采用水流对冲式消力墩的底流消能装置

工 程科 技
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采用水流 对冲式消力墩 的底流 消能装置
游克勤 周 琦 刘 星
（ 重庆 交通 大学 河海学院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ７ ４ ）
摘 要： 本文介绍 了一种利用水流对 冲进行 消能的新型 消力墩 ， 并对新式消力墩进 行相关的水力计算 ， 求得 其消力池所需深度 、 长度 以及消能效率。同时通过 实验数据与传统形式的消力墩进行 对比 ， 发现这种新型 消力墩确 实能提 高消能效率， 并且 能 词 ： 底 流 消能 ； 消 力墩 ； 水跃 ； 水 流 紊 动
表 １两种消力墩 的水力计算的情况对比 在 目前 的水 工建筑物 的消 能设计 中 ， 常见 的消能方式有 ３种【 １ Ｊ ： 即面流消能、 挑流消能 、 底流消能 。 其 中底流消能是最主要 的泄洪 消 能方式［ ２ １ ， 其 具有 流态稳定 ， 消能效果好 ， 对地质条件适 应性 强 ， 泄洪 雾 化程度轻等优 势 ， 在 生态环境友好理念 的建设环境 下 ， 受 到众多 水 利规划建设者 的青睐 。目前 比较新型 的消 能方式有 宽尾 墩技 术 ， 阶梯式溢流坝技术 ， 孔板 消能技术 ， 旋流消能技术 。 这些新式 的消能 方式在很多水利工程 中得到 了有效 的应用 ，但又存在着很 多弊端。 一 ’ 比如阶梯式溢流 坝技术 ， 在边壁转折处 易发生气 蚀 ， 对坝体 表面造 成 损坏 。由此可见 ， 高效又安全的消能方式是泄水建筑物 的重要保 ３ ． ２消能池深度 ｄ的计 算。为使建筑物下游形 成淹没程度不 大 障。本 文介绍一种适合底流消能 的新型 消能建筑物 ， 它能很好 的达 的水跃 ， 消能池 内的水深计算式为 ：ｄ ： １ －（ ＋ Ａｚ ） （ ４ ） 到消能效果 ， 又能有效 的避免 自身结构遭受破坏。 １设计原理 再 以跌 前水深 和跌 后水深两 个断面列 能量方程 式 ，分 别称 为 － １断 面 和 ２ — ２断 面 ， 以 ２ — ２断 面 的 水 平 面 作 为 基 准 面 ， 得 在 消力池 中设消力墩 ，可 以改变消力池 中水跃 的位置 和形 式 ， １ 使原本 的 自然水跃受到 了限制 ， 称之为强迫水 跃。从墩 台的形式上 －十 来看有连续式 、 齿式 、 和差动式三种 ， 从 布置形 式上有单排和双排两 种 。从消能 的角度上来讲 ， 使高速 大能量 的水 流在 短距 离内达到水 代人上式得 ： ｚ ｆ ， ， １ 流的平稳无非是改变水流 的形式和速度方 向以增强水 流的紊动 ， 从 而达到快速 消能 的 目的。基于这个思路 ， 可以采用改变消力池 中水 流 的速度方 向 ， 使作用在 消力墩上 的水流实 现相互对 冲 ， 达 到快速 其中 厢 ， 它 取 决于 消能 池出１ ： ３ 的 顶部 形式， 一 般 消能的效果 。 取 ’ ＝０ ． ９ ５ 。 ２结构设计 ３ ・ ３消能池长度的确定 泄流到消力池的水流分为 ３ 个 区域 翻 ： Ｉ 区为水跃横轴漩涡 区 ， ７ ． ５ （ 一 ＾ ｆ ６ １ 是 主要 消能区 ； Ｉ Ｉ 区为底流 区， 此 区的水流较大 ， 在 消力 池 自然状态 下水 能基本没 有减少 ，水流经尾 部抬升后 流 出； Ｉ Ｉ Ｉ 区为次要 消能 区， 消能效果 不明显。 所以要 想提 高消力池 的消能效率 ， 关键在于提 （ １ 一 叩 ） ＋ （ 掣 ） （ ７ ） 高 Ｉ Ｉ 区的消能能力 ，因而可 以在 Ｉ Ｉ 区设置以下新型结构 的消力墩 来提高消能效果 。 传统形式 的消力墩是用钢筋混凝 土做成 的小墩 ， 多 布置在 １ ／ ２～ ４ 实验 结 果 分 析 １ １ ３池长处 ， 布置一排或数排 ， 交错排列 。 在底流流速过高的时候 ， 消 对实验数 据进行分析处 理 ， 并进行相关 的水力计 算 ， 结果 如表 力墩 的工作环境极其恶劣 ， 易造成局部真 空和气蚀 使消力墩迅速破 。由表 １ 可 以得到 ： 在相 同的坝前水头情况下 ， 新型消力墩所需 的 坏， 甚 至影响到了消力池 的安全 。所 以若在 消力墩 上直接开孔使得 １ ． ８ ３和 ０ ． ８ １ 倍 ，而消能效率却提高 了 １ ． １ ５ 水流通过 ， 势必会影 响到墩体 自身结构的安全。 因此 ， 我们对孔 口处 消力 池高度和长度仅为 Ｏ 倍 ， 以实验 中所用的模 型为例 ， 若要达到相 同的消能效率 ， 需要增设 进行强 化处理 ， 采用高标号 的钢筋混泥土 ， 并且对孔 口周边进行 釉 其 造价将是新 型消力墩 的 １ ． ６倍 （ 考 化处理 ， 使得边壁处光 滑 ， 减少冲击水 流通过墩 台的阻力 。 同时为 了 个 大小 相 同的传 统消力墩 ， 。 可见 ， 这种新型消力墩在消能中发挥 增 大过流能力 ， 孔 口设计成 前半部分为 圆棱 台型 ， 后 半段为 圆柱形 虑到新型消力墩材料和施工 ） 值得在今后的水工 消能建设 中广泛推广。 结 构 。结 构设计 尺寸 为 ： 墩体长 、 宽、 高１ ４ ｘ ８ ｘ ７（ ｅ ｍ） 进水 口直径 着显著作 用 ， ５创新特色（ 结语 ） ４ ｃ ｍ， 出水 口直 径 ２ ｅ ｍ。 ５ ． １ 本装置通过改变消力墩水 流方向 ，利用水 流的对冲能有效 ３ 水力计算 与数据处理 ． ２该结构 因为能有效的控制水流 的 ３ ． １ 共轭水深 的计算 。 现采用 ｗ ｐ ｓ 实用堰为例 ， 以收缩断面底 的提高底 流消能 的消能效率 。５ 因而不易产生气蚀 破坏 ， 并 且那些常年工作 的消力池 还能够 部 的水 平面为基准 面 ， 列 出坝前 断面收缩断 面的能量方程 式 ， 联 立 形态 ， 利用 消力墩槽孔里 的水流进行发电。 及可求得收缩断面水深 。具体计算如下 ： 坝前断面 的能量方程式 ：Ｅ ｏ ： ＋ Ｈ ＋ ： ＋ 日 、 １ 】 赵 岩松 ， 伊佳倩 ， 李媛媛 ， 伏世红． 底流 消能计算 中有 关收缩水 深 ‘ ２ ｇ ‘ 。（ １ ） 【 的计算方法分析 ［ Ｊ ］ ． 黑龙江水利科技， ２ ０ １ ３ （ １ ） ： １ ７ ２ — １ ７ ４ ． 收缩断面 的能量方程式 ：Ｅ ＾ ＋ 呈 ＋ 立一 ｈ ＿ Ｌ ｒ ＋ ｎ 立 一 。 。 ’２ ｇ 、 ２ ｇ 。 一 ’ ２ ｇ（ ２ ） 【 ２ ］ 刘之 平 ， 夏庆福 ， 孙双科． 跌坎底流 消能水流再 附长度 的数值模拟 研究［ Ｊ ］ ． ２ ０ １ ２ （ ２ ） ： １ ６ ３ — １ ６ ６ ． ［ ３ 】 潘世 虎． 水 闸底 流消能计算公 式的分 析与 改进 ［ Ｊ ］ ． 人 民黄河， ２ ０ １ ２