结构简单，施工方便，工程量大为节省且利于漂木、排冰。 自6 0 年代以来我国因地制宜修了2 0 余座以面流消能为主的大坝，西津水电站1 2 9 是我国最早的采用面流消能的大型工程，面流消能的主要问题【3 0 】是下游水面波浪 第一章绪论 较大，对岸坡的稳定及通航不利。近年来由于戽式消能等其它消能形式的发展， 面流消能的研究、应用已经不多。 1 3 3 戽流消能 戽流消能【3 1 】 3 2 】可以说是面流消能的一种极限情况，它是利用一定的反弧半径 和较大的鼻坎挑角所成的戽斗，在下游尾水淹没鼻坎的条件下，使入池高速水流 在戽斗内产生强烈的表面滚动并通过涌浪和底部漩滚的相互作用，即“三滚一浪” 消能。与面流消能相比戽流消能的消能率有了一定的提高【3 引。这种消能工最早应 用于美国的大苦力坝瞰j ，石泉水电站是我国最早使用戽流消能的大型工程1 3 5 】。 在我国的工程实践中，经常会遇到上下游的水位差相对不大，而流量及尾水 的变幅较大。如采用底流消能则开挖量和混凝土的用量较大【3 6 】；如采用面流消能， 则中小流量尾水浅，不足以形成面流；若采用高鼻坎，则大流量尾水较高，挑距 较近，不利于工程的安全。综合工程造价和安全运用两个方面的要求，我国发展 了一种低鼻坎消能工，即将鼻坎反弧的最低点设置在接近河床高程上，利用较高 的鼻坎和较大的挑角构成消能工【3 ，这种消能工适应性相对加强。 1 3 4 分流消能 图1 3 格栅的布置及水流形态图 f i g 1 3t h es t m c t a la r r a n g e m e n ta n dt h ef l o wp a t t e mo ft h eg r i dd i s s i p a t i o n 分流消斛3 8 】 3 9 1 就是将来流在坝面上或在消能工的出口处分成若干股，以减小 水流能量的集中，加强出流的漩滚。此种消能方式所采用的消能工通常为【4 0 】分流 墙、分流墩、格栅及梳齿板消能工等。吉林敦化官地水库采用了格栅式消能工， 消能效果良好【4 1 1 。 1 3 5 新型消能工的发展 随着水利水电工程建设的发展，大量高速水流消能防冲的科学试验研究成果 被用于工程实践，从而使过去的单一消能工模式，向多种消能工模式及内消能工 6第一章绪论 模式发展。在新技术的研究上，提出利用宽尾墩、大差动高窄缝挑坎、掺气墩、 分流墩等新型消能工，使水流纵向、竖向扩散，错开水舌落点和水舌碰撞，成功 地解决了许多大型工程的泄洪消能问题，已取得了良好的效果，现举例说明如下： 收缩式消能工 宽尾墩消能工 宽尾墩消能- - - 4 2 1 是我国首创的一种新型消能工，它是用直线或曲线将溢流坝 闸墩的尾部加宽，使得下泄水流在溢流面收缩形成窄缝式射流。目的是使坝面溢 流沿横向收缩，使坝面水深增加2 3 倍甚至更大，增大坝面水流掺气量，从而达 到消能效果。 挑流式：如潘家口、隔河岩】等；底流式、戽流式：广泛用于中高水头、大单 宽流量、低佛氏数水流的消能，如安康、岩滩、五强溪等；台阶式：水东、大朝 山、索风营等。 坶 ( a ) 水流流态图( b ) 剖面图( c ) 立视图 图1 4 宽尾墩+ 戽式池的布置及水流形态图 f i g 1 4t h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n dt h ef l o wp a t t e mo ff l a r i n gp i e r + b u c k e t - t y p es t i l l i n gb a s i n 窄缝挑坎 窄缝挑坎【删适合于中高水头工程，特别适合于狭窄河谷。窄缝挑坎既可用于 岸边溢洪道、泄洪洞、也可用于坝身表孔和深孔( 底孔) 。它与宽尾墩的界限已不明 确。 国内已采用和拟采用窄缝挑坎的工程有：东江、东风、龙羊峡、拉西瓦等工 程。 扩散式消能工 单孔扩散 单孔扩散主要是通过挑坎体型的变化达到水舌的扩散并射入河床适当的区 域。常用的体型有：斜切式挑坎及舌型挑坎：如鲁布革、东江、天生桥一级；短 边墙扩散挑坎：如安康。 大差动高低坎 这种布置实质上是变化挑坎的挑角、高程、体型，或采用不同的形式使各部 第一章绪论7 分射流在下游河床的跌落点分散，借以最大限度增加下泄水流的入水面积。国内 白山水电站、漫湾水电站均采用了大差动挑坎，乌江渡水电站泄洪建筑物局部采 用了大差动布置【4 5 1 。 高坝挑跌流水垫塘消能型式 根据“分散出流、水流撞击”的消能防冲设计原则，分层出流、上下差动， 水流撞击，使射流水股在入水处纵向尽可能拉开和分散，减轻射流对水垫塘底部 的冲刷破坏能力。根据表深孔的布置型式，高拱坝的泄洪消能方式主要有以下四 种型式： 挑跌流水垫塘消能方式，二滩水电站首先采用此种消能布置方案，科学实验 表明：这是一种既安全又经济的泄洪消能方案，已成为高拱坝泄洪消能的一种典 范，我国即将兴建的小湾、构皮滩、溪络渡均采用此消能布置； 底跌流水垫塘消能型式； 面跌流水垫塘消能型式； 多层水股射流式水垫塘消能型式。 掺气分流墩 掺气分流】设施由水平掺气坎、侧墙挑坎和高出水面的分流墩三部分组成， 其作用是整体水流分散成多股水舌，并使各股水舌竖向及纵向扩散、碰撞、碎裂、 掺气，以增进掺气减蚀和消能效果。 陕西机械学院水科所于7 0 年代开始研究，并用于拓林泄洪洞消力池的改建中 ( 因原建趾械消力池发生空蚀) ，建成后又经1 9 8 3 年及1 9 8 4 年超高水位的考验，同 年进行了原型观测，证实掺气减蚀及消能效果好。 图1 5 掺气分流墩的布置及水流形态图 f i g 1 5t h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n dt h ef l o wp a t t e r no ft h ea e r a t i o nt u n 1 4 消力池设计注意的问题 1 4 1 经济性原则 据统计，消能防冲设施费用在泄水建筑物中占4 0 - 5 0 ，因此消能防冲问题 第一章绪论 无论从技术上还是经济上来讲都是非常重要的，赵慧琴【4 7 1 认为：低佛氏数水跃消 力池宜长不宜短，有明显漩滚时，消力池长约为( 1 1 3 ) l ，在波状水跃区池长约为 ( 2 3 ) l ，l 为自由水跃长度。池长的增加造成了工程造价的增加。因此，探索解决 低佛氏数消能的新途径很有必要。 1 4 2 低佛氏数水跃消能 底流消能是通过水跃完成的，当入流佛氏数大于4 5 时，为稳定水跃，消能效 率较高，跃后平静；但大多中小型水闸和跌水工程一般跃前佛氏数丹4 5 ，属于 底佛氏数水跃，其水跃漩滚不充分，消能率低，时均消能效率一般为2 0 - - - 4 0 ， 跃后余能大，且流速分布不均匀，底部流速较大，对下游冲刷严重。 当2 5 乃4 5 时，为颤动水跃，水跃末端产生表面波浪且波动大并向下游 传播，对两岸产生危害；当f r 2 5 时，在消力池中形成不完整水跃，消能效率低， 一般小于2 0 ；特别在l 丹1 7 时为波状水跃，无漩滚，消能效率很低，并形 成水面波对下游河道造成冲刷威胁。 如沐河大官庄枢纽节制闸因入池水流的f r - 号念纨 05 01 0 01 5 0 2 0 0 平距c o ( b ) 有中坎 图4 4 出池水流均方值紊动能 f i g 4 4t h em e a ns q u a r ev a l u eo f t u r b u l e n to f o u tp o o lw a t e r 从图中可见，在未设置消力池中坎时，出池水流的均方值紊动能很大且横断 面上分布不均，i 加设消力池中坎后，出池水流的均方值紊动能减少了近1 0 0 倍， 且分布均匀。但均方值稳定能的大小与来流条件无明显关系。 4 3 出池水流的底流速分布系数 表4 1 给出了消力池在有、无消力池中坎时，出池水流各断面的底流速对比 表，由表中我们可以看出消力池无中坎时底流速要比有中坎时大上2 2 3 5 5 6 倍。 可见无中坎时，消力池的单次水跃消能对河床冲刷很大。 水流的底流速与断面平均流速的比值定义为底流速分布系数，它表明了底流 速在整个断面流速中所占的比例，反映了底流速的相对大小，在知道流速的大略 分布情形后也可以简介地表征流速的均匀化程度。底流速分布系数肛由定义得： 一 1 1 口 “眵，口 二甜，吐 ( 4 3 ) u i ；a 2 l 0 1 2 毗 帆 咖 叭 薹 o o o o o 盏箍臀懈靼椒露 第四章中坎消力池的出池水流水力特性 表4 1 底流速分布表 t a b 4 1t h ev e l o c i t yd a t ea b o u tt h ed i s t r i b u t i o n ( 弘) o fc u r r e n t sv e l o c i t yi nt h eb o f f o m 断面号 底流流速c m s 0 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 5 00 0 0 + 1 0 00 0 0 + 2 0 00 0 0 + 3 0 0 0 0 0 + 4 0 0 有坎 7 3 35 8 65 1 74 3 24 1 33 8 6 1 5 3 无坎 8 1 46 9 85 9 75 4 65 1 34 8 6 有坎 7 9 87 2 36 7 46 1 05 4 35 2 9 f r2 7 l 无坎 1 1 3 31 0 5 6 8 1 9 7 5 36 9 76 5 2 有坎 8 。2 37 7 6 7 1 3 6 7 76 2 】5 7 9 3 8 0 无坎1 4 0 41 2 7 19 6 78 9 38 1 67 8 4 注：表中为各横断面中心点数据处。 “雇为横断面中心点处垂直断面的底部流速( m s ) ，因本试验采用五点法进行 测量，故取最底一个点近似为底流速值； u 为横断面中心点处垂直断面上的平均流速( r 毗) ； n 为对该点垂直断面进行等分的份数。为了提高积分计算的精确度，先将垂 线上的各个测点的时均流速实测值用光滑的曲线连接，然后对每跟垂线进行2 0 等分( 即，l 2 0 ) ，进行积分求和运算： ，形，h 为下游水深( m ) ； 玑为从底往表面计算，第f 个分点上的水流时均流速( m s ) 。 l 簟1 2 懈 姜1 0 警 世0 8 0 6 f r , q j 2育坎_ 无坎+盹7 i有坎- 无坎- 弋 吣一 i j _12 螺 姜1 0 群 茬 0 6 i 嚣2 姜1 0 基们 0 6 、 v h 。釜飞 h 1 3 柏 有坟- - o - - 无坟- 。弋 ： 1量 荤晕晕荤 摹 丧耋誊罾警善童 图4 5 底流流速分布系数的变化规律图 f i g 4 5 t h ev a r i a t i o n a lr u l eo fm o d u l u sa b o u t ( p ) t h ed i s t r i b u t i o no fc u r r e n t sv e l o c i t yi nt h eb o r o m 第四章中坎消力池的出池水流水力特性3 7 由实验资料分析得：加设消力池中坎后，乃为1 3 2 时底流速分布系数的差别 不大；当丹为2 7 1 和3 8 0 时，加设消力池中坎的底流速分布系数，在较短的下 游距离内，较快的趋于l 以下的值。即加设了消力池中坎后，出池水流的底流占 的比例更小，对河床的冲刷也就很小。 4 4 出池水流流速的动能修正系数 动能修正系数口反映了水流流速沿断面分布的均匀程度， 不均匀，口值趋近于l 代表流速在垂线上趋于均匀。 1开 口 击；甜? q h ul a 口越大流速分布越 ( 4 4 ) 式中符号的定义同前。 由图4 6 中资料可知，加设中坎前出池水流由均大于1 逐渐趋于l ，距离消力 池尾坎越近口减小的幅度越大，说明距离消力池尾坎越近，水流流速分布越不均 匀，断面流速在空间急剧改组，流速梯度越大，水流剪切混掺作用越激烈。在加 设消力池中坎后，尾坎后的水流口值明显减小，即出池水流趋于平稳化，且加设 中坎后出池水流的口值更快的趋于1 。 表4 2 动能修正系数表 t a b 4 2t h ev e l o c i t yd a t ef o rm o d u l u s ( 口) a b o u tk i n e t i ce n e r g y sm o d i f i c a t i o n 断面号 流速c m s 0 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 5 0o o o + 1 0 00 0 0 + 2 0 00 0 0 + 3 0 00 0 0 + 4 0 00 0 0 + 0 5 0 有坎6 7 85 9 05 1 74 4 64 3 24 0 83 8 6 l - 3 2 无坎 8 1 46 9 85 9 75 6 35 4 65 1 34 8 6 有坎 7 9 87 2 36 7 46 2 46 1 05 4 35 2 6 f r 2 7 1 无坎 1 1 3 31 0 5 68 1 97 7 57 5 36 9 76 5 2 有坎8 2 3 7 7 67 1 36 8 l6 7 76 2 l5 7 9 3 8 0 无坎1 4 0 41 2 7 19 6 79 2 58 9 38 1 67 8 4 注：表中为各横断面中心点数据处。 1 加 1 1 5 摄 l 蛭1 1 0 目 薹1 0 5 臀 l 肿 玑 r 巾1 3 2有发- 无坎- f 啦7 1有坎- 无坟十 、 | 8l 、 。、0 3 ， l j o i 脚 盏i 椰 幽 耋l 珈 稃 l 肿 n k | ， 第四章中坎消力池的出池水流水力特性 i 4 l 二 盏 是1 0 皇 摇 0 6 f m 3 舯育城- 无坎- o = 卜 量摹蕈蕈荤荤 丧 室 罾 茗 誊菪 图4 6 动能修正系数a 的变化规律图 f i g 4 6 t h ev a r i a t i o n a lr u l eo fm o d u l u s ( o c ) a b o u tk i n e t i ce n e r g y sm o d i f i c a t i o n 4 5 出池水流的重心指数 表4 3 出池水流的重心指数 f i g 4 3t h ev e l o c i t yd a t ef o ri n d e x ( ) a b o u tt h ec e n t e ro ft h ec u r r e n t sg r a v i t y 断面号 重心指数 0 0 0 + 0 0 5 0 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 0 50 0 0 + 0 0 5 0 0 0 + 0 0 5 有坎1 0 21 0 61 0 91 0 81 0 71 0 41 0 2 1 5 3 无坎 0 9 51 0 31 0 41 0 21 0 l1 0 l1 0 l 有坎 1 1 71 1 21 0 81 0 51 0 41 0 21 0 2 f r2 7 l 无坎 0 8 7o 9 3o 9 80 9 91 0 21 0 11 0 1 有坎 1 3 71 2 41 1 51 1 01 0 71 0 71 0 7 3 8 0 无坎 0 5 9o 8 90 9 30 9 4o 9 51 0 01 0 l 注：表中为各横断面中心点数据处。 定义水流重心指数为水流重心所占的位置与水流流速在垂线上到达正常时 的水流重心位置h 2 处的比值，因此亦是一个无纲量。水流重心指数c o 反映了 水流的重心位置，叵1 时流速分布呈矩形均匀流速分布，水流重心位于h 2 处； t 、l 时水流重心偏下，主流靠近底部，对河床不利；迈1 时水流重心偏上，主 流位于水流上部，水流对河床冲刷较轻。 赢；a u i e “5 式中：z 向r 二办，i 适1 、2 5 ； u 、u 。、h 、的意义同前。 第四章中坎消力池的出池水流水力特性 3 9 f r - 1 3 2戢十磁- - o -f r l 2 7 1有坎+ 戢+ i 曩1 2 舞 童 * n 。 。 、。? ：。 呐有敏+ 无坎+ 、_ 一 一 广， 。 薹 薹l耋薹薹l 图4 7 水流重心指数的变化规律图 f i g 4 7 t h ev a r i a t i o n a lr u l eo fi n d e x ( 0 3 ) a b o u tt h ec e n t e ro f t h ec u r r e n t sg r a v i t y 消力池无中坎时，水流重心指数0 3 由小于1 的值随距离的增长渐渐向大于1 的值转变。这说明利用单次尾坎处水跃消能时，在较大的范围内水流的主流位于 底部区域，底流流速较大，对河床的危害较大。故在消力池中加设消力池中坎消 能效果好，水流流速在较短的距离内即可到达正常分布。 综上，图4 5 、4 6 、4 7 分别给出了消力池有、无消力池中坎时，出池后若干 断面的流速参数、口、0 3 的对比。 由图中可知：消力池加设中坎后，底流流速分布系数f 上t - 1 ，主流位于水流的 上部区域，随着距离的增长肛值得变大，但是这并不意味着底流流速在变大，而 使水流的流速在不断均匀化，底流流速任然很小。 消力池在无中坎时，距离尾坎越近值越大，一倍水跃长度( 简记l ，) 距离 之后的0 5 l ，的范围内，底流速分布系数大于1 ，这表明在这个部分区域内水 流的主流任然位于水流的底部，对河床冲刷较大。动能修正系数口：消力池加设 中坎时要小于无中坎时的情况，距离越接近尾坎，口减小的幅度越大，这说明利 用尾坎单次水跃消能时断面上的流速分布很不均匀，在一倍水跃长度距离之后的 o 5 l 三，的范围内，水流仍有较大的紊动。 加设中坎消能后，一倍水跃长度距离之后的口值就已经较趋近于1 ，即水流 流速很快就可以达到正常分布状态了，这也进一步说明了消力池中坎消能的效果 要优与利用尾坎单次水跃消能的情况。 第四章中坎消力池的出池水流水力特性 由对a ，c o 的对比图可以明显地看到：在乃1 3 2 时，消力池在无中坎的情 况下需要经过1 6 0 c m 的距离流速才可以达到正常分布。消力池加设中坎消能时， 水流重心指数0 3 的值全部大于1 ，这说明水流的主流一直位于水流的上部，底流 流速较小，对河床的冲刷较轻。 4 6 本章小结 受实验设计的影响，消力池出池水流在0 0 0 + 0 5 0 断面的水槽的两岸侧有较小 的回流，左岸的流速略比右岸大；随着水流的下泄，回流消失，在横断面方向水 流的总流速流向逐渐趋于均匀化。 在未设置消力池中坎时，出池水流0 0 + 0 0 5 断面的均方值紊动能很大且横断 面上分布不均：加设消力池中坎后，出池水流的均方值紊动能减少了近1 0 0 倍， 且分布均匀，有利于水流稳定。 在乃为1 3 2 时，是否加设中坎的底流速分布系数的差别不大：当乃为2 7 l 和3 8 0 时，加设了消力池中坎后，出池水流的底流占的比例更小，对河床的冲刷 也就跟小。 在加设消力池中坎后，出池水流的动能修正系数口值明显减小，说明出池水 流趋于平稳化，且加设中坎后出池水流的口值更快的趋于1 。 消力池加设中坎后，出池水流的重心指数由小于1 的值随距离的增长渐渐 向大于l 的值转变，即水流主流上移，减少对下游的冲刷。 第五章中坎消力池的消能特性4 1 第五章中坎消力池的消能特性 从流体力学的一般原理出发，水头损失的根本原因是水流内部粘滞性的存在。 实际工程中的水流大多为紊流，所谓紊流实际上就是一系列各种尺度的漩涡从时 均运动中获得能量。这种大尺度的漩涡在运动中不断分裂和破碎，把能量逐渐传 递给小的漩涡，最终变成分子的热运动而将其动能转化为热能散发在空中，即为 工程界所说的消能。 底流消能，也称水跃消能，是利用水跃进行流态转变及消杀能量的一种消能 形式。促成水跃消能和流态转变的消能工，称为消力池，其特点是射流临底，底 部水流流速很高，且沿下游不断降低，而在水流表面则表现为水跃漩滚，水流大 量掺气。底流消能一般运用于中小型工程，即适用于本文所述的小水电工程消能。 5 1 水跃的基本流态 水跃是自然界中存在的一种水流从急流过渡到缓流的水面突然跃起的局部水 力现象，是底流消能的基础。 对于平底、无辅助消能设施的二维自由水跃，其流态随跃首断面佛劳德数而 改变凡 v l ；百而改变，式中h 为跃首断面的平均流速，啊为跃首断面的平均 水深。如图5 1 所示，随着n 的不同，水跃可划分为以下四种基本形式： ( a ) 弱水跃凡 1 7 2 5( b ) 颤动水跃凡 2 5 4 5 7 7 _ 7 7 7 _ 7 7 7 7 _ 7 7 7 。7 7 7 7 _ 7 7 77 丁7 7 r ：7 _ 7 7 丁7 7 7 7 _ 7 7 7 _ 7 。7 7 ( c ) 稳定水跃凡 4 5 9( d ) 强水跃凡 9 图5 1 水跃的基本形式 f i g 5 1t h eb a s i cf o r mo fh y d r a u l i cj u m p ( 1 ) 弱水跃。相应于凡 1 7 2 5 ，水跃跃后水深约为跃前水深的2 3 倍， 流速分布较为均匀，通过水跃仅能消散来流能量的5 * , - - - 1 8 ，因此消能效率不高。 ( 2 ) 颤动水跃。相应于