高速水流第二部分_20130512

1、 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 一、概述 v泄水建筑物是水利水电枢纽的重要组成部分。根据实际工程统计，其造 价约占总工程造价的40%50%。所以合理地选择泄水建筑物形式及消 能措施，使关系到整个水利水电工程安全与经济的重要问题。 v泄水建筑物是保证大坝的重要措施，必需有足够的泄流能力，才能满足 及时泄掉水库的多余洪水。 v泄洪方式大体有三种：坝身泄洪、岸边泄洪、坝身和岸边联合泄洪。 v泄水建筑物的下泄水流具有很大能量，常招致下游河床的冲刷，甚至影 响坝体安全。下泄水流的巨大能量耗损于两个方面水流内部的摩阻作 用

2、，如摩擦、冲击、紊动、旋涡等； 水流与固体边界的相互作用，如 撞击、冲刷等。 v消能防冲的设计原则是：通过一系列的工程措施是下泄水流的能量尽可 能在短的范围内大部分消杀掉，是为消能；同时在此范围及下游仍可能 产生冲刷的部位加以适当保护，是为防冲；两者综合起来经济合理地解 决下游冲刷，以保护建筑物安全。 v消能与防冲是一对相互协调的。下泄水流消能充分，则下游防冲任务较 轻，否则，则需要加强防护。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 二、高水头枢纽泄水建筑物布置 v泄水建筑物在枢纽布置中的一项关键问题是要解决 好大坝、厂

3、房和泄水建筑物三者的关系。 v高水头枢纽的泄水建筑物布置多采用多种措施、多 层多孔、分散泄洪、分区消能。其主导思想是将下 泄水流沿纵向、横向分散，使入水处单位面积的流 量尽量减小，充分利用水体消能，以减轻下游河床 的冲刷。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 坝身泄洪 v多用于混凝土坝枢纽。有表孔溢流和深孔（中孔、底孔） 泄流两种。下图为凤滩水电站。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 岸边泄洪 v多用于土石坝或轻型坝枢纽。有溢洪道和泄水隧

4、洞。下图为 碧口水电站。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 坝身和岸边联合泄洪 v多用于河床宽度不够的混凝土坝枢纽。下图为二滩水电站。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 三、消能方式 v消能方式分为体内消能和体外消能。 v体外消能方式有挑流、底流、面流、戽流。 水舌对冲消能也属于体外消能。 v体内消能方式有：宽尾墩消能工、坝面阶梯 式消能工、孔板式消能工、溢流面加糙、洞 内旋流消能工等。 College of Water Resourc

5、es and Hydroelectric Engineering 1. 研究手段 v水力学计算 由于高速水流运动的复杂性，完全依靠数学分析目前还难 以获得准确的计算成果，通常采用经验公式：有的先推导出近似的理论 公式，在用经验系数加以修正；有的应用半经验半理论公式；有的则先 进性定性分析，然后直接采用经验公式进行计算。 v模型试验 目前模型试验仍然是水工水力学领域最可靠的研究手段。模 型试验比较容易模拟水工建筑物的水流情况，甚至可适用于比较复杂的 条件，其结果往往比较接近实际。虽然依据水力学基本原理，模型与原 型要达成完全相似是不可能的，但是只要模型比尺选择适当，模型与原 型两个水流系统一般满

6、足足够的相似性。应注意的是，有些问题（如冲 刷问题）的相似准则在模型中难以准确体现的；另外模型试验，还存在 缩尺效应。 v原型观测 水工模型试验及理论计算难以模拟一些工程上必须注意的问 题（如水舌的掺气与雾化、冲刷问题）等，只有依靠原形观测的实测资 料。从原型观测所取得的实际资料以及据以获得的经验数据或公式就具 有特别重要的意义。 v数值模拟 随着数值计算技术的飞速发展，运用数值模拟方法研究水工 水力学问题是一种趋势。主要采用的数值计算方法有：有限差分法 （FDM）、有限单元法（FEM）、有限体积法（FVM)等等。虽然， 离取代水工模型试验还有很长的距离，但在目前看来数值模拟结合水工 模型试验

7、及原型观测也是一个非常有效手段。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering t=0.7s t=1.2s t=11s 挑流消能水气二相流模拟 （ FLUNT软件） College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 2.基本原理 v二维粘性水体的N-S方程 v粘性水体流动产生剪切应力，由粘性切应力1与雷诺切应 力2两部分组成。 v粘性切应力1由水流层间流速梯度du/dy产生。雷诺切应力 2由水流流速紊动产生的。 x u u y u x u x p F x x xx

8、 x 2 2 2 2 1 x u y u dy du y x 1 yxu v 2 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 3. 泄水建筑物消能的原则 v泄水建筑物消能的原则就是要尽量促使水流分离，形成涡漩，将 下泄水流的能量消刹在水流漩滚紊动中。水流自身的通过漩滚、 紊动、摩擦转化为热能，消耗大量水能。 v在天然河道中，底流速小。在底部，有较大的流速梯度。当断面 平均水流流速增大到一定程度时，河床底部的流速梯度也增大， 紊动增强。一方面通过壁面摩擦阻力消耗能量。另一方面产生涡 体向上部水体传输，通过雷诺切应力消耗能量。

9、v泄水建筑物需要有特定的消能区域，如底流消能的消力池、挑流 消能的水垫、竖井消能的竖井等。水流在此区域内形成剧烈的水 流漩滚和混掺。这时，水流内部形成极大的流速梯度，增大剪切 摩擦损失。同时，混掺作用极大地增加雷诺应力损失，能够迅速 地消耗大量的能量。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 4. 挑流消能 v在泄水建筑物的末端设置挑流鼻坎，将水体挑起抛落到距建 筑物较远的地方，大部分能量在下游水垫内消散。 v挑流消能工的结构形式简单，工程量小，设计施工方便，运 行也较安全可靠。在具有足够水头，能保证水舌挑距，下游 河床

10、地质条件较好，冲坑不影响建筑物本身安全情况下，均 可采用。 v工程问题：雾化引起交通、输电和操作问题；冲刷物堆 积影响电站出力和通航；回流或波浪淘刷岸坡。溢洪道 的空蚀问题。最大不起挑流量。溢洪道开始泄洪时，由于 流量小，粘滞力起控制作用，水流不能沿鼻坎起挑，只能在 反弧段形成水跃，沿鼻坎坎顶跌下，冲刷鼻坎基脚及淘刷鼻 坎基础，影响鼻坎的结构稳定。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 4.1 挑流的水流现象和消能过程 v在泄槽或溢流坝的末端以一定抛射角将下 泄水流挑射到空中，水舌在空中扩散、掺 气、消耗一部分能量（约

11、20%40%）。 v水舌进入下游水面后，下泄的高速水流射 入下游水体中，直冲岩石。在水舌边缘处， 存在很大的流速梯度。使水舌受两侧水体 剪切摩擦，不断扩散，形成两个大漩滚。 漩滚区内水流紊动剧烈，互相碰撞摩擦， 从而大量消耗能量。水舌流速在扩散过程 中逐渐减小。 v当水舌冲抵到岩石处时，水流受阻转向两 侧。水流的动能转变为压能。在水舌顶冲 处，压力和压力脉动沿岩石的节理、裂隙 传递，使岩石的裂隙扩张、贯通，最终从 原处拔起。被冲起的岩石在坑内滚动、破 碎、冲走。随之形成的冲刷坑不断扩大。 水舌的运动距离加长，直致流速降低到不 足拔起岩石，冲刷坑逐渐稳定。 (c ) (b ) (a ) Coll

12、ege of Water Resources and Hydroelectric Engineering v近年来挑流消能发展的主要特点是，改变了过去仅在平面上 使水流扩散，减小单宽流量来减弱下游冲刷的传统观念，利 用建筑物体型的变化使水流在某一位置急剧收缩，从纵向和 竖向使水流急剧扩散，因大量掺气而加强了消能效果。 v目前国内外常采用的有窄缝式挑流消能工和宽尾墩挑流消能 工两种；还有在枢纽布置中将各泄水建筑物的挑坎在竖向及 纵向位置错开，使水流上下分散起挑，从而使水股落点纵向 拉开，以避免对河床及河岸的集中冲刷；或利用高低坎上下 对冲、左右对冲以达到消能的目的。 College of Wat

13、er Resources and Hydroelectric Engineering 常规挑流消能 宽尾墩挑流消能 常规挑流消能 宽尾墩挑流消能 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 常规挑流消能宽尾墩挑流消能 4.2 影响挑距的主要因素 v1、挑角：根据抛射理论，理论上在45 时获得最大挑距，但相应的射流 入射角也最大，加重了河床局部冲刷。在实际工程中，常采用1525以 获得最大挑距。挑角直接影响入射角，挑角越大，入射角也越大，加重 了河床局部冲刷。 v2、鼻坎处出口过水断面的平均流速（落差）：落差大，转换的动能大，

14、 抛射水体获得的初速度v1就大，挑距也大。 v3、反弧半径：反弧的作用是引导水流转向。水流通过反弧后，其水流结 构重新调整。反弧半径过小，则水流紊乱，不能顺利随挑角出射，影响 挑距。 以往的研究表明：其它不变的情况下，反弧半径增大，挑距也增 大；当反弧半径达到某个极限值时，反弧半径对挑距的影响明显变小。 v4、空气阻力：原形观测表明，当v11320m/s时，空气阻力甚微， v125m/s时，则比较明显； v140m/s时，则非常显著。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 4.3 冲坑深度 v影响冲坑基岩深度的主要影响

15、因素是水力要素和岩体性质两 个方面。基坑岩体性质包括其力学特征和构造特征。力学特 征有基岩的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，基岩强度越高， 抗冲能力越强。构造特征有基岩的结构面产状、裂隙发育程 度、断层破碎带等。结构面呈陡倾、且倾向上游时抗冲能力 强。裂隙、破碎带越发育，抗冲能力越差。 vTkqmHn v式中反映了影响冲坑最大深度的主要水力因素是单宽流量 q和上下游水位H。而岩体的结构特征和力学性质，主要反映 在系数k，岩石越破碎则k 越大。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 5. 底流消能 v水跃是水流从急流向缓流

16、过渡的一种水流现象。底流消能就是促使水流 在消力池中产生的水跃，利用水跃的横向漩滚消能，使绝大多数能量在 水流的强烈紊动过程中被消刹。 v底流水跃消能安全可靠，具有流态清楚，尾水平稳，下游冲刷较轻，消 能率高等优点。但是，高速水流紧贴河床底部流动，且要求下游水深满 足共轭要求，必需设置较深较长的消力池和工程费用高的护坦。 9.0 35.0 1:2 1:2 3.0 1:2 11.0 2.0 2.5 海 漫 防 冲 槽 27.76 R10.699 O 1:1.9 28.50 30.50 1:10 52.50 L0-010.022 L0-035.000 1:10 32.00 35.50 11.05.

17、0 6.0 22.0 15 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 5.1 底流消能的水流衔接条件 1、入流条件：入流佛氏数Fr与底流消能效果及消能工的设置有十分密切的关系。 水流佛氏数Fr4.5属于低佛氏数消能范围，其共同特点是：水跃区旋滚发展不充分， 消能不充分，跃后流速分布不均匀，有明显的大尺度紊动，水面波动较大等问题。 水流佛氏数Fr=4.59.0属于稳定水跃范围，在消能工设计上困难不大，采用消力墩 或消力坎等辅助消能工可以缩短消力池的长度。 当Fr=8.010.0时，为了将水跃控制的消力池内，尾水深度应使其适度

18、淹没。 Fr10.0时，用底流消能很可能不是一种经济的方式。 2、尾水条件 在各级流量下，均能满足ht=hc。这是一种理想的情况，在实际工程中很少见。 在各级流量下，均为hthc，即尾水深度不足以形成正常水跃，是水闸中常见的情 况，需要设置消力池。 在各级流量下，均为hthc，即总是处于淹没水跃状态。当淹没度太大时，容易产生 调整潜流，需要采取提高消力池底板高程、设置斜坡护坦以及辅助消能工等措施。 在小流量下hthc。这时，应按小流量设计消力池；辅以斜坡护坦 或消力池。这种情况较常见。 在小流量下hthc，大流量下hthc。这种情况在实际工程中很少见，应按大流量设 计消力池。 College

19、of Water Resources and Hydroelectric Engineering 5.2 消力池 v消力池长度：水平段长度Lj=6.9(h-hc) 。 v消力池深度：取决于跃后共轭水深，要有 5%10%的淹没度。一般为小流量泄流工况。 v底板厚度： 要考虑抗冲和抗浮两方面要求。 v导水墙：尽量采用铅直竖立墙。 v辅助消能工：尾坎、消力墩、趾墩、小坎。 v斜坡消力池：能够适应下游水位的较大变幅。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 5.3 底流消能实例 College of Water Resource

20、s and Hydroelectric Engineering 向家坝跌坎消力池底流消能 5.3 底流消能实例 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 角木塘水电站：趾墩+消力墩+T型墩型综合消力池 较大流量闸门全部 开启消力池流态 较小流量下闸门局部 开启消力池流态 5.3 底流消能实例 6. 面流 v面流适用于下游水深较深且稳定的情况，优点是主流在表面，具有底部 旋滚，河床加固费用较少；缺点是下游流态不易控制，下游有较大的波 浪。 v面流消能方式的主要流态四种：自由面流、自由面流、淹没面流、淹没 面流。在体型不变的条

21、件下，这四种流态是随着下游水位上涨依次转变 的。当水位过低时，流态为自由底流；当下游水位过高时，流态为淹没 底流（这种转变又称为回复底流）。 v为了保证面流流态，需要有一定坎高。坎高太小，容易转变为潜底底流。 面流的挑坎的挑角一般为零或接近于零。挑角太小，易形成底流。太大 又易形成戽流或挑流。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 7. 戽流 v戽流消能效率高，对下游的水深要求较面流低，防冲措施也不高，一般适用于大单 宽流量、深尾水的情况。 。 v消力戽由一个较大的反弧半径和挑角所形成的戽斗。在戽唇及下游一定尾水深度的

22、 作用下，使下泄的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在 尾水中继续发生旋滚、扩散，以消杀能量。即利用三滚一浪消除能量，以减轻河床 冲刷。 v随着下游水深从低向高抬升，流态发生变化，依次为 临界戽流：底部有横向漩辊，涌浪受尾水顶托而有足够的高度和曲 率，涌浪 上游表面开始出现浪花或小漩辊，下游表面有横轴漩辊。 稳定戽流：具有典型的三滚一浪。 淹没戽流：戽斗内横轴漩的水体更大，涌浪的入水角减小，主流趋于表面，下 游漩辊转变为一系列表面波浪。 v消力戽下游水深过小时，流态为挑流，过高又转为淹没底流。 College of Water Resources and Hydroelec

23、tric Engineering 8. 特殊消能形式 v除了传统的消能形式外，还可以根据特殊的 情况采用特殊的消能形式。如：窄缝消能工、 宽尾墩消能工、水垫塘消能工、对冲消能工、 阶梯状溢流面消能工、孔板消能工、竖井消 能工、溢流面消力墩消能工. College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 8.1 窄缝消能工 Bb 波前线 L L 水舌内缘 水舌外缘 L v在挑坎出流处收窄边墙，水流于此急剧收缩，出射水舌沿纵向拉开、扩 散。纵向扩散水舌进入下游水垫后，形成横向及纵向旋辊，使强紊动区 扩大，大大提高了消能率。窄缝式消能工加剧水

24、舌在空中的扩散、紊动、 掺气，减小水舌入水的单位面积能量。 v窄缝式消能工适用于狭窄河谷地区水利枢纽。 v窄缝式消能工的水流特性决定于其水流参数和体型参数：挑角；收 缩比B/b ；收缩长度L；水流佛氏数Fr 。 ( b )( a )( c )( d )( e ) College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 8.2 宽尾墩消能工 v出口水流受宽尾的挤压影响，水面壅高，使出射水流沿铅直方向扩展。在宽尾墩 的后面，形成一个较大无水区。出射水流重新落入坝面，并沿程坦化，水流重新 会合成一体。水流在壅高和坦化的过程中，相互碰撞，加强水

25、流的混掺作用，同 时混掺入大量的气体，大大增加了空中消能和坝面水流的扰动消能。坝面水流的 大量掺气有利于减轻坝面空蚀。 v宽尾墩的主要作用是加强水股射流的纵向分散和掺气。 v宽尾墩体型的几何参数有：闸孔收缩比 、墩尾折角 、墩尾始扩点位置参数。 X型宽尾墩 Y型宽尾墩 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 异型宽尾墩消能工 非对称宽尾墩实例 非对称宽尾墩出闸、消力池流态 异型宽尾墩消能工 8.3 高拱坝的水垫塘消能 v在大坝下游某一位置修建二道坝，在大坝和二道坝之间形成一个具有稳 定水深的区域。这个区域就是水垫塘。适用

26、于峡谷地区高拱坝。水垫塘 的底部一般都要用混凝土底板进行护砌。 v表孔下泄的挑跌流水舌呈射流状进入水垫塘。一方面，水体阻止水舌运 动，使水舌外缘的流速减小，并向外扩散。另一方面，水舌带动外部水 体运动。在水舌的上下游两侧形成两个巨大的漩滚。 v沿水舌射流方向水垫塘流态分为三个性质不同的子区域： 区是由射流 与水体的强切变流；区，动能转换为压能，对底板产生的冲击力。 区，呈壁射流，类似于淹没水跃，上部漩滚是消能的主要区域。 。 二 道 坝H College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 8.4 上下对冲式消能 v适用于拱坝。使上

27、下出流水舌在空中碰撞消能。形 成上下水舌可以是在不同的高程上挑流鼻坎，也可 以是中孔和表孔水舌。采用这种方式的工程有：白 山水电站、凤滩水电站、二滩水电站、峡口水电站、 洞坪水电站等。 v水舌碰撞消能率： v式中k为流量比；为水舌交汇角。 2 sin 21 4 2 2 kk k College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 8.5 阶梯溢流坝面消能工 随着坝面单宽流量的变化，阶梯式消能工有 以下三种流态： v当单宽流量较小时，水深不能完全覆盖台阶， 坝面水流呈舌状跌流，图(a)。由于水流逐级 下跌，几乎可以完全消刹每一级的能量

28、，消 能率极高。 v随着单宽流量加大，水流覆盖台阶。水面逐 渐形成连续。过堰水流流经阶梯状坝面时， 水流自然分离。在每一个台阶面的三角形区 域内产生一水平横轴漩涡，形成强烈的紊动， 达到耗散能量的效果，图(b)。此时，坝面消 能率高，水面容易掺气。 v单宽流量进一步加大，水深增加，阶梯上的 水面逐渐趋于光滑平顺。在台阶处，水体仍 保持水平分离漩涡，通过强烈的紊动消能， 图(c)。总的消能量随水面增加而有所增加。 但是，阶梯作用的影响范围随水深增加而趋 于不变，坝面消能量也趋于定值。因此，总 的坝面消能率却下降。 ( c ) ( b ) ( a ) College of Water Resources and Hydroelectric Engineering 8.6 孔板消能工 v在有压泄水隧洞的中部某一位置处设置一道直径较小的孔板，形成孔板 消能工。受孔板的作用，高速水流经过孔口突然收缩，紧接着又突然扩 散。出孔口的水流呈射流状。水流经过收缩后，再次扩散。