多級連續(xù)消力池的布置與水力計算方法

王圣文,吳洪亮

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢430072)

0 引 言

消能設(shè)施是溢洪道的重要組成部分,對于某些中小型水庫的溢洪道工程,由于地形或地質(zhì)條件的限制,不適合采用挑流式消能,采用底流式消能(即在溢洪道尾水渠首建消力池)又可能工程量過大,并且由于消力池壅水會增加尾水渠首部護坡高度。在這種情況下,多級消力池消能是比較合適的選擇[1],然而現(xiàn)有已公開文獻很少系統(tǒng)地介紹多級連續(xù)消力池的水力計算方法。本文結(jié)合丹江口市金崗水庫溢洪道的設(shè)計,介紹多級連續(xù)消力池的布置方案和水力計算,以期為同類工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

金崗水庫位于丹江口市余家營村沙溝河的中上游,大壩壩型為均勻土質(zhì)壩,總庫容為134×104m3,是一座以防洪為主,兼有灌溉、供水、養(yǎng)殖等綜合效益的小(Ⅰ)型水利樞紐工程。大壩按50 a一遇洪水設(shè)計,1 000 a一遇洪水校核,消能防沖按50 a一遇洪水設(shè)計。溢洪道位于大壩右岸,為無閘控制寬頂堰,由進口段、控制段、泄槽段組成。進口過水?dāng)嗝鎸?6.82 m～21.15m;控制斷面凈寬18.0 m,寬頂堰頂部高程123.58 m;泄槽段坡降為1/87,水平長度為58.9 m。溢洪道出口段沒有消能防沖設(shè)施,已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重沖毀。圖1為溢洪道縱剖面圖。

圖1 溢洪道縱剖面

2 溢洪道消能方式選擇

根據(jù)地形、地質(zhì)條件,選擇三種消能工形式進行比較,分述如下:

2.1 挑流消能

泄槽段之后樁號0+058.9m～0+139.0 m新建一陡槽,水平長度 80.1 m,坡度 1∶8.5。樁號 0+139.0 m處修建一挑流鼻坎,挑角 θ=30°,反弧半徑R=38.5 m。挑流沖刷坑周圍需建擋墻,將水流順接到下游渠道。

2.2 單級消力池消能

樁號0+058.9～0+117.6新建一陡槽,陡槽水平長度 58.7 m,坡度1∶5。樁號0+117.6 m～0+139.0 m新建一降低護坦式消力池,池深2.5 m。池長21.4 m。消力池末端接下游渠道。陡槽末端水流流速較大,接近14 m/s。

2.3 多級連續(xù)消力池消能

泄槽后新建三級連續(xù)消力池,第一級和第二級消力池末端加筑消能坎,坎高均為1.0 m,第三級消力池為降低護坦式消力池,池深1.5 m。三級消力池前端均修建成斜坡式,坡度分別為1∶1.2、1∶1.4和1∶1.5,池長分別為30.2 m、12.7 m 和21.0 m。下游與渠道相接。建筑物均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。圖2為多級連續(xù)消力池消能段縱剖面圖。

圖2 多級連續(xù)消力池消能段縱剖面

2.4 綜合比較

采用單級消力池消能方式將大大增加工程開挖工程量,提高工程造價,并且采用單級消力池消能方式和挑流消能方式[3],在陡槽末端水流流速分別達到14 m/s和13 m/s,流速較大,容易引起氣蝕現(xiàn)象發(fā)生,對混凝土施工質(zhì)量要求高,施工難度較大。挑流消能還將引起下游渠道中水流的波動,對下游渠道抗沖刷能力要求較高。尤其當(dāng)通過大流量水流時,對下游渠道的沖擊破壞較大[4]。綜合工程造價、施工難度、下游渠道防沖護砌和地形地勢等各方面因素考慮,推薦選用多級連續(xù)消力池消能方案。表1為不同消能方式主要工程量及造價。

表1 不同消能方式主要工程量及造價

3 多級消力池消能水力計算

溢洪道消能防沖設(shè)計的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水,下泄流量Q=84.3 m3/s。溢洪道消能段為等寬矩形斷面,寬 b=20.0 m,單寬流量 q=4.2 m3/(s?m)。水流經(jīng)泄槽流至樁號0+058.9 m處時水深h=0.65 m,流速v=6.5 m/s,下游渠道水深ht=1.3 m。

第一級消力池水力計算如圖3所示。

圖3 第一級消力池計算示意

(1)收縮斷面水深hc計算[5]

斷面0+058.9 m至收縮斷面0+061.3 m運用能量方程得:

式中:E0為樁號0+058.9處斷面總水頭,E0=h+p+q2/(2gh2)=3.54 m;φ為流速系數(shù),取0.95。由式(1)試算得到hc=0.58 m。

(2)躍后水深 hc″計算

(3)消力池尾坎高度c計算[3]

式中:σj為水躍淹沒度,取1.05;m為消能坎流量系數(shù),取0.42;σs為消能坎淹沒系數(shù),本例坎頂水流為自由溢流,取 σs=1,計算得c=0.78 m。

(4)池長Lj計算

經(jīng)計算得Lj=11.3。

(5)消能系數(shù)kj計算

經(jīng)計算得kj=0.26。

第二級消力池與第一級消力池結(jié)構(gòu)形式相同,均為加筑消能坎式消力池,其水力計算過程與第一級消力池計算步驟完全相同。而第三級消力池為降低護坦式消力池,計算示意圖如圖4所示,其池深的計算公式如下:

消力池池深d[6]:

式中:hT為池末水深,hT=σjhc″;φ′為池末出流流速系數(shù),取0.95;ht為下游渠道水深,取 1.3 m。表 2為多級連續(xù)消力池消能水力計算成果表。

圖4 第三級消力池計算示意

表2 多級連續(xù)消力池消能水力計算成果

綜合計算結(jié)果與工程地形地勢,取第一級消力池池長30.2 m,坎高1.0 m,第二級消力池池長12.7 m,坎高1.0 m,第三級消力池池長21.4m,池深1.5 m。

水流經(jīng)過消力池,雖已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余動能,特別是流速分布不均,脈動仍較劇烈,具有一定的沖刷能力。而且渠道入口處流速v=3.2 m/s遠(yuǎn)大于渠道的不沖允許流速0.95 m/s。因此,消力池護坦后仍需設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施,以使水流均勻擴散,并將流速分布逐步調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。

式中:Δ H為末級消力池上下游水位差,Δ H=1.1 m;ks為海漫長度計算系數(shù),可由表3查得,本例取7.0。經(jīng)計算海漫長度Lp=14.7 m。

表3 ks值

4 結(jié) 語

(1)本工程系低水頭建筑物,溢洪道泄槽出口處水流佛汝德數(shù)為3.03,為典型的低佛汝德數(shù)水流消能,采用多級消力池重復(fù)消能方式是解決低佛汝德數(shù)消能的一種有效方式。

(2)本工程采用多級消力池消能方案,提高了消能設(shè)施的消能率,降低了水流流速,減緩了下游水流對河床的沖刷作用,并且多級消力池沒有統(tǒng)一的形式、高程、尺寸等,可因地制宜根據(jù)各種工程特點來滿足各自的經(jīng)濟技術(shù)要求。

[1]許光祥,崔予達,楊忠超.復(fù)式消力池在山區(qū)小水電中研究應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報,2007,26(2):88-92.

[2]劉沛清,冬俊瑞.消力池及輔助消能工設(shè)計的探討[J].水利學(xué)報,1996,(6):48-54.

[3]王久晟,程觀富.多級跌水消能的消能工計算與實驗研究[J].治淮,2002,(6):29-30.

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[6]李煒.水力計算手冊(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

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