表孔泄洪闸消力池辅助消能工试验研究

第!!卷第"期!##$年%!月西北水力发电&’()*+,’-*’)./012./34)’1,15.)657’01)89:;!!<9;"================================================================>?@;!##$文章编号A %$B %C D B $E F !##$G #"C ###"C #D表孔泄洪闸消力池辅助消能工试验研究吕欣欣%H陈剑!H 牛争鸣%H 王立杰%F %;西安理工大学H 西安B %##D E I !;甘肃水电勘测设计研究院H 兰州B D E ###G摘要A 通过模型试验H 对比研究了在表孔泄洪闸上应用掺气分流墩和在消力池中采用常规消能工的消能效果J 对比研究结果表明H 分流墩具有一定的消能效果H 但对水流条件有特定的要求H 有一定的局限性J 在调节运行工况变幅较大时H 可以采用常规消能工消能J 关键词A 模型试验I 表孔泄洪闸I 掺气分流墩I 消能中图分类号A K 8%L ";!文献标识码AMN 概述掺气分流墩是一种新型的辅助消能工H 是!#世纪B #年代末西安理工大学为解决拓林水电站泄洪洞消力池的空蚀问题而提出的J 掺气分流墩一般设在消力池上游的陡坡溢流面上H 其作用是将整体水流分割成多股水流H 促使多股水流竖向纵向扩散掺气H 增进空中消能量H 并增大入水面积和水股与水垫的剪切面积H 从而增进消能和掺气的效果J 本文主要是对比研究将掺气分流墩应用于表孔泄洪闸和在消力池中采用常规消能工的消能效果H 从而得出两种消能工的适用条件J本文所研究的枢纽为一综合建筑物H 总长%$%;L O J 沿坝线从左到右依次布置有土坝P 一孔进水闸P 一孔深孔泄洪冲沙闸P 三孔表孔泄洪闸和溢流堰H 进水口布置在泄冲闸上游处J 其中表孔泄洪闸为本文研究的重点J 此开敞式表孔泄洪闸共布置L 孔H 单孔净宽%#;#O H 总长L E ;#"O H堰顶高程!$%";##O H 墩顶高程!$!";##O H 堰面曲线方程Q R #;#E "D S %;E "J 下游采用底流式消能H消力池长D "O H 消力池深D ;"O H 坎高%;#O H 其剖面图见图%J图%表孔泄洪闸剖面图收稿日期A !##$C #T C !#作者简介A 吕欣欣F %T E %C G H女H 辽宁东港人H 西安理工大学水力学所水工水力学向在读硕士J!模型的设计制作及试验组次模型按重力相似准则设计"选用几何比尺为#$%&"对表孔泄洪闸进行了三种方案共七个组次的试验"#’不加掺气分流墩方案(校核洪水位三孔全开)正常挡水位三孔全开*+’加掺气分流墩方案(校核洪水位三孔全开)正常挡水位三孔全开)校核洪水位中孔单开)正常挡水位中孔单开*,’加齿墩和梯形墩-取消分流墩.在消力池中另设齿墩和梯形墩.属常规消能工’方案(正常挡水位三孔全开"加齿墩和梯形墩具体方案如下(分流墩取消.在其消力池中设置两排梯形消能墩.将前排布置到桩号为坝&/,01%&+的位置.后排末端布置在坝&/201%&+的位置.因为此位置消力池中的流速已由#+3456#,345.降到了734568345.图+梯形墩尺寸图-单位(33’图,表孔泄洪闸消力池末齿坎尺寸图-单位(33’可有效的防止空蚀破坏.并提高消能率"实际尺寸如图+.尾坎变成齿坎.实际尺寸如图,.位置后移%3"文中所有物理量的量测断面均以坝轴线断面为基准"坝轴线以上用坝&9:::1:::表示.坝轴线以下用坝&/:::1:::表示"量测值的位置为泄洪闸的中线位置"水位特征值(校核洪水位为+0+,1%3.正常挡水位为+0++3";三种方案的试验成果对比;1<流态及水面线不加墩方案中.消力池在各种运行工况下均为淹没式水跃.旋滚较为充分.没有出现明显的临界或远趋水跃"但是在各种运行工况下池末的涌动较大.池长略显不足"加分流墩方案中.水流在经过掺气分流墩后形成水舌.水流在两个掺气分流墩之间也形成了明显的掺气现象"下泄水流在经过掺气分流墩后.被分流墩分割成不清晰的四股水舌.水舌在空中互相交汇)掺混.水舌进入消力池后.消力池水流大量掺气.但是至消力池的末端.消力池内水跃的翻滚涌动仍然较大.这说明掺气分流墩的添加只是增加了消力池内的掺气量.但并没有明显的消能效果"消力池后的急流在校核洪水位和正常挡水位下基本相似.没有明显的变化.掺气分流墩添加前后.急流强度只有轻微的减弱.没有实质的变化"加梯形墩和齿墩方案中.在不同的运行工况下消力池内的流态较掺气分流墩拆除前产生了明显的变化"消力池内为完整的较小淹没式水跃.消力墩布置处的水流涌动较大.消力池出口水流较修改前跌落明显减小.虽然仍有急流段.且在其出口至海漫末端水流波动较大.但水面跌落已不明显.流速值也明显减小"图2给出了正常挡水位下.表孔泄洪闸三孔全开工况.三种方案水面线的分布比较.可以看出.加分流墩后.水流有跃起"在消力池末端.不加墩与加分流墩方案的水流跌落比较明显.落差分别为21#,3和21,73.呈现出急流段.而在第三种案中.水流经过消力池末端后变成缓流.落差变为,1+%3.水流衔接比较自然.流态较好";1!流速对于表孔泄洪闸来说.随着流程的增加.堰面0西北水力发电第++卷图!三种方案的水面线分布图"三种方案消力池和海漫上的流速分布底板高程的降低#流速呈增加的趋势$最大流速出现在桩号为坝%&%%’()*处位置#即反弧上切点附近$加分流墩案中#校核洪水位表孔泄洪闸单开运行时#此处流速最大值为*+(,-./#其余各工况均小于*"-./$水流进入消力池后#出现负流速#说明产生漩滚和回流$不加墩案时消力池末端0即坝%&%"+("%1处2的最大流速达到3()+-./#出现在正常挡水位三孔全开工况4加分流墩案时达到’(,!-./#出现在校核洪水位三孔全开工况4加梯形墩案时达到"("*-./$’第"期吕欣欣#等表孔泄洪闸消力池辅助消能工试验研究因此加分流墩以后!反弧切点附近流速增大!消力池末端流速比不加墩方案有所减小!比加梯形墩方案有所增大!说明分流墩起到一定的消能效果!但不明显"加齿墩和梯形墩以后!海漫上的流速比加分流墩方案小!最大流速为#$%&’()"图*为正常挡水位下三种方案的流速分布情况"可以看出!加分流墩方案的反弧切点附近平均流速要比其他两个方案要大"加分流墩后!消力池内流速沿断面分布比较均匀+而其它两个方案呈现底流速大表流速小的趋势"海漫上的流速分布比较均化!其中不加墩方案平均流速最大!加梯形墩方案最小",$,下游河床的冲刷正常挡水位下当表孔泄洪闸三孔全开运行时!最深冲坑均出现在河道左岸"加分流墩方案中冲坑最低点高程为-*%.$/’!加梯形墩方案中冲坑最低点高程为-*%0$**’"相比之下!后者比前者冲刷最低点高程有所提高!冲坑深度减小了-$%*’!说明如果不在最佳工况下!加分流墩方案造成的冲刷效果反而没有常规消能工好"表/给出了消力池的冲坑参数"表/消力池的冲坑参数工况加分流墩方案加梯形墩方案冲刷最低点高程(’-*%.$/-*%0$**距海漫末端位置(’0***冲坑深度(’.-$0%$0*冲坑坡度1$-#/1$.#-2结论总的来说!表孔泄洪闸的分流墩对增大消力池掺气作用明显!可以防止空蚀破坏!也增加了一定的消能率!因此可以缩短消力塘长度"但是分流墩发挥的作用还与上下游水位调节变幅有关!只有在某一特定工况下劈流头分流才能达到最佳效果!消能率才能达到最高"故其作为辅助消能工的条件受到限制"如果不在最佳工况下!其对池内和池后海漫上的水流流态3流速无本质上的改变!漂浮物破坏的可能性较大!墩体的结构安全也让人担心!施工精度和经济性也值得商榷"另外!用劈流头分流还可能产生雾化现象!对下游造成影响"而在上下游水位变幅较大3运行工况较多时!梯形墩方案的消力池内流态较为理想!消力池末端急流变成缓流!海漫上流速减小!水流衔接自然!消能效果良好!故可以采用常规消能"因此通过对比得出!在特定运行工况下!且下游条件不允许增设其他辅助消能工时!可采用掺气分流墩+而只要设计合理!当上下游水位变幅较大运行工况较多时!且下游条件允许增设其他辅助消能工!可采用常规消能工"参考文献45.6李建中$水力学576$西安4陕西科学技术出版社!-11-$5-6李建中!等$高速水力学576$西安4西北工业大学出版社!.%%0$586青海省大通河江源水电站工程枢纽水工模型试验报告596$西安理工大学水力学研究所!-11/$506牛争鸣$泄水曲面水流的水力特性576$西安4陕西科学技术出版社!.%%&$5*6:;.**<%*!水工模型试验规程5:6$中华人民共和国水利部!.%%*$=>?@A B?C D E?F G H G I J K L M@F?C N K O D P P D B Q G D L F L FH I C M Q R?H B D S S T Q K U I P>D L F V L L S ;W X Y Z<[Y Z.!\]^_‘Y a Z-!_b c d e f Z g<’Y Z g.!hi_j;Y<k Y f.l.$X Y m a ZcZ Y n f o)Y p qr s t f u e Z r v r g q!:e a a Z[Y X Y m a Z#.110&!\e Y Z a+-$j a Z)w:w o n f q a Z x y f)Y g Z b Z)p Y< p w p fr s]q x o r z r{f o^Z g Y Z f f o Y Z g!j a Z)w;a Z|e r w#0&111!\e Y Z a}~!P G C Q R G4hY p ep e f’r x f v p f)p!p e fu r’z a o a p Y n f)p w x Y f)r sf Z f o g qx Y))Y z a p Y r Zf s s f u p r s p e fa f o a p Y r Z )z v Y p p f o z Y f o r Zp e f)w o s a u f)z Y v v{a qa Z xp e fu r Z n f Z p Y r Z a v)r w o u f)r Zp e f u w)e Y r Zz r r v{f o fu r Z x w u p f x Y Zp e Y)z a z f o$b p{a))e r{Z"qp e f)p w x qp e a p a f o a p Y r Z)z v Y p p f o z Y f o e a n fu f o p a Y Zz r)Y p Y n f f s s f u p)!"w p p e f o f Y)a)z f u Y s Y u o f#w f)p p r p e f u w o o f Z p u r Z x Y p Y r Z)!)r p e f o f a o f)r’f v Y’Y p a p Y r Z)$he f Z p e f o f g w v a p Y r Z r s{r o$Y Z gu r Z x Y p Y r Z)n a o Y f)g o f a p v q!p e fu r Z n f Z p Y r Z a v f Z f o g qx Y))Y z a p Y r Z)e r w v x"f w)f x$%?K T L C J P4’r x f v p f)p+)w o s a u f)z Y v v{a q+a f o a p Y r Z)z v Y p p f o z Y f o+f Z f o g qx Y))Y z a p Y r Z&西北水力发电第--卷。