（水力学及河流动力学专业论文）东石岭水库水利枢纽消能防冲方案的研究.pdf

东石岭水库水利枢纽消能防冲方案的研究 摘要 高拱坝泄洪消能的主要特点是高水头、大流量、大泄洪功率、流量集中、 坝区河谷狭窄、地质条件复杂以及土建投资较高，这些都将使得高拱坝泄洪 消能问题要比其它坝型更为复杂一些。目前拱坝泄洪消能的趋势是如何在这 些特殊的条件下安全、经济地泄放如此巨大的能量，达到泄洪上的安全性、 消能上的充分性和经济上的最优性。这一直是水利建设者十分关注的问题。 采用模型试验、数值计算以及相关的理论分析，对高拱坝的泄洪消能防 冲方案进行了优化研究。 以东石岭高拱坝的泄洪消能防冲问题为研究对象，针对水库在实际运行 中存在的问题，提出了合理可行的挑流消能修改方案。 借助于水工模型试验方法，再通过数值分析与计算，以堰面压力、水舌 挑距、下游冲坑深度、水舌厚度以及冲坑后坡等作为优化指标，进行几种方 案的比较并选择一个最优方案。最终达到溢流曲面形状更加合理化，堰面不 出现冲刷破坏现象；过坝下泄水舌不出现明显的向心集中现象：挑射水流对 下游河床不造成冲刷破坏的目的。 关键词：东石岭，高拱坝，消能防冲，模型试验，数值与分析，方案优化 t h er e s e a r c ho ft h ep r o j e c tf o re n e r g yd i s s i p a t i o na n d s c o u rp r o t e c t i o no ft h e d o n g s h i l i n gh y d r a u l i cc o m p l e x a b s t r a c t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u i c ea n de n e r g yd i s s i p a t i o no ft h eh i g ha r c hd a ma r et h e h i g hh e a d ，t h el a r g ed i s c h a r g e ，t h eh i g hp o w e r ，c o n c e n t r a t i v ed i s c h a r g e ，t h en a r r o w e dv a l l e yi n t h ed a ma r e a ，t h e c o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o n a n dt h eh i g hi n v e s t m e n t t h e s e c h a r a c t e r i s t i c sw i l lc a u s ep r o b l e mo f t h eh i g ha r c hd a m se n e r g yd i s s i p a t i o nc o m p l i c a t e dm o r e t h a no t h e rt y p ed a m s a tp r e s e n t ，t h er e n do fs l u i c ea n d e n e r g yd i s s i p a t i o nf o rt h ea r c hd a m i s h o wr e l e a s es u c hl a r g ee n e r g ys a f e l ya n de c o n o m i c a l l yu n d e rt h e s es p e c i a lc o n d i t i o n s h o w a c q u i r et h es e c u r i t yo fs l u i c ea n dt h es u f f i c i e n c yo fe n e r g yd i s s i p a t i o na n dt h eo p t i m a l i t yo f t h ee c o n o m y t h i si st h ep r o b l e mt h a tb ep a ya t t e n t i o nt ov e r yb yt h ew a t e re r e c t o r t h et e x tc a r r yo nt h eo p t i m i z e dr e s e a r c ha i m e da ts l u i c ea n de n e r g yd i s s i p a t i o no ft h e h i g ha r c hd a mi nt h ed o w n s t r e a m t h ea u t h o ra d o p tt h em o d e le x p e r i m e n ta n dt h en m n e r i c a l a n a l y s i sa n dt h er e l a t e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t a k et h ea c t u a lp r o b l e mo f t h ea r c hd a mi ne n e r g yd i s s i p a t i o na n ds c o l f fp r o t e c t i o na st h e r e s e a r c ho b j e c t t h et e x ta d v a n c eaf e wr a t i o n a lm o d i f i c a t i o np r o j e c ta i m e da tt h ep r o b l e mo f t h er e s e r v o i ri na c t u a lm o v e m e n ti no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m c a r r yo nt h ec o m p a r i s o n so faf e wp r o j e c t sa n dc h o o s eo n es u p e r i o rp r o j e c tr e c u r r i n gt o t h em o d e le x p e r i m e n ta n dt h en u m e r i c a la n a l y s i s t h i st e x tt a k et h ep r e s s u r eo nt h ew e i r s u r f a c e ，t r a j e c t o r yb u c k e td i s t a n c eo f t h en a p p e ，t h ed e p t ha n dt h i c k n e s sa n dt h eu p r i v e rg r a d e o ft h ee r o s i o np i t sa st h eo p t i m i z ei n d e x f i n a l l y ，w ea t t a i ns u c hp u r p o s et h a tm a k et h ew e i r s h a p em o r er a t i o n a l i z e ，d o n ta p p e a rt h ee r o d eo nt h ew e i rs u r f a c e ，t h en a p p ed o n ta p p e a rt h e p h e n o m e n o r lo ft h ew a t e rc u r r e n tc o n c e n t r a t i o na n dt h en a p p ed o n tc r e a t ef a i l u r ed u et o s c o u r i n gf o rt h eu n d e r w a t e rb e d k e yw o r d s ：d o n g s h i l i n g ，h i 曲a r c hd a m ，e n e r g yd i s s i p a t i o na n ds c o u rp r o t e c t i o n m o d e le x p e r i m e n t ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，0 p t i m i z et h ep r o j e c t - 4 刖置 随着水力资源的不断开发和广泛利用，我国水电工程高坝的建设迅速发展。在诸多 坝型中，拱坝以其整体结构安全度较高和比较经济的特点，近几十年来成为坝工建设中 所普遍采用的坝型。坝工建设的实践也证明了，当坝址地形、地质条件合适时，混凝土 拱坝是一种经济、安全的坝型。随着大坝高度的增加，拱坝更体现出明显的优势，但是 要求解决的关键技术课题也更困难、更复杂了，消能防冲问题就是其中之一。这主要因 为拱坝是修建在河流的山谷狭窄地段，其所处地形地质条件较其它坝型更为复杂，同时 拱坝自身结构单薄，表孑l 溢流时溢流面较短，在平面上呈弧线，水流下泄时会出现向心 集中的问题。因此，我国自国民经济“七五”发展计划以来，每次都将高拱坝的消能 技术问题列入各阶段科技攻关的研究内容，由此可见它的重要性和复杂性。 本文第一章主要简单介绍了高拱坝和消能防冲发展的概况，以及本文研究的意义、 目的和主要思路：第二章介绍了东石岭水库水利枢纽工程基本情况：第三章介绍了东石 岭工程的水工模型试验以及试验结果；第四章是根据有关规范和现有的资料来介绍修改 方案的确定原则和依据，以及具体的修改方案；第五章主要是过坝流场数学模型的建立， 介绍了目前的两种流场模型，并应用了等效势流模型的思想；六、七两章主要是计算成 果的介绍和方案之间的比较。 作者在编写论文的过程中，参考了文章末列出的部分著作，在此对这些著作的作者 表示忠心的感谢。 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的， 学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法 律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：覆姗 伽。哞6 月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 在河道上修建水工建筑物，往往会改变天然水流的特性。挡水建筑物抬高了上游水 位，以致从溢洪道、隧洞、坝身底孔等泄水建筑物泄出的水流具有较高的流速，动能很 大；同时由于枢纽布置的要求和为了节省造价，建筑物的泄水前沿总要小于原有河流的 宽度，这就使得泄出的流量比较集中，单宽流量较大，动能也较大。如果不对该能量加 以消除，集中泄出的水流可能会严重冲刷河床河岸，危害建筑物的安全，有时部分还会 转变为波动能量。造成对下游不利的流态。 受河流的水文特性和地形、地质条件的影响，一般大型工程枢纽的泄洪消能建筑物 具有以下特点：水头高，如二滩工程坝高2 4 0 m ，小湾和溪洛渡工程接近3 0 0 m ： 流量大，二滩工程已超过2 0 0 0 0 m 3 s ，溪洛渡工程超过4 0 0 0 0m 3 s ；河谷狭窄，导 致泄水建筑物单宽流量大而集中；泄洪功率大，下泄功率达数千万千瓦至数亿千瓦。 如此巨大的能量需要安全泄放和消刹，使得泄洪消能任务相当繁重，给消能防冲设计带 来极大的困难，成为筑坝的关键技术难题之一。 1 2 国内外高拱坝以及消能防冲问题的发展及研究概况 1 2 1 国内外高拱坝的发展概况 在人类改造大自然、发展国民经济的事业中，水利水电建设占有着突出的地位。在 狭窄河谷建造大坝，拱坝是一种既经济又安全的坝型。对于高坝，拱坝的优势尤为明显， 它以其结构合理和体型优美而著称。根据国际大坝委员会的统计：全世界已有拱坝1 6 0 0 余座，超过1 2 0 m 高的拱坝有1 0 0 座，已建成或在建的坝高超过2 0 0 m 的大坝有2 6 座， 其中拱坝1 4 座，约占5 4 。高拱坝主要是混凝土拱坝，而中低拱坝以砌石拱坝为主【53 1 。 世界上高拱坝的发展起点要追溯到2 0 世纪。1 9 3 6 年美国垦务局修建了胡佛( h o o v e r ) 拱坝，坝高2 2 1 m ，是第一座超过2 0 0 m 的高拱坝陀3 。之后，在1 9 5 7 年瑞士修建的高 为2 3 6 m 的莫瓦赞拱坝是该时期拱坝发展过程中的重要标志，也是拱坝发展历史上的一 个里程碑。 我国拱坝建设起步较晚，第一座拱坝建造于1 9 2 7 年，坝高为2 7 3 m 的福建厦门的 上里浆砌石拱坝。1 9 4 9 年以后才开始大规模修建拱坝，坝高为8 7 5 m 的安徽响洪甸重 第一章绪论 力拱坝是第一座高拱坝。随后我国的高拱坝建设技术得到了迅速的发展，现已建成的高 拱坝主要有：白山重力拱坝( 高1 5 0 m ) 、东江双曲拱坝( 高1 5 7 m ) 、乌江渡拱坝( 高 1 6 5 m ) 、东风双曲拱坝( 高1 6 6 m ) 、龙羊峡重力拱坝( 高1 7 8 m ) 、二滩重力拱坝( 高 2 4 0 m ) 、小湾双曲拱坝( 高2 9 2 m ) 、溪洛渡拱坝( 高2 7 8 m ) b3 。据统计，我国拱坝的 数量已占世界拱坝总数的一半，居世界首位。其中，二滩拱坝的高度居世界双曲拱坝第 三位，标志着我国混凝土拱坝建设又达到了一个新水平【4 j 。 1 2 2 高拱坝泄洪消畿防冲的研究概况 近年来，随着高拱坝建设的迅速发展，泄洪消能设计的任务也越来越繁熏。泄洪方 式的选择和设计，主要取决于坝址区域的地形、地质条件，泄洪流量的大小以及坝型整 体枢纽布置和运用要求等几个方面。拱坝的泄洪形式分为坝外泄洪与坝体泄洪两种，各 类泄水建筑物关系下页图1 - 1 所示。但是拱坝多修建在峡谷河段上，一般无合适的垭口 可供利用，因此多数情况下采用坝体泄洪。拱坝坝体泄洪大体有以下六种布置形式：坝 顶溢流、坝面溢流、坝身开孔泄流、滑雪式溢洪道、厂房顶溢流、综合方式泄流【5 j 。 在二十世纪7 0 年代初期，拱坝坝身泄洪方式一般以单独泄洪方式为主，如前苏联 英古里拱坝( 2 7 2 m ) 是典型的坝顶溢流、水流跌入下游水垫塘的工程实例【5 6 1 ：葡萄牙 的卡斯特罗杜博德拱坝( 11 5 m ) 和卡勃罗巴沙拱坝( 1 7 1 i n ) 则是坝身中孔泄洪的 典型工程实例；日本川侯拱坝则是底孔泄洪消能的工程实例3 。 7 0 年代以后，拱坝坝身孔口联合泄洪的方式开始被逐渐得到广泛的应用。例如我 国清江隔河岩拱坝工程就采用了表、中孔联合泄洪的方式，将射流水股相互冲击在空中 消能的方式；坝高2 4 0 m 的二滩拱坝，提出了“多种设施，分散泄洪；双层多孔，水流 撞击；分区消能、按需防护”的方案；坝高2 9 2 m 的小湾拱坝采用的是“水舌空中碰撞” 方式的深化；坝高2 8 3 m 的溪洛渡拱坝，在采用“空中水舌碰撞方式”的表、中孔水 流水舌碰撞消能方案的基础上，又提出了表孔、中孔、深孔三层联合泄洪的方案明3 。 坝顶溢流是拱坝泄洪消能的一种主要方式，由于这种泄洪方式结构型式较为简单， 设计、施工和运行管理较容易，启闭设备简单且易检修，对坝体的应力影响较小，工程 造价较低，故广泛应用于各大工程中。 早期的水利工程采用的基本消能形式有：底流消能( 水跃消能，h y d r a u l i cj u m p e n e r g yd i s s i p a t i o n ) ，面流消能( r o l l e rb u c k e tt y p ee n e r g yd i s s i p a t i o n ) ，挑流消 能( t r a j e c t o r yb u c k e tt y p ee n e r g yd i s s i p a t i o n ) i s s 。 第一章绪论 图卜1 高水头大流量建筑物泄洪消能方式总揽图 f i g u r e1 一lt h e m o d eo fs l u i c ea n de n e r g yd i s s i p a t i o nf o r t h eh i g hh e a da n dl a r g ed i s c h a r g ec o n s t r u c t i o n 7 0 年代后期至今，我国发展了相当数量的新型消能工。其中，应用较好有扩散式 挑坎、上下大差动挑坎消能工、大型分流墩消能工、丁形消力墩、收缩式窄缝挑坎消能 工、宽尾墩联合消能工、水流对撞式水垫塘、台阶式消能工、内消能工( 包括孔板消能、 竖井消能、涡旋消能) 等1 。 在高坝消能中，挑流消能已成功地赢得了主导地位。据统计，国内外已建成的坝高 大于7 0 m 以上的泄洪枢纽工程中，采用挑流方式的，国外占7 4 4 ，国内占9 7 ，7 ，而 高拱坝坝身泄洪工程，几乎全部采用的是挑流消能方式们。 目前国内外拱坝常采用的挑流消能工型式可以总结为以下七种叫： t 等宽连续式和差动式鼻坎挑流消能； 2 两侧滑雪道式溢洪道对撞消能； 3 。高、低坎上、下射流对撞消能： 第一章绪论 4 ，溢洪道末端或拱坝上采用锯型分流墩挑流消能； 5 宽尾墩及窄缝式纵向扩散挑流消能： 6 扩散鼻坎、扭曲鼻坎、斜鼻坎挑流消能： 7 坝顶自由跌落水垫池消能。 挑流消能方式己有近7 0 年的应用历史，它首先于1 9 3 3 年被应用于西班牙的里科拜 约( r i c o b a y o ) 重力拱坝的溢流道出口。1 9 5 2 年由底流消能改为低鼻坎挑流的丰满水电 站溢流坝，则是我国最早采用挑流消能的工程之- - 1 2 】。由于挑流消能工具有投资少，设 计施工简便，运行可靠度高等特点，因此在国内外得到了广泛的应用。 由于拱坝坝顶与鼻坎间的高差较小，鼻坎上流速低，水舌挑距小，再加上受拱坝水 流向心集中的影响，挑流冲刷可能影响坝基安全和下游两岸的稳定。这就要合理的选择 溢流堰的堰面形状，正确选择挑坎形式和尺寸以及验算挑距和冲刷坑，保证在一定的泄 流能力下不危害大坝的安全。 随着坝工建设的蓬勃发展，各具特色的挑坎体型陆续出现。其中连续坎、差动坎、 高低坎、窄缝坎以及为适应地形变化而提出的斜挑坎和扭曲挑坎等应用较广，现比较如 下1 4 引： 1 连续坎 构造简单，不易发生空蚀破坏，但挑流时水股密实集中，高水头大流量时，下游河 床冲刷较深； 2 差动坎 由两种挑射角的一系列高坎( 齿) 、低坎( 槽) 问隔布置构成射流离开这种鼻坎时 上、下分散，加大了水舌与空气的接触面积，提高了消能效果，减轻了下游的局部冲刷。 但是，高速水流作用下容易发生空蚀破坏； 3 扩散坎 适用于泄水建筑物的出1 2 1 相对下游河床较窄的情况，平面扩散的同时，可以结合斜 鼻坎或扭曲坎，使射流转向扩散，落入水垫较深的河床中部，但是这种挑坎型式施工难 度比较大； 4 窄缝坎 多用于峡谷高坝泄洪建筑物末端的一种极具特色的新型消能工，挑射水股在空气中 第一章绪论 获得充分的纵向扩散，水舌进入下游水垫转为很窄的长条形，不仅局部冲刷大为减轻， 间时，能满足峡谷高岸坡稳定的要求。 1 3 本文研究的意义、目的和思路 东石岭高拱坝采用的是挑流消能方式，挑流消能设计对水力学提出的问题主要有下 列几个方面： 1 挑流水舌对下游河床的冲刷作用，即确定冲刷坑的位置、深度和范围，这可作为 研究冲刷对建筑物和河岸稳定影响的依据； 2 ，挑流的射程，射程的远近除与出坎流速有关外，还和鼻坎的型式、挑角、高程及 反弧半径有关，故计算挑流射程就包括了鼻坎和反弧的设计； 3 坎顶高速水流对建筑物的作用，包括动水的时均荷载和脉动荷载，以及可能发生 的空蚀作用等。 上述各项问题有的属于专门性问题，有些尚缺乏系统研究。本文中主要针对前两个 问题做出了讨论和计算，这其中要涉及到溢流曲面参数的选择和优化。 经过多年的广大水利科技工作者的努力，高拱坝泄洪消能技术得到了长足的发展， 大量有关这方面的科研成果已被应用到世纪工程中。但由于高拱坝坝体结构的空间特 点，还有许多研究方面值得去探索，如能否将水工模型试验结合现代数学理论及计算手 段在研究方法上探索出一条选择最优方案的途径? 能否将高拱坝的泄洪与消能问题作 为一个完整的系统来设计? 就消能防冲问题而言，传统的方法主要是水工模型试验，但这种方法在多种方案比 较时往往费时、费力且费用较高。而且一些特殊的水力现象在模型试验中也很难发生。 近年来随着高速电子计算机日益广泛的应用，流体力学中大量的复杂问题，都希望能够 通过计算机进行数值求解。工程实际问题中的流体力学问题，根据不同的具体特点，可 以建立起不同的数学模型。这种数学模型通常是用一组给定初始条件与边界条件的微分 方程来表示的。现在数值模拟的方法逐渐成为工程设计和研究的重要手段，它同模型试 验相比，具有花费少、适应能力强、提供的流场资料详细、便利方案选择等优点。目前 已能够通过数值模拟来计算水流特性，进而用优化技术确定整个溢流面形状。 本文就是根据东石岭水库水利枢纽在实际运行中存在的问题，借助于水工模型试 验，再通过数值计算，来研究东石岭高拱坝下泄水流的消能防冲问题，将流场数值计算 第一章绪论 的等效势流的假设应用于实际的水电工程中加以验证。通过改变不同的溢流堰型式、反 弧段的角度和半径以及挑坎处的高程，来给出几种可能的修改方案。通过水工模型试验 和数值分析获得堰面上的流速分布和压力分布，进而计算出挑距和冲刷坑的深度加以验 算，最终达到溢流曲面更加合理化，堰面不出现冲刷破坏现象；过坝下泄水舌不出现明 显的向心集中现象：挑射水流对下游河床不造成冲刷破坏的目的。为东石岭水利枢纽的 消能防冲问题提供一种最优的修改方案，同时也为与其相似的水利工程提供可靠的参考 依据。 第二章东石岭水利枢纽消能防冲模型试验 第二章东石岭水利枢纽消能防冲模型试验 2 1 东石岭工程概况 东石岭水库始建于1 9 6 9 年i1 月，1 9 7 8 年6 月主体工程竣工。它位于河北省沙河 市东石岭村西南澧河支流渡口川上，控制流域面积1 6 9 k m 2 ，水库总库容6 8 4 0 万m ， 是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。枢纽工程 包括浆砌块石重力拱坝、溢流坝、泄洪洞、输水洞、水电站等建筑物。配套工程有东石 岭灌区，设计灌溉面积7 6 万亩。枢纽平面布置图见附图2 1 。 拦河主坝为单曲重力浆砌石拱坝，坝顶高程3 8 3 o m ，最大坝高8 1 o m ，坝顶宽8o m ， 坝顶中心角为11 7 2 6 。，外半径是1 2 3 1 3 m 。溢流坝位于大坝中部，堰顶高程3 7 8 o m ， 溢流坝面设计顶曲线采用克奥曲线，后接下游直线段及挑流鼻坎，挑射角为2 0 。，挑坎 高程3 5 8 o m ，溢流坝段分3 孑l ，总宽8 3 o m ，净宽7 2 o m ，单孔净宽2 4 o m 。下游无消 能设施。溢流坝段设有3 孔空腹钢筋混凝土拱桥，桥面宽3 。o m 。 溢流堰面为2 0 0 号钢筋混凝土厚度o 3 m 至1 2 m ，钢筋直径1 6 m m ，间距2 0 0 m m ， 双层布置，但由于溢流坝由民工施工，模板架设与原设计坐标不符，有的曲面浇成斜面， 而且表面粗糙，对过流产生了不利影响。 2 2 基本资料 水库设计洪水标准为1 0 0 年一遇，校核洪水标准为5 0 0 年遇。特征指标见表2 - 1 。 表2 - 1水库特征指标m 1 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e xs i g no f t h er e s e r v o i r 汛限水位( m )设计洪水位( t o )校核洪水位( h a )最高蓄水位( m ) 3 7 0 0 03 8 22 53 8 3 9 93 7 8 0 0 2 3 水库目前存在的主要问题 水库自1 9 7 8 年建成运用以来，在防洪、灌溉、发电、供水等方面发挥了显著的效 益。经多年运行，且前仍存在着危机水库安全的问题，主要包括以下几个方面： 1 溢流坝面施工质量很差，施工后形成的堰面曲线与原设计曲线有较大的差异，且 表面粗糙，混凝土标号又低，抗冲能力差，泄流后溢流堰面多处冲蚀，有些部位 的表层混凝土已经剥离、脱落； 第二章东石岭水利枢纽消能防冲模型试验 2 溢流堰面两侧导墙偏低，大流量泄洪时水流逸出泄槽冲刷坝面： 3 过坝水流向心集中现象严重； 4 溢流坝挑射水流距坝脚很近，且下游无消能防冲设施，大流量泄洪时易形成较深 的冲坑，危机大坝的安全。 2 4 工程加固初步方案 基于水库存在的问题，河北省水利水电第二勘测设计研究院与邢台市设计处完成了 东石岭水库除险加固工程的初步设计。 初步加固设计考虑拆除原混凝土堰面，重新浇筑钢筋混凝土溢流堰面，堰面仍采用 克奥曲线，下部接直线段及挑流鼻坎，挑射角为2 0 0 ，挑坎高程降低至3 4 8 o m ，比原 挑坎高程降低1 0 ，o m ，并加高溢流堰两侧导流墙，导流墙厚1 2 m 。 考虑在距坝脚5 2 o m 范围内增加防冲设施，坝脚前做长为2 0 ，o m ，厚为o 8 m 的钢 筋混凝土护坦。混凝土护坦后设3 2 o m 长铅丝笼块石护底，坝脚前冲坑内采用大块石抛 石，见附图2 2 。卿 2 5 模型试验任务 本次试验旨在对东石岭水库除险加固设计中的溢流坝及下游消能防冲水力学问题 进行研究，水工模型试验的具体内容如下： 1 进行溢流坝挑坎降低1 0 o m 时的库水位下泄流量观测，绘制库水位下泄流量关 系曲线，以验证改建后溢流坝的泄流能力； 2 进行不同水位下溢流坝挑坎降低1 0 o m 时挑射水流的挑距及下游冲刷坑深度以 及冲刷坑范围的观测，以确认挑射水流对坝脚的影响； 3 进行溢流堰面水流流态变化和流速分布观测，以确认溢流堰面选择是否合理： 4 ，进行下泄水流主流方向观测，提供下泄水流的主流方向。 2 6 模型的设计 根据试验任务及所研究问题的性质，本模型采用局部动床正态整体模型，依据重 力相似准则设计，并满足阻力相似。考虑甲方对本模型试验范围的要求，结合试验场地 条件、供水能力等因素，模型几何比尺采用l ：7 0 ，其它水力参数比尺见表2 1 。 苎三主查兰竺查型垄塾鲨堂堕! 堡竺堡堕 表2 - 2 模型主要水力参数比尺 t a b l e2 - 2t h em a i nh y d r a u l i cp a r a m e t e r ss c a l er a t i oo f t h eh y d r a u l i c sm o d e l t e s t 几何流量流速 糙率压强 时间 项目名称 比尺比尺比尺 比尺比尺 比尺 数值 7 04 0 9 9 68 3 72 0 3 7 083 7 2 7 模型试验的成果 2 7 1 溢流堰泄流能力 由试验得到了上游库水位下泄流量及流量系数关系表及曲线，见表2 3 、附图2 - 3 所示，与原设计计算结果对比知，实测泄流能力比原设计略偏低，溢流堰基本满足泄流 要求。 表2 3 库水位与流量及流量系数关系表 t a b l e2 - 3t h es t a g e d i s c h a r g ea n dd i s c h a r g ec o e f f i c i e n tr e l a t i o no f t h eo v e r f a l lw e i r 库水位流量 库水位瀛量 流量系数 流量系数 ( m )( m 3 s )( m )( m s ) 3 7 9 4 5 82 2 0 9 00 3 9 7 53 8 2 3 0 71 2 9 3 3 5 04 6 4 0 3 8 0 3 6 84 8 9 8 70 4 2 6 83 8 2 5 1 0 1 3 9 5 6 704 6 6 】 3 8 0 7 l l6 0 1 2 9 04 2 7 9 3 8 3 0 2 81 6 6 9 1 0 0 4 7 0 4 3 8 1 1 5 9 7 7 9 9 20 4 4 1 93 8 3 3 9 21 8 6 1 3 70 4 7 1 9 3 8 1 6 8 41 0 0 7 4 70 4 5 3 93 8 3 7 9 l2 0 9 7 8 004 7 8 1 3 8 2 1 3 91 2 0 8 7 50 4 5 7 53 8 39 9 02 2 4 5 6 90 4 8 0 0 3 8 2 ，1 7 41 2 3 4 8 50 4 6 0 53 8 4 1 3 42 3 1 3 ，9 60 4 8 0 0 3 8 2 2 2 31 2 7 0 5 90 4 6 1 0 由上表可知，流量系数分布基本合理，符合克奥曲线流量系数变化规律，说明溢 流堰顶曲线设计可行。 2 7 2 溢流堰面压力分布 在模型中，溢流堰面共布置了1 4 个测压孔，分别对设计、校核工况下的压力进行 了测试，量测结果见表2 - 4 、附图2 - 4 、表2 5 、附图2 5 。 墨三主查至竺坐型塑塾堕堡堕鲨堡兰苎竺一 表2 - 4 溢流堰面压力分布表 ( 设计工况) t a b l e2 - 4t h ed i s t r i b u t i o no f p r e s s u r e0 1 tt h es u r f a c eo f t h eo v e r f a l lw e i r ( d e s i g nc o n d i f i o n ) 测点位置测点压力( m )测点位置 测点压力( m ) l3 0 1 7 80 4 7 2 21 1 1 99 1 2 7 7 30 7 3 0 1 00 3 0 4 40 5 8 01 153 8 3 50 ，1 1 2 1 21 1 8 9 3 60 7 6 91 37 8 7 5 70 5 0 71 4 06 3 0 表2 - 5 溢流堰面压力分布表 ( 校核工况) t a b l e2 - 5t h ed i s t r i b u t i o no f p r e s s u r eo nt h es u r f a c eo f t h eo v e r f a l lw e i r ( p r o o f r e a dc o n d i t i o n ) 测点位置测点压力( m )测点位置测点压力( m ) l3 ，2 4 88，0 0 8 7 20 2 0 990 ，4 7 2 30 2 4 01 00 2 6 3 40 b 4 11 1 1 0 0 2 4 5- 0 4 6 01 21 8 4 4 5 61 0 0 01 31 5 7 6 4 70 5 5 61 41 4 3 5 27 - 3 溢流堰面流速分布 表2 - 6 溢流堰流速表 t a b l e2 - 6t h ef l o wv e l o c i t yo ft h eo v e r f l o ww e i r i 提 挑坎末端最大流速挑坎末端平均流速 堰顶流速( m s ) 项目 ( m s )( m s ) 底 表 设计水位7 2 4 26 1 3 62 1 6 2 1 2 校核水位 9 7 4 l6 9 1 22 42 3 设计、校核工况下，溢流堰面上堰顶流速与挑坎末端流速分布合理；挑坎末端水层 较薄，挑射水流流速分布较为均匀，最大流速与平均流速差异不大。 1 0 第二章东石岭水利枢纽消能防冲模型试验 2 8 挑射水舌和冲刷坑 2 8 1 挑射水舌 对溢流堰设计方案进行试验，得到了溢流堰挑流鼻坎的起挑流量为4 0 m 3 s 、终挑流 量为3 5 m 3 s ，水舌挑距至护坦末端以远的最小流量为4 4 m 3 s ；同时得到了设计、校核水 位及2 0 年一遇小流量工况下的挑射水舌基本资料，见表2 7 、附图2 - 6 、附图2 7 。 水舌挑距的试验值远小于设计计算值，自由水舌挑射距离偏小；入水角度不大：受 拱坝曲率以及导墙向内收缩的影响，水舌出鼻坎以后，在平面上的收缩非常严重，在设 计水位条件下，收缩比仅为o 1 2 5 ，水流高度向心集中；另外，由于拱坝溢流堰面流程 短，挑角与反弧半径均偏小，挑流水舌基本是以平抛形式泄入下游；因此，水舌的扩散 和掺气不充分，挑距小，消能效果差，对河床的冲刷大。 表2 7 挑射水舌特征表 t a b l e2 - 7t h en a p p ec h a r a c t e rt a b l e 项目 挑 入收 水舌宽度( m )水舌厚度( m ) 距水缩 角比 工况 ( m ) 鼻坎耥入水处鼻坎燃中部入水处 设懒 7 63 0 5 6 0 0 1 8 2 01 5 03 3 6 7 5 6 1 3 9 33 501 2 5 校僦 8 0 5 0 5 6 o o 2 2 0 5 1 7 53 4 58 6 81 7 1 5 4 7 0 ，3 9 4 2 0 年稍 5 2 3 85 6 0 01 4 5 6o 2 81 4 53 40 2 6 由表中数据我们可以看出，2 0 年一遇小流量工况下挑射距离为5 2 3 8 m ，挑射水舌远 超出下游护坦范围。 水舌挑距的试验值与计算值对比如表2 8 。 表2 - 8 试验与设计挑流水舌挑距对比表 t a b l e2 - 8c o m p a r i s o no ft h en a p p ed i s t a n c eb e t w e e nt h em o d e lt e s ta n dd e s i g n 汰 水舌挑距( m ) 设计水位校核水位 试验值7 3 6 08 0 5 0 设计值9 0 4 89 89 1 试验、设计误差1 8 6 18 6 第二章东石岭水利枢纽消能防冲模型试验 2 8 2 冲刷坑 对溢流堰设计方案进行冲刷试验，依据洪水过程线，选择冲刷时间为持续3 3 5 小 时，得到了设计、校核水位以及2 0 年一遇工况下的冲刷坑基本资料，见表2 - 9 、冲刷坑 纵剖面附图2 8 及附图2 - 9 。 表2 - 9 冲刷坑深度特征袁 t a b l e2 - 9t h ec h a r a c t e rt a b l eo ft h es c o u rp i t sd e p t h 一工握 冲刷坑前坡冲刷坑后坡冲刷坑深度( m ) 项目 2 0 年遇水位l ：3 _ 31 ：1 91 7 设计水位 1 ：141 ：1 72 8 校核水位l ：1 81 ：1 2 3 1 4 试验成果显示，设计、校核两种工况条件下的冲刷坑后坡坡度较设计值陡很多，而 且，试验的冲刷坑后坡均大于许可最大后坡1 ：2 5 1 ：5 。 由冲刷试验结果看出，本次加固设计考虑的在坝脚前做钢筋混凝土护坦，护坦后设 3 2 0 m 长铅丝笼块石护底，坝脚前冲坑内采用大块石抛石的下游消能防冲措施对坝下冲 刷起到了防护作用，下游护坦没有受到冲刷，护坦后的铅丝笼块石护底也只是部分受到 冲刷。 由2 0 年一遇小流量工况下冲刷试验结果看出，由于水舌挑距较小，冲刷坑距离坝 脚相对较近，但冲刷坑后坡较缓，在设计允许范围以内：下游抗冲刷防护工程中，护坦 完好，少许铅丝笼受到冲刷，整体防护基本没有受到破坏。 第三章东石岭水利枢纽泄洪消能防冲修改方案的拟定 第三章东石岭水利枢纽泄洪消能防冲修改方案的拟定 水工模型试验的成果表明，溢流堰设计方案基本满足泄洪要求，流量系数合理；但 在直线段有负压区出现，虽然负压值均在规范容许范围以内，这说明堰面直线段设计偏 陡；挑射水舌基本以平抛形式泄出挑流鼻坎，挑距偏小；而且，出坎水舌横向收缩严重。 这些现象虽然均符合规范的要求，但初步加固方案仍需要进一步的修改，才能真正保证 大坝的安全。但因水工模型试验费时长、花费大，要进行几种修改方案的优选较为困难。 所以，本文结合数值分析的方法对修改方案进行比较和优化。 3 1 数值分析计算的任务 1 堰面型式和挑坎体型的选择，涉及到的主要参数包括 2 2 j ：堰定型设计水头总 ( 或者风。= t h 。、岛。为校核洪水位时堰上水头) 、反弧半径r 以及反弧 段上、下游侧圆心角a ，、( 即挑射角口) ，其基本形状如图3 - 1 所示： 0 l 4 椭圆段，r 1 _ 弋= _ 岫一x i 、下游曲线段 j 。y 、y = o 1 4 7 9 x 1 8 5 反弧段 图3 - 1 溢流堰基本剖面图 f i g u r e3 - 1t h eb a s a ls e c t i o np l a n eo f t h eo v e r f l o ww e i r 2 确定三种具体的修改方案； 3 对溢流流场建立数学模型进行计算，得出泄流能力、堰面压力分布以及挑距和 冲刷坑深度。 段线直游f llj硼_lf g o = i 第三章东石岭水利枢纽泄洪消能防冲修改方案的拟定 3 2 堰定型设计水头鼠 堰剖面曲线的大小决定于所采用的定型设计水头凤，但是堰在实际运行时，堰顶 水头却是随着流量9 的改变而在某一范围( ，。h m 。) 内变化【2 1 】。因此，选定什么水 头作为设计水头凰才会使所设计的堰剖面在已知的水头变化范围内工作时，既有较大 的流量系数，又不会使堰面产生过大的负压，这是剖面设计中应当注意的问题。本文用 岛。( 风。= h ) 1 2 3 j 作为选取定型设计水头的指标。 混凝土拱坝设计规范( s l 2 8 2 2 0 0 3 ) 对珏没有做出详细的规定，只是参照重 力坝规范取屁。为o 7 5 0 9 5 ，以及要求控制在常遇洪水位( 指2 0 年一遇以下) 闸门 全开时一般不出现负压，在校核洪水位时负压不超过3 - 6 m ，仅要求对薄拱坝及高拱坝 在上述范围内从严取值f 2 4 1 。但由于溢流拱坝有其自身的特点，事实上现有多数溢流拱坝 经水工模型试验验证的设计中采用的曲线参数大多是偏离甚至是远离上述规范的要求。 因此，有必要结合溢流拱坝的特点，进一步分析研究和探讨溢流拱坝溢流面曲线参数的 选择。 相应于校核洪水位的风。是控制溢流堰体型胖瘦的重要参数，它的大小又直接影响 着溢流堰的泄流能力、堰面压力值以及过堰水流的流态。当风。的取值过小时，溢流堰 体型较瘦，但堰面容易出现高负压雨会引发严重的气蚀现象，对溢流面造成严重破坏， 甚至破坏堰面水流的平稳流态：当厩。的取值过大时，溢流堰体型较肥大，不容易出现 负压但是堰面压力过大会影响溢流堰的泄流能力，并且会造成不必要的浪费口3 1 。 由于拱坝坝身单薄，为了满足溢流头部的布置，不可避免地使溢流头部有较大的悬 臂，这给施工带来较大的难度，对坝身结构也不利。因此，在满足挑流的前提下，尽可 能减小悬臂长度，缩短溢流头部水平总长度，这是溢流面优化设计的重要内容：又拱坝 溢流堰溢流时由于各水股都沿径向向心集中，堰面上发生负压的可能性比同剖面的直线 堰要小 23 1 。救鼻的取值应该在满足堰面负压的条件下，尽可能取小值。但是从堰面 压强分布规律( 图3 2 ) 中可以看出，岛。越小，定型设计水头越小时，堰面出现的 负压就越大。其最大负压出现的位置大约是在堰项水流侧的x = 一0 2 h d 处，当 h l = 1 3 3 ( 相应于风。= o 7 5 ) 时，最大负压可达0 4 3 b 当驯丑。= 1 5 0 ( 相应于 岛。2 0 6 6 7 ) 时，最大负压可达一0 7 7 4 a 。这些数据似乎显示出风。取小值时，堰面将会 出现较大的负压，会发生气蚀而对堰面造成破坏。 应该指出，其实在闸孔的不同部位，负压是不同的，一般在边孔负压最大，负压的 第三章东石岭水利枢纽泄洪消能防冲修改方案的拟定 大小还与进口前沿水流条件有关。此外，堰面是否会发生气蚀，不是取决于负压的大小， 而是取决于气穴指数口，由于堰面最大负压出现在堰顶附近，而此部流速很小，故一般 口较大，可以满足要求。 实践也证明，溢流拱坝一般均采用较小的佛。值，取值远低于规范建议值。如白鹤 拱坝修正方案就是采用p = o 6 4 f 2 刀。 综上所述，本工程中取风。为o 7 0 ，即= o 7 0 。东石岭水电工程中最大堰上 作用水头h = 3 8 3 9 9 m - - 3 7 8 m = 5 9 9 m ，故有： 打，= 0 7 5 9 9 = 4 1 9 m( 3 - 1 ) 一： 懋。 簸 。 一。- - - 一0 。 - 一0 0 , 一- - 。0 ： 一1 t 、h # h 9 5 0 妄 霉 , - 1 v 、 。，“”少 j ， - 一-7 - 一， 厂 一螽# j - - 1 ak一一 一， tz 。 一 ，- 删 = lf f l | 1 l 图3 - 2w e si 型堰堰面压强分布图“ f i g u r e3 - 2t h ep r e s s u r ep r o f i l eo nt h es u r f a c eo f t h ew e s1w e j r 3 3 溢流堰面型式 作为溢洪道的控制堰，其体型、尺寸和布置方式是溢流道泄流能力的决定性因素。 不同的泄流能力，洪水期可能出现的水库最高洪水位和相应要求的坝高不同，因此，溢 流堰面的设计是否合理，挑流鼻坎形状选择是否正确，直接关系到枢纽布置方案的优劣 和工程消能防冲的效果。 控制堰的水力特性很大程度上取决于沿水流方向垂直剖面的型态型态不同，水力特 第三章东石岭水利枢纽泄洪消能防冲修改方案的拟定 性、适用条件也不同。对于实用堰，首先应确定是非真空堰还是真空堰，是高堰还是低 堰。非真空堰与真空堰的区别在于是否依赖堰顶附近水流底部的适当负压( 真空度) 来 保证运行工况的泄流能力；高堰与低堰的区别在于堰的上游堰高与堰顶运行水头之比是 否足够大，从而使堰的泄流能力不再受此相对堰高的影响。大部分溢流坝或溢洪道，为 减免负压可能导致的有害结果，常采用非真空堰，溢流坝通常属高堰。 在实际工程中，实用堰可分为两大类【2 2 1 ：一是用当地材料修筑的中、低溢流堰，堰 顶剖面常做成折线型，称为折线型实用堰；二是用混凝土