（环境科学专业论文）防掺气泄水建筑物消能设施水力特性的试验研究.pdf

太原理l = 人学硕十研究生学位论文 e x p e r i m e n l a i ，r e s e a r c ho nh y d r a u u c c h a ra c t e r i s t i c so fr e l e a s ew o r k su s e df o r p r e v e n t i n ga e r i f i c a t i o nan dd i m i n i s h i n ge n e r g y a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fe n e r g yd i s s i p a t i o na n dw a t e rd i s c h a r g i n gt h r o u g ht h e r e l e a s ew o r k so fr e s e r v o i r sa n de l e c t r i cs t a t i o n ，t h es t e e ls t r u c t u r eo fw o r k s h o p s a n de l e c t r i ca c c e s s o r yi nt h eo p e na i ra r ee a s yt or u s tb e c a u s eo ft h ew a t e r v a p o r a n df o gm a d eb yw a t e r sa e r i f i c a t i o na n dc o l l i s i o n a tt h es a m et i m e ，w a t e r s a e r i f i c a t i o na n dc o l l i s i o nw i l ll e a dt ot h ea p p e a r a n c eo fg r e a tq u a n t i t yo ff o a m w h i c hf l o a te v e r y w h e r ea n di sr e g a r d e da sak w , do fv i s u a l p o l l u t i o n t os o l v et h ep r o b l e m ，o nt h eb a s i so f g r e a ta n dd e e pr e s e a r c h e si nc o r r e l a t i v e f i e l d s ，t h ep a p e rb r i n g su ps e v e r a lk i n d so ff a c i l i t i e su s e df o rp r e v e n t i n g a e r i f i c a t i o na n dd i m i n i s h i n gw a t e r se n e r g y n o to n l yh a v et h ed e s i g n i n gt h e o r y a n dt h es p e c i f i cd e s i g n i n gm e t h o d sb e e nd e t a i l e d l yi n t r o d u c e d ，b u ta l s ot h e s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t sh a v e b e e nm a d et oe x a m i n et h ef a c i l i t i e s a b i l i t yt op r e v e n t a e r f i c a t i o na n dd i m i n i s hw a t e r se n e r g y t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do nu n d e rf o u rw o r kc o n d i t i o n s u n d e re a c h c o n d i t i o n ，f l u x ，w a t e rl e v e l a n dp r e s s u r e i n t e n s i t yh a v eb e e nm e a s u r e d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c sm e a s u r e df r o mt h ee x p e r i m e n t ，f l u xc o e f f i c i e n ta n dt h e r a t eo fe n e r g yd i s s i p a t i o nh a v eb e e nc a l c u l a t e d t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n b e t w e e nt h e mh a v eb e e nm a d e b yp o u r i n gs o m es c o u ri n t ot h ew a t e rt oi m i t a t e f o a m sp r o d u c t i o ni nr e a lp r o j e c t ，t h ef a c i l i t i e s a b i l i t yt op r e v e n tf o a m s p r o d u c t i o nh a v eb e e ne x a m i n e da n dc o m p a r e d t h ef a c i l i t i e su s e df o rp r e v e n t i n ga e r i f i c a t i o na n dd i m i n i s h i n gw a t e r se n e r g yp o s s e sg o o d v a l u eo fr e f e r e n c ef o rp r a c t i c a lp r o j e c t ，a n dt h er e s e a r c h e sa b o u th y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v e s o m ea c a d e m i cs i g n i f i c a n c e 3 太原理r 人学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：w a t e r v a p o r , f o g ，f o a m ，p r e v e n t i n ga e r i f i c a t i o n ， d i m i n i s h i n ge n e r g y , f a c i l i t i e s u s e df o r p r e v e n t i n g a e r i f i c a t i o na n d d i m i n i s h i n ge n e r g y 4 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下。 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽垫 日期： 麴垒2 ：二! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 导师签名： 日期：竺：! ：f ：乡 太原理l 大学硕十研究生学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 电站、水库的水工泄水建筑物在泄水和消能的过程中，由于水体剧烈掺气而产生大 量的水汽和水雾，这些水汽和水雾随风飘散，将周围的厂区建筑及设备笼罩于其中，久 而久之，必然会导致厂房钢结构和露天电气设备的腐蚀。尤其是对于一些滨海而建的电 站，含盐的水汽和水雾的腐蚀性能要远远大于普通的水汽和水雾。而受水汽和水雾腐蚀 的不仅仅是厂房的钢结构和一些露天的电气设备，大量的试验和研究发现，耐久性很强 的钢筋混凝土结构也同样存在被腐蚀的情况。尤其是当水汽中含有盐分时，其中的氯离 子不断地对混凝土进行渗透而最终对钢筋造成严重的腐蚀。除此之外，由于水质的原因， 水体掺气后很容易形成大量的泡沫。尤其对于掺气的海水，由于其复杂的成分使得产生 的泡沫混浊且不易破散，这些泡沫随着水流四处漂流，造成严重的视觉污染，对环境产 生不利影响。 由此看来，对于泄水建筑物的消能设施，在注重消能效果的同时，有必要对如何防 止水库、电站在泄水过程中产生水汽、水雾和泡沫进行科学研究。水汽、水雾和泡沫是 水体在下泄和消能过程中与空气大量的掺混而造成的。由此，寻求一种防止掺气的消能 设施应该是解决上述问题的有效途径。 1 2 泄水建筑物的消能方式综述及发展趋势 目前，国内、外对于泄水建筑物在防止掺气方面的研究还比较少，相关的技术经验 和文献资料比较匮乏。相比较而言，关于消能技术及其革新发展的相关介绍和论述还是 比较丰富的。 1 2 1 传统消能工 1 2 1 1 挑流消能工 挑流消能一般适用于尾水偏低但基岩条件较好的工程，其特点是在泄水建筑物的末 太原理工大学硕士研究量学位论文 端利用鼻坎将泄出的高速水流挑离建筑物较远的下游，使水流的能量在空中和下游水垫 中消耗。模型试验与原型观测成果表明，水流挑离挑坎后，在空中作抛射运动，并通过 掺气、扩散及水质点相互碰撞在空中消耗部分能量。射流进入下游水颦后，随尾水深浅 的不同产生不同程度的舒张变形，一般在射流内、外缘均形成程度不同的旋滚。由于水 流的大部分能量要在射流区附近消除，由此导致冲刷坑形成并持续发展，直到冲刷坑达 到一定的深度后，由于坑内水深增加，好像一层水垫，能对河床起保护作用，使河床不 致被继续破坏。 挑流消能的关键在于挑流鼻坎的体型选择。挑流鼻坎的体型主要有连续坎、扩散坎、 差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎、分流墩和宽尾墩等。 a 、连续坎。也叫实体坎，结构简单，易于避免发生空蚀破坏，急流在挑离鼻坎前 可获得均化，水流雾化也轻。适用于尾水较深、基岩较为均一、坚硬及溢流前沿较长的 泄水建筑物。 b 、扩散坎。工程中，对于宽度相对较小的泄水孔和泄洪洞，适宜于采用扩散坎。 c 、差动坎。是齿槽相间的挑坎。射流挑离鼻坎时上下分散，在空中的扩散作用充 分，可以使下游的局部冲刷减轻，但齿的棱线和侧面易遭受高速绕流的空蚀破坏。为防 止齿的空蚀破坏，齿坎应设置通气孔。 d 、斜挑坎。适用于宽度相对较小的泄水孔和岸边泄水建筑物。 e 、扭曲坎。它对于峡谷区高坝的泄水孔和岸边泄水建筑物适应性较好。 f 、高低坎。坎间商差较大，泄放的水流由高坎和抵坎挑射。常用于混凝土坝的表 孔、中孔和底孔。 g 、窄缝坎。适用于峡谷区的高坝泄水建筑物。 h 、分流墩。适用于多孔泄水建筑物总宽度较大、水流弗劳德数较低不宜采用窄缝 坎的情况。 i 、宽尾墩。将闸墩末端拓宽成鱼尾状，从侧面对射流进行导向，促进急流冲击波在 墩尾交汇，减轻对下游的局部冲刷。 其中连续式挑流鼻坎剖面形态均一，采用一种挑角，体形简单，施工方便，早期为 大多数采用挑流消能型式的水利水电工程所采用。差动式挑流鼻坎由两种挑角的一系列 高坎与低坎相间布置所构成( 常规的为矩形，也有改进为梯形的) ，也称作齿槽式挑坎【2 】， 同连续式挑坎相比，水舌离开差动式鼻坎时上、下分散，能够加大水舌与空气的接触面 积、增强紊动、掺气和扩散，提高消能效果，进一步减小冲刷坑深度。其缺点是在高速 2 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 水流作用下较易发生空蚀，特别是矩形差动式侧面更容易产生气蚀。 由于挑流消能工的结构简单、施工方便和工程量省，绝大部分的泄洪建筑物多采用 挑流消能。据文献【1 l 统计，在国内外已建成的坝高大于7 0 米的泄洪枢纽工程中，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 消能方式。 1 。2 1 2 底流消能工 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或水跃消能塘，其特点是射流临底，底部水 流流速很高，且沿下游不断降低，而水流表面则表现为水跃漩滚，水流大量掺气。底流 消能可适用于高、中、低水头，大、中、小流量的各类泄水建筑物，对地质条件要求较 低，对尾水变幅的适应性也较好。然而消能塘底需修建护坦，两侧需做边墙，有时塘后 还需做翼墙，以保障出塘水流的均匀扩散和与下游水流的平顺衔接，且在软基上的塘后 段还需设抛石海漫和防冲齿槽等，因此相对而言底流消能是一种耗费较大的消能设施。 基于上述原因，底流消能工多用于中、低水头的水力水电工程中，尤其是地质条件 较差( 岩石抗冲刷能力低或为软基) 时应用较为普遍。高水头、大单宽流量的泄水建筑物 应用底流消能的较为少见。随着泄水建筑物的泄流流量不断增大，泄洪工程的水头不断 增大，采用底流消能的泄水建筑物越来越少。据统训3 1 ，国外4 0 3 座坝高大于l o o m 的 枢纽，采用底流消能的只有2 5 座，其中2 0 0 m 以上的高坝只有4 座。前苏联的萨扬舒申 斯克，坝高2 4 2 m ，是世界上采用底流消能最高的大坝。 1 2 1 3 面流( 戽流) 消能工 面流( 戽流) 消能也是坝下消能的基本形式，但其实用不如底流消能与挑流消能广。 面流( 戽流) 消能是利用设置在溢流坎末端的跌坎，将溢流坎顶下泄的高速射流导入下 游水流的表面，并在跌坎附近的表面主流与河床之间形成旋滚，该旋滚将高速水流与河 床隔丌。这样，一方面通过旋滚消耗余能，另一方面高速水流不直接接触河床，达到消 能防冲的目的。 总体来讲面流( 戽流) 消能方式使用的条件较底流、挑流消能苛刻，主要有：下游 尾水水深略大于水跃消能的第二共扼水深，且水位变幅不大：单宽流量可较大，但上下 3 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 游水位差不大；下游较长距离内对波浪的限制不严；岸坡稳定性和抗冲能力较好；坝址 附近河床筱盖层清除量或其他清渣量较小。将这些条件具体化，即丰水河流上、岩基、 中低水头弗汝德数且下游通航要求不高者，才可考虑采用面流( 戽流) 消能。 面流( 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。其中面流( 戽流) 消能对排冰、漂木过坝具有良好性能。它比底流 消能简单、经济。面流( 戽流) 消能工的工程量一般介于挑流与底流消能工之间，但对 下游河床局部冲刷是几种消能工中最突出的。 面流( 戽流) 消能，均需在坝趾设置垂直的鼻坎，坎顶高程低于下游尾水位。面 流( 戽流) 消能的鼻坎高度要稍高些，坎顶挑角要小，使坎顶的射流与下游的尾水在表 面处相衔接，通过较长距离内主流水股的扩散与坎下游底部横轴漩滚的有机结合而消 能，虽然消能率低，但由于高速水流集中于面层，所以减轻了对下游河床的冲刷。序流 消能要求在坝趾处设一大半径的反弧段，形成一个廊斗，末端设一较高和挑角较大( 常 采用4 5 0 ) 的鼻坎，使其出现稳定而强烈的“三滚一浪”流态 4 1 ，及在序内产生逆时针的 漩滚，出廊后的主流形成一个涌浪，在主流下面，消力廊鼻坎下游形成一个顺时针的漩 滚，在涌浪后的尾水段上也形成一个漩滚，使水流在剧烈的漩滚和冲击中消能。在合适 的条件下，消力库是一种有效和经济的消能方式，有逐渐取代面流( 戽流) 的趋势。 面流( 戽流) 消能的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。如石泉电站为库流消能，距县城于余米，泄洪 使沿岸波浪很高，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库面和相邻边 墙以及淘蚀基础等问题。如龚咀溢流坝的纯面流消能，在表面流速3 0 m s 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。石泉消力扉和西津面流消能，也有廊勺内磨损和淘蚀基础 的问题。这些问题都是通过原型观测及时发现而得到处理的。 目前采用面流( 戽流) 消能，尚缺乏成熟的计算方法，一般都依赖模型试验来确定 工程布置与尺寸。但在某些情况下，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。 4 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 1 2 2 新型消能工 随着科学技术的日益进步，试验手段的增加，消能工的研究也取得了极大进展，在 水利工程建设中涌现了大量新型的消能工，这些新型消能工的应用，使得消能防冲技术 得到了很大提高，大大提高了消能效率，节约了大量的工程投资。新型消能工与传统的 基本消能工相比，具有以下几方面的发展1 5 】： 1 ) 、四种基本的消能工型式的出发点均是通过采取相应的工程措施在泄水建筑物 的出口完成消能工作，消能的压力完全集中在水流出口处，现在发展的理念是在水流从 入口到出口的全过程当中都可以采取消能措施，以使得消能的效果更加理想，进一步减 轻下游河床及两岸的压力，如台阶式消能工及隧洞孔板消能工等； 2 ) 、在传统的基本消能工基础上进一步优化和发展，比如挑流鼻坎形式已发展的多 种多样：扩散式、大差动式、窄缝式、匙式扭曲扩散斜挑坎等。 3 ) 、联合消能工应用随着科学技术的不断进步，现在修建的水利工程有规模越来越 大的趋势，坝越来越高，泄量越来越大，下泄水流的能量越来越大，运用单一的消能工 常常难以达到理想的消能效果，因此涌现了越来越多的多种消能工联合消能的型式，如 宽尾墩+ 底流消能和宽尾墩+ 台阶式溢流坝等。 1 2 2 1 收缩式消能工 a 、宽尾墩消能工 宽尾墩系列消能工是我国自主发明的新型消能工，己广泛应用于工程，取得了良好 的效果。 宽尾墩是利用加宽闸墩墩尾使堰项收缩，迫使水流从原来的二元水流形成沿纵向扩 散的三元水流，从而使得水流在出闸墩之前就得以消杀一部分能量，突破了在建筑物出 口部位设置消能工的传统模式。 1 9 7 4 年林秉南与龚振派共同认识到常规平直闸墩下游的水流消能不如逐渐扩大的 闸墩i “。后来龚振瀛结合安康溢流坝廊式消力池消能型式提出改平尾墩为宽尾墩的设想， 并应用于模型试验，取得了非常好的效果，并为以后宽尾墩和底流消能工相结合提供了 技术储备，这是我国首次对宽尾墩结合实际工程进行的水工模型试验用。稍后由于林秉 南的建议，将宽尾墩应用于潘家口溢流坝的挑流消能工试验，并随后建成了三孔宽尾墩 一挑流联合消能工试验坝段，开创了宽尾墩应用于实际工程的先例【8 l o 以后安康、隔河 5 太原理1 人学硕十研究生学位论文 岩水利枢纽都采用了宽尾墩一底流消力池联合消b e , a t _ 1 9 】【1 0 j 【1 1 1 ，岩滩采用了宽尾墩一库式 消力池联合消能工，五强溪水电站是表孔宽尾墩一底孔一消力池联合消能，杨家威子水 库采用了宽尾墩加t 形墩消力池联合消能方式1 1 2 l 。根据己建工程的情况看，绝大多数工 程采用的是宽尾墩消力池( 包括底流与序流) 联合消能方式， 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【1 3 】【1 4 】 ( 1 ) 闸孔收缩率 ；b r ；1 一b - b( 1 1 ) 曰口 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及其消能 冲刷等影响很大。大量试验表明0 30 7 是合理的。 ( 2 ) 闸墩尾端折角 口；a r c t a i i 丝( 1 2 ) 丑 当一定时，宽尾墩水舌的坝面扩散随着尾端折角而变化，潘家口宽尾墩挑流式溢 流坝建议8 = 1 5 2 00 ，安康水电站建议b 1 8 02 6 0 。 ( 3 ) 宽尾墩始折点位置参数 亭2 毒，叩考 n 3 弘瓦栌瓦 u j 式中，b 为闸室净宽；b 为墩尾收缩后的闸孔净宽；h d 为设计水头；x 和y 为从坝 顶起算的向下游的水平和垂直距离。 ( 4 ) 宽尾墩体型 实现宽尾墩流态的体型可有多种形式。我国刘永川对多种墩型的试验结果表明：侧 墙垂直形宽尾墩，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 墙倾斜形宽尾墩，可适应于各种流量的变化，对改善小流量的扩散和掺气效果显著；贴 角形宽尾墩闸室水面低，纵向扩散效果好，水冠小，是适应流量变化、节省工程量最优 体型，可用于大中型工程；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为了调整 下游河道沿横向宽度的流量分布时，可采用不对称型宽尾墩，工程措施简单可靠、消能 效果好。 6 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 b 、窄缝挑坎 窄缝挑坎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。窄缝式消 能工可使下泄水流沿纵向和竖向扩散、掺气，使挑射水流在空间消能，从而减少单位面 积上进入下游河床的动能。由于水舌掺气和入水时大量掺气减少了介质密度，增大了浮 力，大大改变了射流注入下游河道时潜没深度和流态，加上由于水股分散增加了水股与 水垫间的剪切面，在下游冲坑处形成了三围扩散消能流态，大大改善了消能效果。因此， 这种消能工挑坎上的单宽流量可以远远超过一般等宽挑坎的单宽流量( 已达6 0 0m 3 s ) 所 以特别适合用作峡谷地区泄水建筑物的消能设施。 如前节所述，挑流消能工是一种最为经济的消能型式，但相对而言其下泄水流对下 游河床及两岸的冲刷比较严重，为尽可能提高入水射流的分散度，减轻其对下游河床的 冲刷破坏能力，人们利用射流水股在空中的流向可导性、水流断面形状的可变性及其水 舌的扩散性( 纵横向) ，在早期常规等宽矩形挑坎的基础上，创造性地提出了多种型式的 挑流鼻坎。譬如早期的扩散挑坎( 提高射流水舌的横向分散度) 和差动式挑坎( 使射流水股 上下适当错开，加强水舌的入水纵向分散度等。但对于窄峡谷、高水头、大流量泄洪建 筑物的挑流消能工，由于河道狭窄，显然采用扩散式挑坎以增加射流的横向扩散性受到 限制，因此如何尽可能提高射流水舌的竖向和纵向分散度将成为挑坎设计的关键，收缩 式窄缝挑坎就是在这种情况下提出的【1 5 】。 窄缝式挑流是利用挑坎侧墙的收缩，使水舌形成竖向和纵向扩散强化消能，但由于 挑坎出口缩窄，相应的单宽流量就比较大，早期在消能工设计中，常以单宽流量q 作为 先决条件，常规国内外泄水建筑物的消能工常用的q 一般不超过3 0 0 m 3 s 。早前苏联学 者曾提到过，只有在狭窄峡谷中，无法采用别的消能工时才采用收缩式挑坎，认为这种 挑坎的下泄水流会引起较大的冲刷。但随着科学的发展，人们的认识水平不断提高，逐 渐认识到下泄水流的对下游冲刷程度并不完全取决于单宽流量的大小，同时也取决于水 舌入水面的大小，如果通过采取合适的窄缝体型，虽然加大了单宽流量，但能够通过对 水流的横向收缩，使出坎水流在竖向和纵向充分扩散，射流水舌在空中像一片薄薄的扇 子，入水面积扩散很大，更有效地减轻入水射流对河床的冲刷破坏能力，这种认识突破 了水流沿平面扩散以减小单宽流量的传统观点【1 6 1 。 据有关资料统计，1 9 5 4 年葡萄牙建成的卡勃利尔拱坝的泄洪隧洞出口采用扭曲并收 缩成窄而高的矩形挑坎，成为世界上最先采用的窄缝式挑流消能工的工程。在1 9 5 8 年 7 太原理【人。、牛硕卜研究生学位论文 葡萄牙建成的卡斯特罗多博德重力拱坝的坝面滑雪道出口又采用了窄缝挑坎。进入6 0 年代后，伊朗、西班牙、法国、南斯拉夫等许多国家都先后在多项水利工程中采用了窄 缝式挑流消能工，其中西班牙阿尔门德拉工程就是一项相当成功的工程实例。该工程右 岸两孔泄洪洞末端采用了窄缝式挑坎，原型观测表明，水舌轨迹与河床冲刷的范围和模 型试验基本一致，证明这种布置型式对于狭窄河谷是适宜的。我国水利工作者对窄缝挑 坎的认识起始于二十世纪七十年代。中国水利水电科学研究院李桂芬、高季章首次对窄 缝挑坎进行了系统机理研究【切。以后我国又有一些工程成功地采用了窄缝式挑流消能 工：龙羊峡重力拱坝右岸两孔岸边溢洪道出口采用了曲面窄缝挑坎，左岸中孑l 出口转角 后接曲面窄缝式挑坎形式；安康重力坝左岸两孔岸边溢洪道出口采用了曲面窄缝挑坎， 并增设了导向板：东风水库深孔、拉西瓦水电站中孔和深孔、二道河子水库底孔及石贬 峪水库泄洪洞等都采用了窄缝式挑流消能t 7 1 。 窄缝式消能工的效率主要与窄缝的体型有关。窄缝挑坎的主要体型参数有：收缩比， 收缩段相对长度，底板挑角，边墙型式与出口断面形式等。下面分别进行说明【1 8 l 【1 9 l ： ( 1 ) 窄缝收缩比 大量的研究表明，窄缝的收缩比即b b 是最重要的一个参数，其中b 是窄缝宽度， b 是在收缩前的孔口宽度。 本方案是在传统的宽尾墩窄缝式消能工的基础上，根据实际工程的特殊性的创新性 设计，其主要特点之一是宽尾墩与窄缝实现整体设计。因此，本方案中没有典型意义上 的窄缝挑坎收缩比的概念。 ( 2 ) 窄缝挑坎挑角 为了使出坎水舌获得较好的纵向分散和消能效果，窄缝挑坎挑角可为零度或正、负 小挑角。采用小负挑角可增大水舌入水的纵向分散度。当要求增加内缘挑距时，可以采 用有正挑角的挑坎。 在本方案中，窄缝形成的位置在溢流堰曲线段与水平底板的交汇处上方，窄缝的底 部即为水平底板，所以挑角不宜设计为负值。本方案的窄缝出流同时也为淹没射流，没 有刻意增大内缘挑距的必要。因此最终选择窄缝的挑角为零度。 ( 3 ) 相对收缩段长度 窄缝相对收缩长度使指窄缝收缩长度l 与收缩前孔口宽度b 之比，即i b 。窄缝相 对收缩长度的大小直接影响缝内水流流态和水舌特征，在一定条件下必须与相配合选 取。早期的研究认为l b 3 0 或l i b = ( 2 0 3 o ) 以后的研究发现l i b = ( 0 7 5 3 0 ) 。 8 太原理，l 丈学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 窄缝出口形状 窄缝出口的断面可以呈矩形、梯形、y 形、娅口型及不对称收缩形。此 外在收缩成窄缝成时的边墙形式也有多种，有直线形，有折线形，也有曲线 形。 窄缝收缩比对冲刷的影响已有相对深入的研究不同的收缩t e 对冲刷的影响可以分 为两种情况：严重冲刷和减轻冲刷，其判别条件为【l ： f b ) = 0 6 9 6 - 0 0 2 8 f c 舢 5 1 0 昙) ( 昙) 。时为严重冲刷，冲利的严重程度等同于等宽挑坎，这主要是由于 边墙收缩未能使来流形成纵向扩散反而使水流横向收缩，形成了集中射流，水舌入水单 位面积能量增大所致。 当昙c ( 鲁) 。时，为减轻冲刷，挑流水舌纵向扩散充分，水舌入水单位面积能量减小， 从而减轻冲刷。 窄缝的应用条件也是有相对严格的限制：当水流f r “5 左右时，不论收缩比怎么 变化，均不能获得典型的纵向扩散流态。因此，窄缝式消能工不适合于低水头、大流量 的泄水建筑物。当水流的f r 4 5 时，在b b = 0 1 2 5 m 4 的范围内，均可获得典型的纵 向扩散流态。对某一确定的收缩比值来说，当f r 大于某一值，纵向扩散又变差，这是 因为此时泄流量过小。一般来说，采用窄缝式消能工的适宜的水流f r 在4 5 - - 1 0 之间， 而与之相适应的收缩比大致在0 1 5 0 4 之间。 1 2 2 2 扩散式消能工 a 、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。 b 、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分射流 9 太原理i 人学硕十研究生学位论文 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。高低坎大差动消能 工能使水流纵向分层、横向扩散并且水股在空中碰撞，因而促使水流强烈紊动掺气并扩 大射流入水面积，减小进入河床水流的单宽流量，减轻下游河床的冲刷。 如自山水电站，四个表孔三个中孑l 采用不同高程，不同挑角的大差动挑流鼻坎，使 水流在平面上扩散占据整个河床阻断回流，四个表孔水流分四层挑入河床，高孔水流与 中孔水流在空中碰撞，达到强烈紊动消能的目的。二滩水电站，表孔为大差动俯角跌坎 加分流齿，中孔为压力上翘短管，右岸两条泄洪洞，出口采用斜切扭曲鼻坎和舌形扩散 坎等消能工型式，试验研究表明，由于表、中孔水舌在空中的对冲碰撞以及分流齿对水 舌的分散作用，消能率大大提高并使水垫塘的冲击压力减小了6 0 以上。 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。 1 2 2 3 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：( 1 ) 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；( 2 ) 底跌流水垫塘消能型式；( 3 ) 面跌流水垫塘消 能型式；( 4 ) 多层水股射流式水垫塘消能型式。 1 2 2 4 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 力地的改建中( 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。 1 0 太原理i 人学硕士研究生学位论文 1 2 2 5 台阶式消能工 台阶式消能工是充分利用水流从进口到出口的中间行程进行消能的典型代表型式， 通过把溢流坝或溢洪道表面做成台阶状，使得水流在流经台阶表面时不断地产生跌落， 消减水流的能量。 以前，纵观国内外的应用实践，台阶消能工均限制在单宽流量小于1 6 m 3 s m 的情 况，以防止空蚀破坏。随着8 0 年代碾压式混凝土筑坝技术的发展，台阶式消能工的应 用也得到了进一步发展。美国已有几项工程采用了这种消能型式，如m c c l u r e 坝和u s d 坝等。通过对台阶式溢洪道的研究和工程应用，我国采用与宽尾墩相结合的运用方式， 已取得了突破性进展，进而在高坝的消能中得到应用，大大突破了单宽流量小于 1 6 m 3 s m 的限制。如云南大朝山溢流坝( 坝高l l l m ，最大单宽流量为1 9 3 m 3 s m ) 和广西 百色溢流坝( 坝高1 3 0 m ，最大单宽流量为1 5 6 3 m 3 s m ) ，都采用了宽尾墩+ 台阶式溢流 坝联合消能工，福建省水东水电站采用宽尾墩+ 阶梯式坝面+ 库式消力池联合消能工 1 2 1 1 4 2 5 1 。 1 2 2 6 孔板消能工 高水头大流量水利枢纽( 尤其是土石坝水利枢纽) 多设有河岸泄洪隧洞，特别是利用 导流隧洞改建的永久性有压泄洪洞，由于洞身高度低，洞内水头大，流速高，一般应在 洞身靠上游段设置消能工，以减免其后洞身的空蚀、冲蚀和磨蚀破坏。洞内消能可采用 多种形式，孔板消能即是其中有效的一种。 孔板消能的机理的研究可追溯到波达( b o r d a ) 和普朗特( p r a n d t l l ) 对突扩和孔板水 头损失的计算以及r o u s eh 和b a l lw 等人对突扩式压力消能的试验及乔尼斯维里对压 力消能工的研究。其机理是：在隧洞衬砌内壁上设置凸出洞壁的孔板，受孔板的约束作 用，高速流经过孔板突然收缩，紧接着又因断面的突然扩大，并在孔板后形成强烈的回 流旋涡区，水流经过收缩扩大紊动剪切变形和强烈旋涡，以使洞内流速降低，从而消杀 大量的机械能。我国也对孔板体形、孔板消能的水力特性与结构振动等一系列问题进行 了较为全面地研究，并在碧口水电站排沙洞上进行了原型试验，试验采用了两级孔板， 试验结果表明孔板消能工所消杀的能量占总水头的3 0 一4 5 ，并且由水流脉动压力引 起的振动相当微弱，无论从动应力还是从振动加速度的数值来看，都不至于造成振动破 坏【2 6 h 删。 太原理r 人学硕 赴丌究! e 学位论文 我国小浪底中深泄洪洞是我国第一个在工程实践中采用孔板消能工的大型水利工 程。泄洪洞为龙抬头布置，并利用一部分导流洞，为部分满流和部分明流隧洞，工作闸 门布置在泄洪洞中央区域，闸门上游为满流，下游为明流，出口采用挑流消能形式，最 大水头约1 2 4 m 隧洞直径为1 4 5 m ，在满流区设置了三级孔板。经水工模型试验验证， 其消能效果是显著的，可消耗水头约8 0 m ，相当于闸室前总水头的6 5 1 3 l 】p 。 除孔板消能工外，涡旋竖井消能工也是一种新型的洞内消能工，其主要利用建筑物对水 流的导引作用，在洞内形成强烈的涡旋流，使水流作大范围的螺旋运动并大量掺气，从 而可有效地减小流速，消除能量，减轻下游的负担。 1 3 本文的研究内容 由于传统的消能方式大都允许水体掺气，并利用水体与空气的掺混来增加消能的效 果。因此，对于本文主要论述的防止掺气的消能形式，目前国内外的相关研究并不多见。 针对在有效的消能的基础上防止掺气的要求，本文提出了“压力式泄水消能”的思路。 使下泄水流在与空气隔绝的有压状态下，经有效消能之后平缓的流向下游。从根本上防 止水体的掺气，进而防止水汽、水雾和泡沫的产生。 具体研究内容如下： ( 1 ) 本文提出了四种防掺气消能设施。其中第二种设施又可细化为三种具体的实 施情况。对其设计原理和具体设计方法进行了详细阐述； ( 2 ) 综合多方面因素，最终选取其中的三种防掺气消能设施外加一种提供效果比 照的普通泄水结构来进行四个流量工况的试验；在各种工况下进行了流速、压强、水位 等相关物理量的测量； ( 3 ) 为检验各防掺气消能设施的防掺气和消能效果，依据试验所得数据进行了流 量系数、消能率的计算和比较分析； ( 4 ) 通过往水中加入气泡剂的方法，对各防掺气消能设施的防止泡沫生成的能力 进行检验和比较。 太原理j 二人学硕十研究生学位论文 第二章技术路线和各防掺气消能设施的设计及计算 2 1 设计思路 为达到既要消能、又不掺气的目的，可以遵循以下两条设计思路：a 、采用切实可 行的工程措施来改善泄水建筑物泄水后的水力过渡条件或改变水力消能方式，使水流过 渡平顺，使堰前、后的水力条件相对平稳地过渡，从而消除高速水流的紊动、掺混而造 成的掺气现象。b 、保证水流从泄水建筑物上下泄的过程中不与空气接触，从源头上截 断了水汽、水雾和泡沫产生的条件。论文主要从第二条思路出发进行设计。由于传统意 义上的消能方式( 底流、面流、挑流、戽流消能等) 都要与空气接触，且通常利用水体 与空气的掺混达到消耗能量的目的，因此本文提出了“压力式消能”的设计思路。即让 水流经一压力流道下泄，并配合特定的消能工，最终达到消能而不掺气的目的。 2 2 各种防掺气消能设施介绍与设计 遵循“压力式消能”的设计思路，提出了四种防掺气消能设施和一个提供效果比照 的普通泄水结构。每种设施都将防止掺气的压力式泄流和消能效率比较合理的兼顾考虑 和设计。 2 2 1 防掺气消能设施i 2 2 1 1 结构形式 如图2 - 1 ，防掺气消能设施i 是由以下几部分组成：实用溢流堰、压力流道顶 板、壅水挡板窄缝式消能工。 实用溢流堰的堰面曲线采用标准w e s 曲线。顶板是由与溢流坝面平行的曲线段和 与消力池地板平行的直线段经由一渐变段连接而成。 窄缝式消能工安设在压力主流道水平段的前四分之一处。它是由水平放置的、固定 于压力主流道上、下内壁的两个类似于半椭圆的墩子，和一个固定在他们中问的类似于 整椭圆墩子组成的。当水流流经此消能工时，必须经过由三部分墩子形成的两条窄缝， 由于先收缩后又扩张而消去能量。 1 3 太原理i ：人学硕七研究生学位论文 2 2 1 2 设计原理 ， t 4 ， 、1 1 j 一+ = i 一一 【； 一 l 一二! ：一一 左视图 平面图 图2 - 1 防掺气消能设施i 设计图 f i 9 2 - 1p l a nf o rf a c i l i t yi 实用溢流堰和压力流道顶板构成了防掺气消能设施i 的核心设计部分压 力流道。此设计的目的是实现各种流量工况下的水体均能保持压力流状态，并全部经由 压力流道下泄。这一设计的理论依据是由贝努力方程和水流的连续性方程共同推导出的 水体经压力流道下泄的流量公式1 3 3 】： q ；以a 4 2 9 n o ( 2 1 ) 式中的以一口+ a l d + 亭，称为管道系统的流量系数，它反映了沿程阻力 和局部阻力对管道输水能力的影响。 1 0 为上下游水位差，亦称为作用水头；a 为沿程水 头损失系数；为局部水头损失系数。 从公式中不难看出，较大的堰前水头能够产生较大的下泄流量。那么，在不存在水 位壅高限制的情况下，保证全部水体从压力主流道下泄是可以实现的。 1 4 太原理_ l 大学硕士研究生学位论文 2 2 1 3 具体设计过程 防掺气消能设施i 的设计重点即为如何保证在各种流量工况下的下泄水体都能保 持压力出流状态。这一设计重点需要通过对压力流道的前半部分的过水面积a 1 、窄缝 消能工的净过水面积a 2 、压力流道的后半部分的过水面积a 3 和渐变段的联合设计来实 现。他们必须满足以下条件：保证在各种流量工况中的最小流量工况下，下泄水体能够 实现压力出流。因为，当保证了最小流量工况下水体的压力出流状态，那么在其他较大 的流量工况下，保证其压力出流状态是必然的。以下即为依据最小流量工况推求a 1 、 a 2 、a 3 的具体过程： 图2 - 2 设施i 主要设计尺寸示意 f i 9 2 - 2i l l u s t r a t i o nf o rt h em a i nd i m e n s i o nf o rf a c i l i t yi 如图2 2 所示，p 为堰高；h l 为压力主流道前半部分的高度，h l = a 1 b ；b 位结构的 宽度；h 3 为压力主流道后半部分的高度，h 3 = a 3 b ；q = q m i n ；取上游水深h 为刚好达 到与压力流道前缘平齐的临界状态，即h = p + h l ；以底板所在平面为基准面，取堰前断 面和结构末端断面列能量方程如下： ，2 + o + 0 暑h 2 + 0 + 一+ j i l 。 ( 2 2 ) z g 其中，v 3 是结构末端出口断面平均流速，大小为q ，a 3 ；h w 有以下六部分组成，用 公式表示可以写成：h 。= h ，+ | l l ，；厅，l + ，2 + ，3 + i l ，1 + 2 + + 4 。 1 5 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 h f l ：实用堰上方的压力流道直线段产生的沿程阻力损失，大小为 v 1 l ，口 ( v i = q a 1 ) ： h f 2 ：水平底板上方的、并位于窄缝消能工之前的压力流道产生的沿程阻力损失， 大小为t ( v ，；q a ，) ； z g h f 3 ：水平底板上方的、并位于窄缝消能工之后的压力流道产生的沿程阻力损失， 大小为厶专； h i l ：压力流道进口处产生的局部阻力损失，大小为毒t 万v 1 ； h j 2 ：压力流道前端转弯处产生的的局部阻力损失，大小为考：_ v 1 ； g h j 3 ：实用堰反弧段上方的压力流道转弯处产生的局部阻力损失，大小为；，眚l ； ，p h i 4 ：经窄缝消能工突然收缩所产生的局部水头损失，；瓦v 2 ； h j 5 ：经窄缝消能工后突然扩大所产生的局部水头损失，缸茜。 经整理可得下式： p 寺，噶) 嚣屿番+ ( 1 + ”，坞) 番 旺s ， 可以看出，此式为关于a 1 、a 2 、a 3 方程。可以根据工程经验设定a 1 ，再根据消 能效果的要求拟定窄缝消能工的尺寸，即可依次求出a 2 和a 3 。至此，压力流道的前半 部分的过水面积a l 、窄缝消能工的净过水面积a 2 、压力流道的后半部分的过水面积 a 3 均以求出。这样，可以保证在最小流量工况下的下泄水体将保持有压流状态全部的 从压力流道下泄。 依据以上的设计思路，在水位壅高没有限制的情况下，防掺气消能设施i 是可以实 现下泄水体中不掺气的目的的。但是，在现实的工程实践中，上游水位是不可能允许无 限制的壅高，通常会存在安全水位限制。那么，当有此限制存在的时候，较大的流量就 无法全部经由压力流道下泄。由此看来，防掺气消能设旎i 对于流量变化幅度不大的泄 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 水工程是比较理想的选择，但是也存在局限性。 2 2 2 防掺气消能设施i i 针对防掺气消能设施i 在现实工程实践中的局限性，以其为基础提出了防掺气消能 设施i i 。设施i i 与设施i 的不同之处在于：在压力流道的上方安设了控制闸门。安设控 制闸门的目的是：在大流量工况下，在水位壅高至安全限制后，无法下泄的剩余流量由 控制闸门下泄。压力流道承担了大部分流量的下泄任务，而少部分流量是由压力流道上 方的无压服流道下泄的。尽管有少部分流量是在与空气接触的情况下下泄的，但设施i i 克服了设施i 的局限性。 根据采用控制闸门的类型的不同，可把防掺气消能设施1 1 分为a 、b 、c 三种情况。 2 2 2 1 防掺气消能设施i i a 此种情况采用的控制闸门为电动竖直启闭闸门，如图2 3 所示。 图2