消力戽在低水頭大流 泄水建筑物中的應(yīng)用

蘇道峰 穆 亮 劉金巖

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021；2.山東際高建筑設(shè)計院有限公司 山東威海 264200）

1 前言

采用水躍消能時消能效率是佛汝德數(shù) Fr的函數(shù)，研究表明，當(dāng)Fr為3時消能效率僅為25%，且 Fr越低消能效率越低，當(dāng) Fr為 1.7時消能效率已不足 5%。此時若采用底流消能方式，不但消能效率低，而且消力池往往需要修建很長，而為了減小單寬流量而增大溢流前緣時，消力池又需要修建的很寬，造成泄水建筑物工程量大，所占投資比重大，直接影響工程的經(jīng)濟技術(shù)性。

消力戽是近年來研究成功的一種新型的泄水建筑物，并在國內(nèi)外眾多中小工程中廣泛應(yīng)用，取得了較好的效益。消力戽是利用一個較大的反弧半徑和挑角所形成的戽斗，在一定尾水深度作用下，使從溢流壩下泄的水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，并使出戽的水流在底部及尾水中均產(chǎn)生旋滾，以達到消減能量減輕水流對河床沖刷的目的。當(dāng)下泄單寬流量過大時，從戽體最低斷面開始，設(shè)置一段水平池底，加大戽斗內(nèi)旋滾體積，增加效能效果。消力戽適用于低水頭大流量低佛汝德數(shù)深尾水并且下游河床具有一定抗沖能力的條件，具有消能效果較好，體積小，工程量省，施工方便的特點。

2 設(shè)計方法

2.1 戽體體型及尺寸

現(xiàn)階段對戽流流態(tài)的研究還不完全，采用戽式消能工時依據(jù)大多是半理論半經(jīng)驗公式為主，輔以模型試驗及數(shù)值模擬驗證。消力戽的設(shè)計即確定其體型及尺寸：挑角θ，反弧半徑R，護唇高度a，護底高程Z0以及水平段L等（見圖1），使選定的參數(shù)在其運行區(qū)間均為穩(wěn)定戽流流態(tài)。

（1）挑角θ

目前興建的工程，大多數(shù)采用挑角θ=45°，也有少數(shù)采用30°～40°。挑角θ過小，戽內(nèi)表面旋滾易“沖出”戽外，出現(xiàn)潛底戽流；挑角θ過大，將造成較高的涌浪，加大對河岸的沖刷并且造成較深的沖坑，因此挑角θ的選擇，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

（2）反弧半徑R

（3）戽唇高度a

為防止泥沙入戽，戽唇應(yīng)高于河床，戽唇高度一般取約尾水深度的 1/6，高度不夠時可用切線延長加高。

（4）戽底高程Z0

戽底高程設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)是在各級下游水位條件下均產(chǎn)生穩(wěn)定戽流。戽底太高易發(fā)生挑流流態(tài)，戽底太低挖方量增大，不經(jīng)濟。因此戽底高程的確定將流態(tài)與工程量大小統(tǒng)一考慮。

2.2 穩(wěn)定戽流形成的條件

產(chǎn)生臨界戽流時，消力戽下游產(chǎn)生類似水躍的“戽躍”的共軛水深為 h2k，為使消力戽在運行區(qū)間均產(chǎn)生穩(wěn)定戽流，需要確定臨界戽流到穩(wěn)定戽流產(chǎn)生的界限水深 ht1，以及穩(wěn)定戽流到淹沒戽流產(chǎn)生的界限水深ht2，這里ht1=σ1h2k，ht2=σ2h2k，σ1稱為第一淹沒系數(shù)，σ2稱為第二淹沒系數(shù)。當(dāng)下游實際水深ht滿足ht1≦ht≦ht2時，戽內(nèi)流態(tài)為穩(wěn)定戽流。

2.3 消力戽設(shè)計義程

設(shè)計消力戽時，先參照工程實例和戽流流態(tài)的要求，初步設(shè)計戽體體型及尺寸，初選挑角θ，反弧半徑R，護唇高度a，護底高程Z0以及水平段L等，然后對幾個特征流量，分別計算出h2k，進而求得ht1和ht2，而后判斷消力戽下游實際水深ht與ht1和ht2的關(guān)系。若在各級流量下，滿足ht1≦ht≦ht2，則初選的戽體體型及尺寸符合要求，若不滿足則需重新選擇戽體參數(shù)直到符合要求為止。最后在滿足條件的不同的戽體體型及尺寸中選出工程量最優(yōu)的方案作為選定方案即可。

2.4 消力戽計算方法

產(chǎn)生臨界戽流時，用動量方程寫出戽底斷面與下游尾水?dāng)嗝嫠σ刂g的關(guān)系，得到臨界戽流動量方程，來求解“戽躍”共軛水深 h2k；用能量方程寫出溢流前緣斷面與戽底收縮斷面水力要素之間的關(guān)系，來求解收縮水深h1。

式中：Fr—戽底處的佛汝德數(shù)；β—戽內(nèi)離心力修正系數(shù)；θ—戽坎挑角；a2—自河床算起的戽坎高；bΔ—戽底與河床高程的高差；α—戽坎下游面凍水壓力校正系數(shù)；η—共軛水深比（η=h2k/h1）；h1、h2k—戽底及尾水處的水深；φ—流速系數(shù)；E—以戽底為基準(zhǔn)面的上游斷面總水頭。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水電站工程是松花江中段規(guī)劃的梯級電站的第四級電站，也是最末一級電站，總庫容1215.81×104m3，最大壩高23.06m，上下游最大水頭差5m，電站裝機容量9.0MW。該工程規(guī)模為中型，工程等別Ⅲ等，主要由重力擋水壩、溢流壩及泄水建筑物和河床式電站廠房組成，其中重力壩總長 84m，溢流壩總長 111m，電站廠房總長64.5m。

3.2 修建消力戽的 用條件

溢流壩工程設(shè)計洪水按 50年一遇（p=2%）取值，泄洪流量 4966m3/s，對應(yīng)單寬流量45.56m3/s·m，F(xiàn)r為2.78；校核洪水按500年一遇（p=0.2%）取值，泄洪流量8412m3/s，對應(yīng)單寬流量 77.17m3/s·m，F(xiàn)r為 2.41。其下游銜接某水電站庫區(qū)，受下游水電站庫水影響，尾水具有一定深度。為典型的低水頭大流量低佛汝德數(shù)的水力學(xué)問題，下游有水庫庫區(qū)銜接，尾水較深，得天獨厚的地理概況成為修建消力戽的必要條件。

3.3 消力戽設(shè)計

圖1 消力戽體型及參數(shù)

溢流壩采用開敞式無閘WES實用堰，堰頂高程 433.00m，下游銜接消力戽，戽底高程422.00m，為增加戽內(nèi)旋滾體積，增加超大流量的消能效率，在戽底設(shè)置長6m的水平段，戽坎挑角采用45°，反弧半徑采用6m，自河床起算戽坎高度1m，戽底低于河床2m。具體結(jié)構(gòu)詳見圖2，消力戽計算結(jié)果詳見表1。

圖2 溢流壩消力戽斷 圖

表1 消力戽計算結(jié)果表

4 消力戽應(yīng)用的前景

中小型水利水電工程水頭大多不高，在設(shè)計消能工時常常遇到低水頭大流量地佛汝德數(shù)的水力學(xué)難題，底流方式消能的泄水建筑物工程量大，投資比重大，有時甚至成為左右工程可行與否的重要因素，影響工程經(jīng)濟效益。采用消力戽方式消能能夠在有限的空間中節(jié)省龐大的工程量，并且取得比底流消能更好的消能效果，為此類工程提供了可行的設(shè)計方案。以本文工程為例，若按底流方式消能，消力池需要修建至少 60m以上，采用消力戽方式消能工程投資僅為底流方式消能的2/3，節(jié)省資金近1000萬元，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

能夠形成穩(wěn)定戽流除了選擇好消力戽的體型及尺寸外，下游水深也是一個控制性因素，只要在下游水深具有一定深度時，消力戽才能真正發(fā)揮它的優(yōu)點。這在上下游河道相差不大時，往往都能滿足下游尾水的要求，在一些下游河道較開闊而導(dǎo)致的下游尾水不夠的工程中，適當(dāng)采取一定的工程措施，加深下游尾水以滿足穩(wěn)定戽流的條件同樣可以取得滿意的預(yù)期效益。

5 結(jié)語

在本文工程實例中應(yīng)用消力戽消能，解決了低水頭大流量水流消能的水力學(xué)難題，是本工程中一次合理有益的創(chuàng)新嘗試，也為類似工程提供了參考經(jīng)驗。消力戽在低水頭大流量泄水建筑物中的應(yīng)用具有廣泛的前景。

1 吳持恭. 水力學(xué)∶上冊.北京∶ 高等教育出版社, 2003.11.

2 李煒. 水力計算手冊∶ 北京∶ 中國水利水電出版社, 2006.

3 吳持恭, 楊永全, 段維均. 實體消力戽起戽水深的研究.成都科技大學(xué)學(xué)報, 1981(1).

4 何善國. 左江水力樞紐壩址選擇及水工建筑物布置. 廣西水利水電, 2003(1)