（水利工程專業(yè)論文）白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究.pdf

摘要 消能工形式的選擇是泄水建筑物設(shè)計(jì)中最重要的一部分內(nèi)容，針對(duì)具 體工程的具體情況選擇合適的消能型式對(duì)大壩的安全運(yùn)行、節(jié)省工程投資 是極其重要的。本文主要通過水工模型試驗(yàn)對(duì)白石水庫(kù)溢流壩進(jìn)行了多種 消能工形式研究，包括常規(guī)的挑流消能、常規(guī)寬尾墩一連續(xù)式挑流鼻坎聯(lián) 合消能工及異形寬尾墩( 指寬尾的底緣與溢流壩堰面之間存在一定的距離) 一連續(xù)式挑流鼻坎聯(lián)合消能工。通過研究發(fā)現(xiàn)異形寬尾墩連續(xù)式挑流鼻 坎聯(lián)合消能工對(duì)白石水庫(kù)溢流壩具有良好的消能效果。該聯(lián)合消能工是一 種不同于傳統(tǒng)挑流消能工的新型挑流消能工，在國(guó)內(nèi)外尚不多見。本文通 過水工模型試驗(yàn)成果的分析，探討了異形寬尾墩連續(xù)式挑流鼻坎聯(lián)合消 能工的消能機(jī)理，提出了適合白石水庫(kù)情況的消能工結(jié)構(gòu)尺寸。 關(guān)鍵詞：白石水庫(kù)、消能、異形寬尾墩、模型試驗(yàn) a b s t r a c t t h es e l e c t i o no fe n e r g yd i s s i p a t i o n 哆p ei sa ni m p o r t a 1 1 _ to n ef o r r e l e a s e w o r k sd e s i g n i ti ss a f ea n de c o n 蚴i c a lt os e l e c td i 仃e r e n ts u i 協(xié)b l e e n e r g y d i s s i p a t i o n 帥e sf o rd i 腩r e n tr e l e a s e 、v o r k s i i lt 1 1 i sp a p e rv a r i o u se n e 蝌 d i s s i p a t i o nt y p e sf o ro v e 瓶o wd a mi nb a i s h ir e s e o j rh a v eb e e ns t u d i e db v u s i n gh y d r a u l i cm o d e lt e s t s ，i n c l u d i n gc o m m o ne n e r g yd i s s i p a t i o no fs 虹_ j u m p 咖e ，c o n l i i l o nb r o a dt a i lp i e rp l u sp l a i nb u c k e t ，i r r e g u l a rb r o a dt a i lp i e rp l u s p l a i nb u c k e ta 1 1 ds oo n i ti sf - 0 u n dt i l a tm ee n e 瑪yd i s s i p a t i o no f i r r e g u l a rb r o a d t a i lp i e rp l u sp l a i nb u c k e tt y p ei sm eb e s tf o rb a i s h ir e s e o i r i ti sa n e wt y p eo f e n e 曙yd i s s i p a t j o nw h i c hd i 矗e r e l l tf b mt h ec o 皿n o nt ) ，p e s b a s e do nm e e x p e r i m e n t a l r e s u n s ，t h ec h 眥l c t e r i s t i c so fe n e r g yd i s s i p a t i o no fi r r e g u l a rb r o a d t a i l p i e r sh a v eb e e na n a l y z e d as u i t a b l el a y o u to ft 1 1 ee n e r g yd i s s i p a t i o no f i r r e g u l a rb r o a dt a i lp i e rp l u sp l a i nb u c k e tf - o rb a i s l l ir e s e o i rh a sb e e n p r o p o s e d k e y w o r d s ：b a i s h ir e s e r v o i r ，e n e r g yd i s s i p a t i o n ，i r r e g u l a rb r o a d t a i l ， m o d e lt e s t 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同時(shí)對(duì)本研 究所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如不實(shí)， 本人負(fù)全部責(zé)任。 論文儲(chǔ)( 簽名) ：遮型助餌俑廠日 學(xué)位論文使用授權(quán)說明： 河海大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所( 漢萬方數(shù)據(jù)庫(kù)) 、國(guó)家圖書館、 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊( 光盤版) 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印 件或電子文檔，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。本人電子 文檔的內(nèi)容和紙制論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許 論文被查閱和借閱。論文全部或部分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權(quán)河海大 學(xué)研究生院辦理。 1 1 論文作者( 簽名) ：遂型l二一佴循廠日 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1 1 問題的提出 第一章緒論 在水利水電工程中，大多數(shù)是通過修建擋水建筑物以形成一定的庫(kù)容，利用庫(kù)容 來攔蓄調(diào)節(jié)洪水起到防洪作用或利用攔蓄的水量發(fā)揮城市供水、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚及 發(fā)展旅游等興利目的。但水庫(kù)的庫(kù)容是有限的，不可能完全攔蓄汛期進(jìn)入庫(kù)內(nèi)的大洪 水的水量，當(dāng)水庫(kù)水位超過汛期限制水位時(shí)，為保證水庫(kù)的安全，水庫(kù)必須渲泄洪水， 而用來渲泄洪水的建筑物就是泄水建筑物，如泄水建筑物規(guī)模不足、運(yùn)行的安全度不 夠或消能問題解決得不理想，將會(huì)給整個(gè)工程的運(yùn)行帶來以下幾方面危害：使得水庫(kù) 在遭遇大洪水時(shí)不能渲泄設(shè)計(jì)的洪水，導(dǎo)致庫(kù)水位超過設(shè)計(jì)允許的水位危及大壩安全 甚至發(fā)生大壩漫頂發(fā)生垮壩事故；下游沖刷嚴(yán)重，危及大壩或其他建筑物的安全：為 保證樞紐的安全，降低水庫(kù)的運(yùn)行水位，這會(huì)降低樞紐的興利能力，不能充分發(fā)揮工 程的效益。因此，可以說泄水建筑物是保障水庫(kù)安全和充分發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵，在 水利水電工程的設(shè)計(jì)過程中必須給以充分重視。 由泄水建筑物下泄的高速水流具有以動(dòng)能為主的大量機(jī)械能，如此巨大的能量可 能對(duì)下游河床產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，因此消能防沖常常是泄水建筑物設(shè)計(jì)過程中要解決的 主要問題之一“。消能工是泄水建筑物的有機(jī)組成部分，擔(dān)負(fù)著消散部分或大部分高速 水流動(dòng)能的任務(wù)。消能工設(shè)計(jì)是泄水建筑物設(shè)計(jì)中最重要的一部分內(nèi)容，針對(duì)具體工 程的具體情況選擇合適的消能型式對(duì)大壩的安全運(yùn)行、節(jié)省工程投資是極其重要的。 目前在國(guó)內(nèi)外比較成熟并且應(yīng)用比較廣泛的的泄水建筑物消能工有底流消能、面流消 能、戽流消能及挑流消能等幾種，并且近年來隨著研究的深入，在以上幾種基本的消 能工的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了諸如收縮式消能工、孔板消能工及多種聯(lián)合消能工等新型的消 能工形式，并積累了大量的試驗(yàn)與實(shí)踐資料，使得消能工的形式多樣化。 l i 自石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 白石水庫(kù)溢流壩是水庫(kù)主要泄水建筑物之一，與泄流底孔一起擔(dān)負(fù)水庫(kù)下泄洪水 的任務(wù)，屬于中等水頭、低佛汝德數(shù)、下游水位較低并且單寬流量較大的情況，一般 而言對(duì)此種類型的溢流壩采用底流消能工的居多，采用挑流消能的較少，但根據(jù)工程 的總體布置，溢流壩段長(zhǎng)度為1 6 8 o m ，若采用底流消能，如此大規(guī)模的消力池造價(jià)太 高，將使工程投資增加較多。同時(shí)白石水庫(kù)下游有一定的水深，且下游巖石的抗沖刷 能力較強(qiáng)，通過本課題的研究，可以提出一種適合于白石水庫(kù)溢流壩的不同于傳統(tǒng)挑 流消能工的新型挑流消能工( 初步確定研究方向?yàn)椴捎檬湛s式消能工與挑流鼻坎聯(lián)合 進(jìn)行消能) ，這對(duì)節(jié)約工程投資、提高大壩的安全度具有重大影響。并且對(duì)消能技術(shù)的 發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)，對(duì)其它類似工程的設(shè)計(jì)提供有益的幫助。 1 2 國(guó)內(nèi)外消能工研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展 從物理學(xué)中可知，能量是不能“消”掉的，所謂的消能有兩方面的含義：其是設(shè)法 將對(duì)工程有潛在危害的動(dòng)能盡可能地轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉，讓水流在預(yù)計(jì)的空間，通 過水與水、水與固體邊界、水與空氣等各種相互摩擦、摻混、沖擊、碰撞等方式，實(shí) 現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)變；其二是設(shè)法讓帶有剩余動(dòng)能的水流與防沖保護(hù)對(duì)象( 建筑物基底 及其附近河床) 遠(yuǎn)離或分隔，以沖刷不危及建筑物本身安全為條件 2 】。根據(jù)上述理論， 在國(guó)內(nèi)外的水利水電工程泄水建筑物中采用了多種多樣的消能工型式，本節(jié)對(duì)國(guó)內(nèi)外 消能工研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。 1 2 1 傳統(tǒng)消能工 1 2 1 1 挑流消能工 挑流消能一般適用于尾水偏低但基巖條件較好的工程，其特點(diǎn)是在泄水建筑物的 末端利用鼻坎將泄出的高速水流挑離建筑物較遠(yuǎn)的下游，使水流的能量在空中和下游 水墊中消耗。模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)成果表明，水流挑離挑坎后，在空中作拋射運(yùn)動(dòng)， 并通過摻氣、擴(kuò)散及水質(zhì)點(diǎn)相互碰撞在空中消耗部分能量。射流進(jìn)入下游水墊后，隨 尾水深淺的不同產(chǎn)生不同程度的舒張變形，一般在射流內(nèi)、外緣均形成程度不同的旋 2 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 滾。由于水流的大部分能量要在射流區(qū)附近消除，由此導(dǎo)致沖刷坑形成并持續(xù)發(fā)展， 直到?jīng)_刷坑達(dá)到達(dá)到一定的深度后，由于坑內(nèi)水深增加，好像一層水墊，能對(duì)河床起 保護(hù)作用，使河床不致被繼續(xù)沖刷為止。 相對(duì)而言，挑流消能工一般不需要在下游河床修建很多防護(hù)工程，是一種比較經(jīng) 濟(jì)，設(shè)計(jì)施工較為簡(jiǎn)便的消能方式，這種消能方式也被大量的水利水電工程采用。 挑流消能于1 9 3 3 年被首次應(yīng)用于西班牙的r i e o b a y o 重力拱壩的溢洪道上，并于 1 9 3 6 年被首次應(yīng)用于法國(guó)的m a r e g e s 拱壩的滑雪式溢洪道上。在我國(guó)將底流消能改建 為挑流消能的豐滿水電站溢流壩則是最早采用挑流消能的工程工程之一，時(shí)間是1 9 5 3 年【2 】。 挑流消能工包括導(dǎo)流墻、隔墻、分流墩及挑流鼻坎等，而挑流鼻坎是其主要的消 能工。傳統(tǒng)的挑流消能工一般采用連續(xù)式鼻坎和差動(dòng)式鼻坎兩種型式。 連續(xù)式挑流鼻坎剖面形態(tài)均一，采用一種挑角，體形簡(jiǎn)單，施工方便，早期為大 多數(shù)采用挑流消能型式的水利水電工程所采用( 如觀音閣水庫(kù)、參窩水庫(kù)等) 。 差動(dòng)式挑流鼻坎由兩種挑角的一系列高坎與低坎相間布置所構(gòu)成( 常規(guī)的為矩形， 也有改進(jìn)為梯形的) ，也稱作齒槽式挑坎【3 1 ，同連續(xù)式挑坎相比，水舌離開差動(dòng)式鼻坎 時(shí)上、下分散，能夠加大水舌與空氣的接觸面積、增強(qiáng)紊動(dòng)、摻氣和擴(kuò)散，提高消能 效果，進(jìn)一步減小沖刷坑深度。其缺點(diǎn)是在高速水流作用下較易發(fā)生空蝕，特別是矩 形差動(dòng)式側(cè)面更容易產(chǎn)生氣蝕。 這種鼻坎也有較多工程采用，如新安江水電站溢流廠房頂采用矩形差動(dòng)式鼻坎： 貓?zhí)有尬乃娬净┑酪缌鲝S房頂采用梯形差動(dòng)式鼻坎；柘溪水電站大頭壩先用矩 形差動(dòng)式鼻坎，后因空蝕問題而改用梯形差動(dòng)式鼻坎。 1 2 1 2 底流消能工 底流消能也稱水躍消能，是利用水躍進(jìn)行流態(tài)轉(zhuǎn)變及消殺能量的一種消能形式。 促成水躍消能和流態(tài)轉(zhuǎn)變的消能工稱為消力池或水躍消能塘，其特點(diǎn)是射流臨底，底 3 自石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 部水流流速很高，且沿下游不斷降低，而水流表面則表現(xiàn)為水躍漩滾，水流大量摻氣。 底流消能可適用于高、中、低水頭，大、中、小流量的各類泄水建筑物，對(duì)地質(zhì) 條件要求較低，對(duì)尾水變幅的適應(yīng)性也較好。然而消能塘底需修建護(hù)坦，兩側(cè)需做邊 墻，有時(shí)塘后還需做翼墻，以保障出塘水流的均勻擴(kuò)散和與下游水流的平順銜接，且 在軟基上的塘后段還需設(shè)拋石海漫和防沖齒槽等，因此相對(duì)而言底流消能是一種耗費(fèi) 較大的消能設(shè)施。 基于上述原因，底流消能工多用于中、低水頭的水力水電工程中，尤其是地質(zhì)條 件較差( 巖石抗沖刷能力低或?yàn)檐浕? 的應(yīng)用較為普遍。高水頭、大單寬流量的泄水 建筑物應(yīng)用底流消能的較為少見。 1 2 1 3 面流消能工 面流消能也是壩下消能的基本形式，但其實(shí)用不如底流消能與挑流消能廣。面流 消能是利用設(shè)置在溢流坎末端的跌坎，將溢流坎項(xiàng)下泄的高速射流導(dǎo)入下游水流的表 面，并在跌坎附近的表面主流與河床之間形成旋滾，該旋滾將高速水流與河床隔開。 這樣，一方面通過旋滾消耗余能，另一方面高速水流不直接接觸河床，達(dá)到消能防沖 的目的。 總體來講面流消能方式使用的條件較底流、挑流消能苛刻，主要有：下游尾水水 深略大于水躍消能的第二共軛水深，且水位變幅不大；單寬流量可較大，但上下游水 位差不大；下游較長(zhǎng)距離內(nèi)對(duì)波浪的限制不嚴(yán)；岸坡穩(wěn)定性和抗沖能力較好；壩址附 近河床覆蓋層清除量或其他清渣量較小。將這些條件具體化，即豐水河流上、巖基、 中低水頭弗汝德數(shù)且下游通航要求不高者，才可考慮采用面流消能。 面流消能工的優(yōu)點(diǎn)在于：主流在表面，具有底部漩滾，河床加固費(fèi)用較少，便于 排除浮冰及其它漂浮物。其缺點(diǎn)是：水流銜接形式復(fù)雜多變，不易控制，下游有較大 的波浪，影響航運(yùn)、岸坡穩(wěn)定及水輪機(jī)運(yùn)行。 由于面流消能的造價(jià)較低，我國(guó)早期在中小型工程中應(yīng)用稍多，但效果較好的比 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 較少，如七里程、西津水電站都采用了壩下面流消能方式，但隨后的運(yùn)行表明，下游 波浪問題較嚴(yán)重，效果很不理想。但也有少數(shù)后期建造的工程大型采用面流消能方式， 設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過多家的試驗(yàn)研究和較充分的論證，取得了較好的消能效果，如石泉水 電站溢流壩和龔嘴水電站溢流壩等【2 1 。 1 2 1 4 戽流消能 消力戽消能是在泄水建筑物末端設(shè)置一個(gè)半徑較大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎 潛沒在水下，形不成自由水舌，水流在戽內(nèi)產(chǎn)生旋滾，經(jīng)鼻坎將高速的主流挑至表面， 其流態(tài)為“三滾一浪”。戽內(nèi)、外水流的旋滾可以消耗大量能量，因高速水流挑至表面， 減輕了對(duì)河床的沖刷【4 】。 消力戽適用于尾水較深( 通常大于躍后水深) ，變幅較小，無航運(yùn)要求且下游河 床和兩岸有一定抗沖能力的情況。高速主流在表面，不需護(hù)坦，但水面波動(dòng)較大。 戽流消能發(fā)展至今已有4 0 多年的歷史，早期在水頭較低的中小型水利工程中應(yīng)用 較多，在較高水頭的大型的水利工程中應(yīng)用較少，但隨著科技的不斷發(fā)展，已有一些 較高水頭的大型的水利工程采用戽流消能工，如大苦力重力壩、佐久間壩、靜內(nèi)壩及 安格斯杜拉壩等。 1 2 2 新型消能工 隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，試驗(yàn)手段的增加，消能工的研究也取得了極大進(jìn)展， 在水利工程建設(shè)中涌現(xiàn)了大量新型的消能工，這些新型消能工的應(yīng)用，使得消能防沖 技術(shù)得到了很大提高，大大提高了消能效率，節(jié)約了大量的工程投資。新型消能工與 傳統(tǒng)的基本消能工相比，具有以下幾方面的發(fā)展： 1 ) 、四種基本的消能工型式的出發(fā)點(diǎn)均是通過采取相應(yīng)的工程措施在泄水建筑物 的出口完成消能工作，消能的壓力完全集中在水流出口處，現(xiàn)在發(fā)展的理念是在水流 從入口到出口的全過程當(dāng)中都可以采取消能措施，以使得消能的效果更加理想，進(jìn)一 步減輕下游河床及兩岸的壓力，如臺(tái)階式消能工及隧洞孔板消能工等； 5 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 2 ) 、在傳統(tǒng)的基本消能工基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展，比如挑流鼻坎形式已發(fā)展的 多種多樣：擴(kuò)散式、大差動(dòng)式、窄縫式、匙式扭曲擴(kuò)散斜挑坎等。 3 ) 、聯(lián)合消能工應(yīng)用：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在修建的水利工程有規(guī)模越 來越大的趨勢(shì)，壩越來越高，泄量越來越大，下泄水流的能量越來越大，運(yùn)用單一的 消能工常常難以達(dá)到理想的消能效果，因此涌現(xiàn)了越來越多的多種消能工聯(lián)合消能的 型式，如寬尾墩+ 底流消能和寬尾墩+ 臺(tái)階式溢流壩等。 下面簡(jiǎn)要總結(jié)一下比較較有代表性的新型消能工。 1 2 2 1 高壩下游水墊塘消能 高壩下游泄洪消能形式的的選擇是目前國(guó)內(nèi)外峽谷區(qū)高壩建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)難 題。特別是對(duì)于高拱壩的挑、跌流泄洪布置，采用消力塘消能消能是一種安全、經(jīng)濟(jì) 的泄洪消能布置方案【4 】。 挑跌流水墊塘消能型式是利用射流和水躍的消能原理，通過一定的工程措旖在壩 下設(shè)置水墊塘，在所控制的區(qū)域內(nèi)集中消殺下泄水流的機(jī)械能。與常規(guī)的基本消能型 式相比，水墊塘內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)突出了射流的特征，底板塊的受力突出了脈動(dòng)壓力的作 用。 我國(guó)對(duì)于消力塘的研究比較深入，對(duì)于消力塘內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)與消能機(jī)理，已 有了明確的認(rèn)識(shí)。提出了消力塘消能的機(jī)理模式，通過大量的試驗(yàn)及理論分析，對(duì)于 射流對(duì)水墊塘底板的動(dòng)水沖擊力、脈動(dòng)壓力、水墊塘底板上的脈動(dòng)上舉力等提出了一 種新的理論模式。 根據(jù)“分散出流、水流撞擊”的消能防沖原理，高拱壩壩身泄洪方式一般采用表孔+ 深孔、中孔+ 深孔或表孔+ 中孔+ 深孔等布置方案，分層出流，上下差動(dòng)，水流撞擊，使 射流股在入水處縱向盡可能地拉開和分散，有效地削弱入水射流的集中強(qiáng)度，減輕射 流對(duì)水墊塘底部的沖刷破壞能力。 我國(guó)二灘、小灣、構(gòu)皮灘及溪洛渡等超過2 0 0 m 高的拱壩均采用了這種消能型式， 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 取得了較好的效果【5 卜 1 4 】。 1 2 2 2 臺(tái)階式消能工 臺(tái)階式消能工是充分利用水流從進(jìn)口到出口的中間行程進(jìn)行消能的典型代表型 式，通過把溢流壩或溢洪道表面做成臺(tái)階狀，使得水流在流經(jīng)臺(tái)階表面時(shí)不斷地產(chǎn)生 跌落，消減水流的能量。 以前，縱觀國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐，臺(tái)階消能工均限制在單寬流量小于1 6 m 3 s m 的情 況，以防止空蝕破壞。隨著8 0 年代碾壓式混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展，臺(tái)階式消能工的應(yīng) 用也得到了進(jìn)一步發(fā)展。美國(guó)已有幾項(xiàng)工程采用了這種消能型式，如m c c l u r e 壩和u s d 壩等。通過對(duì)臺(tái)階式溢洪道的研究和工程應(yīng)用，我國(guó)采用與寬尾墩相結(jié)合的運(yùn)用方式， 已取得了突破性進(jìn)展，進(jìn)而在高壩的消能中得到應(yīng)用，大大突破了單寬流量小于 1 6 m 3 s m 的限制。如云南大朝山溢流壩( 壩高l l l m ，最大單寬流量為1 9 3 m 3 s m ) 和 廣西百色溢流壩( 壩高1 3 0 m ，最大單寬流量為1 5 6 3 m 3 ，s m ) ，都采用了寬尾墩+ 臺(tái)階 式溢流壩聯(lián)合消能工，福建省水東水電站采用寬尾墩+ 階梯式壩面+ 戽式消力池聯(lián)合消 能工【4 】 1 5 卜【2 0 】。 1 2 2 3 高低坎大差動(dòng)消能工 高低坎大差動(dòng)消能工消能工能使水流縱向分層、橫向擴(kuò)散并且水股在空中碰撞， 因而促使水流強(qiáng)烈紊動(dòng)摻氣并擴(kuò)大射流入水面積，減小進(jìn)入河床水流的單寬流量，減 輕下游河床的沖刷。 如白山水電站，四個(gè)表孔三個(gè)中孑l 采用不同高程，不同挑角的大差動(dòng)挑流鼻坎， 使水流在平面上擴(kuò)散占據(jù)整個(gè)河床阻斷回流，四個(gè)表孔水流分四層挑入河床，高孔水 流與中孔水流在空中碰撞，達(dá)到強(qiáng)烈紊動(dòng)消能的目的。二灘水電站，表孔為大差動(dòng)俯 角跌坎加分流齒，中孔為壓力上翹短管，右岸兩條泄洪洞，出口采用斜切扭曲鼻坎和 舌形擴(kuò)散坎等消能工型式，實(shí)驗(yàn)研究表明，由于表、中孔水舌在空中的對(duì)沖碰撞以及 分流齒對(duì)水舌的分散作用，消能率大大提高并使水墊塘的沖擊壓力減小了6 0 以i - 4 1 。 7 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 1 2 2 4 孔板消能工 高水頭大流量水利樞紐( 尤其是土石壩水利樞紐) 多設(shè)有河岸泄洪隧洞，特別是 利用導(dǎo)流隧洞改建的永久性有壓泄洪洞，由于洞身高度低，洞內(nèi)水頭大，流速高，一 般應(yīng)在洞身靠上游段設(shè)置消能工，以減免其后洞身的空蝕、沖蝕和磨蝕破壞。洞內(nèi)消 能可采用多種形式，孔板消能即是其中有效的一種。 孔板消能的機(jī)理的研究可追溯到波達(dá)( b o r d a ) 和普朗特( p r a n d t l l ) 對(duì)突擴(kuò)和孔 板水頭損失的計(jì)算以及r o u s eh 和b a l lw 等人對(duì)突擴(kuò)式壓力消能的試驗(yàn)及喬尼斯維里 對(duì)壓力消能工的研究。其機(jī)理是：在隧洞襯砌內(nèi)壁上設(shè)置凸出洞壁的孔板，受孔板的 約束作用，高速流經(jīng)過孔板突然收縮，緊接著又因斷面的突然擴(kuò)大，并在孔板后形成 強(qiáng)烈的回流旋渦區(qū)，水流經(jīng)過收縮擴(kuò)大紊動(dòng)剪切變形和強(qiáng)烈旋渦，以使洞內(nèi)流速降低， 從而消殺大量的機(jī)械能。我國(guó)也對(duì)孔板體形、孔板消能的水力特性與結(jié)構(gòu)振動(dòng)等一系 列問題進(jìn)行了較為全面地研究，并在碧口水電站排沙洞上進(jìn)行了原型試驗(yàn)，試驗(yàn)采用 了兩級(jí)孔板，試驗(yàn)結(jié)果表明孔板消能工所消殺的能量占總水頭的3 0 , - - 4 5 ，并且由水 流脈動(dòng)壓力引起的振動(dòng)相當(dāng)微弱，無論從動(dòng)應(yīng)力還是從振動(dòng)加速度的數(shù)值來看，都不 至于造成振動(dòng)破壞【2 1 卜 2 6 1 。 我國(guó)小浪底中深泄洪洞是我國(guó)第一個(gè)在工程實(shí)踐中采用孔板消能工的大型水利工 程。泄洪洞為龍?zhí)ь^布置，并利用一部分導(dǎo)流洞，為部分滿流和部分明流隧洞，工作 閘門布置在泄洪洞中央?yún)^(qū)域，閘門上游為滿流，下游為明流，出口采用挑流消能形式， 最大水頭約1 2 4 m ，隧洞直徑為1 4 5 m ，在滿流區(qū)設(shè)置了三級(jí)孔板。經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn) 證，其消能效果是顯著的，可消耗水頭約8 0 m ，相當(dāng)于閘室前總水頭的6 5 1 2 7 】【2 8 1 。 除孔板消能工外，渦旋豎井消能工也是一種新型的洞內(nèi)消能工【2 卿口舶，其主要利 用建筑物對(duì)水流的導(dǎo)引作用，在洞內(nèi)形成強(qiáng)烈的渦旋流，使水流作大范圍的螺旋運(yùn)動(dòng) 并大量摻氣，從而可有效地減小流速，消除能量，減輕下游的負(fù)擔(dān)。 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1 2 2 5 摻氣分流墩消能工 底流消能工是一種最古老、應(yīng)用范圍最廣泛的消能形式，但由于需要的護(hù)坦厚度 較大，消力池造價(jià)一般均較高，為了提高消力池的消能效果、縮短消力池長(zhǎng)度、減小 消力池的深度，從而降低造價(jià)，早期人們?cè)谙Τ刂屑釉O(shè)了各種各樣的墩、坎等輔助 消能工，以達(dá)到穩(wěn)定水躍、分散水流、加強(qiáng)紊動(dòng)剪切和混摻的目的。為了防止空蝕破 壞，消力墩等輔助消能工一般設(shè)在流速不大于1 5 1 8 m s 的消力池中。為了解決空蝕問 題，我國(guó)薄巾溢流壩改成了差動(dòng)坎；西班牙阿爾康塔壩則采用了大型消能墩，有效控 黹l j y z k k 4 j 。 由于消能墩的局限性，到二十世紀(jì)七十年代人們突破了僅在池內(nèi)設(shè)消能工的方式， 開始在消力池前的陡坡上設(shè)置消能工。譬如巴西伊拉索太臘壩溢洪道和西班牙塞迪洛 壩溢洪道，在消力池上游陡坡上設(shè)置了大型分流墩，并于通氣設(shè)施相配合，我國(guó)嚴(yán)晉 垣等也提出摻氣分流墩消能工。分流墩的作用是將陡坡上的水流分為部分貼壁流和部 分豎向、縱向擴(kuò)散的水流，從而減小了入池水流的動(dòng)能，有效地改善了消力池的流態(tài)， 提高了消能效果。 這種消能工以成功地應(yīng)用在柘林水庫(kù)泄洪洞工程中，通過泄洪洞消能試驗(yàn)研究發(fā) 現(xiàn)，采用摻氣分流墩后可使水躍長(zhǎng)度縮短3 0 ，躍后水深降低2 0 ，總消能效率提高 1 7 3 3 卜【3 5 】。 1 2 t 2 6 窄縫挑坎消能工 如前節(jié)所述，挑流消能工是一種最為經(jīng)濟(jì)的消能型式，但相對(duì)而言其下泄水流對(duì) 下游河床及兩岸的沖刷比較嚴(yán)重，為盡可能提高入水射流的分散度，減輕其對(duì)下游河 床的沖刷破壞能力，人們利用射流水股在空中的流向可導(dǎo)性、水流斷面形狀的可變性 及其水舌的擴(kuò)散性( 縱橫向) ，在早期常規(guī)等寬矩形挑坎的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了多 種型式的挑流鼻坎。譬如早期的擴(kuò)散挑坎( 提高射流水舌的橫向分散度) 和差動(dòng)式挑 坎( 使射流水股上下適當(dāng)錯(cuò)開，加強(qiáng)水舌的入水縱向分散度等。 9 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 但對(duì)于窄峽谷、高水頭、大流量泄洪建筑物的挑流消能工，由于河道狹窄，顯然 采用擴(kuò)散式挑坎以增加射流的橫向擴(kuò)散性受到限制，因此如何盡可能提高射流水舌的 豎向和縱向分散度將成為挑坎設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，收縮式窄縫挑坎就是在這種情況下提出的。 窄縫式挑流是利用挑坎側(cè)墻的收縮，使水舌形成豎向和縱向擴(kuò)散強(qiáng)化消能，但由 于挑坎出1 2 1 縮窄，相應(yīng)的單寬流量就比較大，早期在消能工設(shè)計(jì)中，常以單寬流量q 作為先決條件，常規(guī)國(guó)內(nèi)外泄水建筑物的消能工常用的q 一般不超過3 0 0 m 3 s m ，早前 蘇聯(lián)學(xué)者曾提到過，只有在狹窄峽谷中，無法采用別的消能工時(shí)才采用收縮式挑坎， 認(rèn)為這種挑坎的下泄水流會(huì)引起較大的沖刷。但隨著科學(xué)的發(fā)展，人們的認(rèn)識(shí)水平不 斷提高，逐漸認(rèn)識(shí)到下泄水流的對(duì)下游沖刷程度并不完全取決于單寬流量的大小，同 時(shí)也取決于水舌入水面的大小，如果通過采取合適的窄縫體型，雖然加大了單寬流量， 但能夠通過對(duì)水流的橫向收縮，使出坎水流在豎向和縱向充分?jǐn)U散，射流水舌在空中 像一片薄薄的扇子，入水面積擴(kuò)散很大，更有效地減輕入水射流對(duì)河床的沖刷破壞能 力，這種認(rèn)識(shí)突破了水流沿平面擴(kuò)散以減小單寬流量的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，1 9 5 4 年葡萄牙建成的卡勃利爾拱壩的泄洪隧洞出口采用扭曲并 收縮成窄而高的矩形挑坎，成為世界上最先采用的窄縫式挑流消能工的工程。在1 9 5 8 年葡萄牙建成的卡斯特羅多博德重力拱壩的壩面滑雪道出 2 1 又采用了窄縫挑坎。進(jìn)入 6 0 年代后，伊朗、西班牙、法國(guó)、南斯拉夫等許多國(guó)家都先后在多項(xiàng)水利工程中采用 了窄縫式挑流消能工，其中西班牙阿爾門德拉工程就是一項(xiàng)相當(dāng)成功的工程實(shí)例：該 工程右岸兩孔泄洪洞末端采用了窄縫式挑坎，原型觀測(cè)表明，水舌軌跡與河床沖刷的 范圍和模型試驗(yàn)基本一致，證明這種布置型式對(duì)于狹窄河谷是適宜的，從而大大激發(fā) 了人們對(duì)窄縫挑坎研究的興趣。我國(guó)水利工作者對(duì)窄縫挑坎的認(rèn)識(shí)起始于二十世紀(jì)七 十年代( 由林秉南院士將國(guó)外窄縫式消能工介紹到國(guó)內(nèi)) ，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院李 桂芬、高季章首次對(duì)窄縫挑坎進(jìn)行了系統(tǒng)機(jī)理研究，水電部中南院童顯武、蘇祥林等 首次將窄縫式挑坎應(yīng)用于東江電站右岸溢洪道末端，經(jīng)原型觀測(cè)證明是成功的。以后 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 我國(guó)又有一些工程成功地采用了窄縫式挑流消能工：龍羊峽重力拱壩右岸兩孔岸邊溢 洪道出口采用了曲面窄縫挑坎，左岸中孔出口轉(zhuǎn)角后接曲面窄縫式挑坎形式：安康重 力壩左岸兩孔岸邊溢洪道出口采用了曲面窄縫挑坎，并增設(shè)了導(dǎo)向板；東風(fēng)水庫(kù)深孔、 拉西瓦水電站中孔和深孔、二道河子水庫(kù)底孔及石砭峪水庫(kù)泄洪洞等都采用了窄縫式 挑流消能工。目前已建的采用窄縫式挑流消能工的工程中，挑坎出口的最大單寬流量 已達(dá)到6 0 0 8 0 0 m 3 s i t i ，大大超過了3 0 0 m 3 s m 的限制。同時(shí)國(guó)內(nèi)一些水利科研單位還 進(jìn)行了窄縫式消力戽消能工的試驗(yàn)研究，取得一大批有價(jià)值的研究成果口6 卜【4 5 j 。 1 3 寬尾墩消能工 寬尾墩是利用加寬閘墩墩尾使堰頂收縮，迫使水流從原來的二元水流形成沿縱向 擴(kuò)散的三元水流，從而使得水流在出閘墩之前就得以消殺一部分能量，突破了在建筑 物出口部位設(shè)置消能工的傳統(tǒng)模式。利用寬尾墩進(jìn)行消能是我國(guó)的學(xué)者最早提出來并 在工程上進(jìn)行應(yīng)用的，目前國(guó)外對(duì)寬尾墩的研究較少，實(shí)際應(yīng)用的工程也極少?？梢?說寬尾墩是收縮式消能工在我國(guó)的創(chuàng)造性發(fā)展，將寬尾墩用于泄洪消能是一項(xiàng)重大革 新。1 9 7 4 年林秉南與龔振瀛共同認(rèn)識(shí)到常規(guī)平直閘墩下游的水流消能不如逐漸擴(kuò)大的 閘墩。后來龔振瀛結(jié)合安康溢流壩戽式消力池消能型式提出改平尾墩為寬尾墩的設(shè)想， 并應(yīng)用于模型試驗(yàn)，取得了非常好的效果，并為以后寬尾墩和底流消能工相結(jié)合提供 了技術(shù)儲(chǔ)備，這是我國(guó)首次對(duì)寬尾墩結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行的水工模型試驗(yàn)。稍后由于林 秉南的建議，將寬尾墩應(yīng)用于潘家口溢流壩的挑流消能工試驗(yàn)，并隨后建成了三孔寬 尾墩挑流聯(lián)合消能工試驗(yàn)壩段，開創(chuàng)了寬尾墩應(yīng)用于實(shí)際工程的先例。以后安康、隔 河巖水利樞紐都采用了寬尾墩底流消力池聯(lián)合消能工，巖灘采用了寬尾墩戽式消力池 聯(lián)合消能工，五強(qiáng)溪水電站是表孔寬尾墩一底孔一消力池聯(lián)合消能，楊家崴子水庫(kù)采用了 寬尾墩加t 形墩消力池聯(lián)合消能方式。根據(jù)目前掌握的情況，運(yùn)行情況都比較好。隨 著寬尾墩在國(guó)內(nèi)水利工程上的應(yīng)用實(shí)例增多，我國(guó)對(duì)寬尾墩的設(shè)計(jì)與研究取得了十分 豐富的成果與經(jīng)驗(yàn)，處于國(guó)際領(lǐng)先地位【4 2 】【蜘【4 6 卜【5 0 1 。但根據(jù)已建工程的情況看，絕大 自石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 多數(shù)工程采用的是寬尾墩消力池( 包括底流與戽流) 聯(lián)合消能方式，在這種消能方式 方面的試驗(yàn)與研究比較深入，并且已經(jīng)取得了較多的成果。 1 4 本文研究的技術(shù)路線主要內(nèi)容 根據(jù)白石水庫(kù)溢流壩的具體情況，已初步確定消能方式選用挑流消能是比較合適 的，但如果采用常規(guī)的挑流消能方式，雖經(jīng)計(jì)算不會(huì)危及壩體安全，但保證率較低， 而且沖刷坑斷面較大，溢流壩段溢流后產(chǎn)生的大量沖刷體將使下游河床大量淤積，尾 水抬高，引起一系列的不良后果。為減輕溢流壩泄流對(duì)下游河床的沖刷程度，確保大 壩的安全，本文將主要研究在白石水庫(kù)溢流壩段采用寬尾墩+ 挑流消能工的可行性并優(yōu) 化確定寬尾墩的各種主要參數(shù)，確定一種最適合自石水庫(kù)溢流壩特點(diǎn)的消能工。而寬 尾墩挑流消能方式應(yīng)用的較少，到目前為止只有潘家口( 三個(gè)壩段) 一例，并且潘家 口溢流壩屬于高水頭溢流壩，與白石水庫(kù)的情況( 中低水頭、低弗汝德數(shù)) 不同，在 中低水頭建筑物中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外并無相關(guān)研究成果，屬空白。 1 2 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章白石水庫(kù)溢流壩工程概況 2 1 白石水庫(kù)工程概況及樞紐布置 2 1 1 工程概況 白石水庫(kù)是遼寧省“九五”期間水資源建設(shè)的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是一座以防洪、灌溉、 城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程。 白石水庫(kù)壩址位于遼寧省西部大凌河干流上，控制流域面積1 7 6 4 9 k m 2 ，占大凌河 流域面積的7 6 ，水庫(kù)總庫(kù)容為1 6 4 5 億m 3 ，水庫(kù)規(guī)模為大( 1 ) 型。 水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高5 0 3 m ，壩頂長(zhǎng)5 1 3 m ，包括擋水壩段、 溢流壩段、底孔壩段、取水壩段和電站壩段，共3 2 個(gè)壩段。大壩設(shè)置1 1 個(gè)溢流表孔、 1 2 個(gè)泄洪排沙底孔、2 個(gè)取水口、3 條發(fā)電引水鋼管及壩后式電站廠房等主要建筑物， 工程等別為i 等，主要建筑物級(jí)別為1 級(jí)。 水庫(kù)工程總投資2 2 0 9 3 億元，其中利用第四批日本海外經(jīng)濟(jì)協(xié)力資金( o e c f ) 貸款8 0 億日元。 水庫(kù)建成后，可使下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)由2 0 年一遇提高到5 0 年一遇；每年向阜新、錦 州等城市供水2 0 2 億m 3 ；為遼河三角洲地區(qū)提供農(nóng)業(yè)用水2 6 7 億r n 3 ，增加水田1 3 3 萬h m 2 ，提高濱海地區(qū)1 5 3 萬h m 2 葦田的灌溉保證率，年發(fā)電2 2 1 3 萬k w h ，年產(chǎn)魚 3 4 0 t 。它的建成將大大緩解遼西地區(qū)嚴(yán)重缺水局面，對(duì)遼西地區(qū)乃至全省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展 都將起到重要作用 5 1 1 。 2 1 2 樞紐總體布置 大凌河是條多泥沙河流，其多年平均輸沙量為2 1 4 3 4 3 萬t ，含沙量為 1 8 0 8 k g m 3 。泥沙的年際分配很不充分，來沙主要集中在大水大沙年份。白石水庫(kù)的庫(kù) ( 容) 沙( 量) 比為7 1 4 小于1 0 0 ，固不宜蓄洪運(yùn)用。其具體排沙運(yùn)用要求為：2 0 年 1 3 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 一遇( q = 1 0 7 0 0m 3 s ) 以上大洪水時(shí)，降低庫(kù)水位，集中敞泄排沙；2 0 年一遇以下的 中、小洪水則蓄洪運(yùn)用，并利用棄水適時(shí)進(jìn)行異重流排沙。根據(jù)這一情況，為了延長(zhǎng) 水庫(kù)運(yùn)行壽命，應(yīng)結(jié)合泄洪布置一定數(shù)量位置低、泄量大的沖沙底孔( 要求死水位 1 0 8 0 m 時(shí)底孔的泄量不小于三年一遇洪水2 5 0 0m 3 ，s ) 。 根據(jù)白石水庫(kù)的主要任務(wù)、河流的特性及相應(yīng)的運(yùn)用要求，樞紐應(yīng)包括擋水建筑 物、泄洪建筑物、排沙建筑物、發(fā)電建筑物及引水建筑物等建筑物樞紐總體布置如 下： 白石水庫(kù)溢流表孔布置在河床左側(cè)的主河道上，共設(shè)置1 1 個(gè)溢流表孔，共1 2 個(gè) 壩段，全長(zhǎng)1 6 8 m ，溢流表孔堰型為w e s 實(shí)用堰，經(jīng)多方案比較和水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算，堰 頂高程確定為115 0 m 。最低建基面高程為8 4 o v a ，最大堰高31 0 m 。 緊鄰溢流壩布置在河床右側(cè)的是泄洪沖沙底孔，共計(jì)6 個(gè)壩段，全長(zhǎng)1 2 0 m ，共 設(shè)1 2 個(gè)底孔。 底孔右側(cè)為一個(gè)取水壩段，壩段寬1 7 m ，壩內(nèi)埋設(shè)兩根取水壓力鋼管；取水壩段 右側(cè)為兩個(gè)電站壩段，總寬3 3 m ，埋設(shè)三根發(fā)電引水壓力鋼管引至壩后的廠房；再往 右是5 個(gè)岸坡?lián)跛畨味?，總長(zhǎng)8 3 m ；溢流壩的左側(cè)為6 個(gè)岸坡?lián)跛畨味?，總長(zhǎng)9 2 m 1 5 1 】。 具體布置見圖2 1 。 2 2 溢流壩壩基及下游工程地質(zhì)情況5 1 1 溢流壩下游河床高程在9 4 o m 左右，表層為近代沖積形成的含礫中細(xì)砂層，厚度 分布較均勻，在4 5 m 左右。下層是侏羅系藍(lán)旗組上、下兩段地層。上部藍(lán)旗組二段( h i 2 ) 巖性為灰褐色至灰黑色玄武質(zhì)安山巖，強(qiáng)風(fēng)化厚度1 0 , - - i 5 m ，弱風(fēng)化厚度為1 5 4 0 m ， 以下為微風(fēng)化。其弱風(fēng)化巖平均干抗壓和飽和抗壓強(qiáng)度分別為5 4 8 m p a 和4 4 4 m p a ， 軟化系數(shù)為o 7 8 ，數(shù)中等堅(jiān)硬巖石，抗沖刷能力較強(qiáng)。底部巖性為藍(lán)旗組一段( j 2 1 1 ) 的灰褐色凝灰質(zhì)礫巖，以礫巖為主，其間夾煤系薄層，厚o 0 5 0 5 m 不等，并于煤頁巖 呈互層，局部形成沿層面的軟弱結(jié)構(gòu)面。弱微風(fēng)化的凝灰質(zhì)礫巖干抗壓和飽和抗壓強(qiáng) j 4 議鞋牮撲書辱罌h撲k瓣窿 旦互查壁塑塑塑堂型苧堡塞 度分別為2 5 4 5 8 3 m p a 和1 5 9 2 3 8 m p a ，軟化系數(shù)為0 4 3 ，易風(fēng)化，數(shù)軟巖，抗沖刷 能力很低。 從壩下游補(bǔ)充地質(zhì)勘察報(bào)告提供的壩址弱風(fēng)化巖項(xiàng)面等高線圖和順河向、橫河向 地質(zhì)剖面圖上可以看到，左側(cè)溢流壩下游地層上段安山巖沿河流方向逐漸減薄( 從壩 趾部位厚2 0 多米至下游7 0 米左右處尖滅) ，距壩軸線下游1 3 0 m 下有較大范圍的凝灰 質(zhì)砂礫巖出露。形成兩側(cè)厚，中間薄的扇型出露面。 河床左側(cè)較大的斷層有兩條，即f 1 7 和f 1 8 。f 1 7 斷層為壓扭性，走向 n w 3 3 0 0 3 4 0 0 ，傾向s w ，傾角6 7 。8 0 0 ，寬度o 1 1 5 m 。f 1 8 斷層亦為壓扭性，走向 n w 3 1 0 0 3 4 0 。，傾向n e ，傾角7 5 0 8 6 0 ，寬度o 2 1 1 m 。兩條斷層均與壩軸線近直交， 且處于溢流壩段之下。但壩基旌工開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)，斷層單體規(guī)模小，大部分由多個(gè)結(jié)構(gòu) 面組成，互相連接，呈樹枝狀分布，組成物質(zhì)以角礫巖為主。斷層及其影響帶部位的 壩基采取了加深開挖3 + 0 m 、加強(qiáng)固結(jié)灌漿和帷幕灌漿等措旆。 沖刷坑處強(qiáng)風(fēng)化巖的抗沖流速為8 m s ，弱風(fēng)化巖的抗沖流速為1 0 m s 。 2 - 3 溢流壩運(yùn)行條件及泄量與水位特征值 因白石水庫(kù)所在的大凌河是一條多泥沙河流，多年平均含沙量為1 8 3 k g m 3 ，為更 有效地排出庫(kù)中泥沙，延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命，根據(jù)水庫(kù)的總體運(yùn)用要求，百年一遇以下 的洪水均只通過泄洪沖沙底孔泄流，因?yàn)榈卓椎倪M(jìn)口高程較低，這樣可以在泄洪的同 時(shí)排出大量的泥沙，減輕水庫(kù)的淤積。當(dāng)水庫(kù)遭遇百年一遇及以上洪水時(shí)，溢流壩開 始參加泄流，并且全部閘門均提起，敞開泄流，不調(diào)節(jié)流量。溢流壩的在各頻率洪水 時(shí)的泄量與水位特征值見表2 1 。 2 4 本章小結(jié) 本章介紹了白石水庫(kù)所處的地形地質(zhì)與水文條件，白石水庫(kù)樞紐總體布置及各組 成建筑物，重點(diǎn)介紹了白石水庫(kù)樞紐溢流壩的規(guī)模、運(yùn)行條件及在各頻率洪水時(shí)的泄 量與水位特征值。 1 6 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 表2 1白石水庫(kù)溢流壩水位與泄量特征值表 溢流壩單寬 重現(xiàn)期 上游水位溢流壩總泄量下游水位 頻率( ) 泄量 ( 年)( m )( m 3 s )( m ) ( m 3 s m ) 5 0 0 0 o 0 21 3 3 8 82 0 6 1 3 3 81 5 6 1 6 2 1 0 3 3 5 5 0 0o 21 3 2 2 7 1 1 3 4 0 2 1 8 5 9 1 l1 0 1 2 0 2 0 0o 51 3 1 2 51 0 5 6 0 7 48 0 0 0 61 0 1 0 0 1 0 0l1 3 0 4 77 1 6 5 2 7 5 4 2 8 29 8 3 0 1 7 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 第三章白石水庫(kù)溢流壩消能研究方法與模型設(shè)計(jì) 一般來講，水利水電樞紐工程消能型式的研究主要有兩種方法：一是理論計(jì)算方 法，中、小型水利樞紐工程，采用常規(guī)消能型式的可以通過這種方法來進(jìn)行消能工的 設(shè)計(jì)；二是模型試驗(yàn)方法，重要的大型水利樞紐工程的消能工設(shè)計(jì)和采用新型消能工 的不僅要進(jìn)行理論計(jì)算，而且根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，還要進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證。本工程 采取了這兩種方法對(duì)白石水庫(kù)溢流壩消能型式進(jìn)行了研究，下面分別對(duì)兩種研究方法 和手段進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。 3 1 理論計(jì)算方法( 含工程類比法) 理論計(jì)算方法是根據(jù)泄水建筑物的運(yùn)用方式、上下游水位、單寬泄量及下游的地 質(zhì)情況等基本資料，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，初步選定適合的消能型式，然后 根據(jù)相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范的要求初步選定消能工的體型，然后按照相應(yīng)的理論 公式和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相應(yīng)的水力學(xué)計(jì)算，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果選定既安全又經(jīng)濟(jì)的消 能工的結(jié)構(gòu)尺寸和范圍。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：方法比較簡(jiǎn)單、使用方便、研究周期短及投資較小，并且 對(duì)于采用比較常規(guī)的消能型式的中小型水利樞紐工程來講，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度是能夠 滿足工程要求的。 其缺點(diǎn)在于：由于這種方法所采用的計(jì)算公式中有很多都是經(jīng)驗(yàn)公式，所以計(jì)算 出的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況會(huì)有一定的出入，對(duì)較大型的水利樞紐工程來講，準(zhǔn)確度不 足，對(duì)工程的投資影響較大。并且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種新型消能工的應(yīng)用越來 越多，而絕大多數(shù)新型消能工目前還沒有相應(yīng)的理論計(jì)算公式，相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)也較 少，因此無法采用此種方法進(jìn)行研究。對(duì)于這種情況一般采用模型試驗(yàn)的方法來進(jìn)行 研究。 3 2 模型試驗(yàn)方法 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 將原型泄水建筑物按比例縮小成幾何相似的縮尺模型，按動(dòng)力相似準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn) 研究，稱為水工模型試驗(yàn)。水工模型試驗(yàn)具有悠久的歷史。早在1 8 世紀(jì)初，歐美諸國(guó) 已建成許多水工實(shí)驗(yàn)室，從事水工、河工港工水力機(jī)械等方面的縮尺模型試驗(yàn)，效益 顯著。我國(guó)于3 0 年代初期，先在德國(guó)進(jìn)行黃河治導(dǎo)工程模型試驗(yàn)，同時(shí)開始醞釀和籌 建國(guó)內(nèi)的水工試驗(yàn)廳，引進(jìn)西方水工模型試驗(yàn)技術(shù)。1 9 3 3 年在天津成立全國(guó)第一個(gè)水 工試驗(yàn)所；1 9 3 5 年在南京籌建中央水工試驗(yàn)所，后改為南京水利試驗(yàn)處；清華大學(xué)的 水力試驗(yàn)館于1 9 3 4 年建成。到目前為止，全國(guó)可以進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究的單位己多 達(dá)4 0 余個(gè)【5 2 1 。 水工模型試驗(yàn)是解決復(fù)雜水工水力學(xué)問題的有力工具和有效手段，其經(jīng)濟(jì)效益十 分顯著，已為廣大工程設(shè)計(jì)和建設(shè)人員所公認(rèn)。有關(guān)規(guī)范明文規(guī)定：待建的大型工程 和重要工程都必須進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，對(duì)樞紐布置、泄洪建筑物體型、消能防沖、水 流銜接等在模型試驗(yàn)中進(jìn)行優(yōu)化比較。此外，對(duì)已建工程進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，可對(duì)工 程的安全運(yùn)用、優(yōu)化調(diào)度、改善和改建等方面，都發(fā)揮了十分重要的指導(dǎo)作用。如佛 子嶺水電站泄洪鋼管出口挑流擴(kuò)散器：大伙房工程輸水道淹沒射流擴(kuò)散消能工；新安 江水電站廠房項(xiàng)溢流；貓?zhí)訅雾斠缌鹘踊┦揭缌髅?；烏江渡水電站挑躍式廠房； 烏江渡、龍羊峽、安康水電站扭曲鼻坎：鳳灘、白山水電站高、低大差動(dòng)鼻坎；潘家 口水電站溢流壩寬尾墩與挑流鼻坎聯(lián)合運(yùn)用；安康水電站寬尾墩與消力塘聯(lián)合運(yùn)用： 龍羊峽、東江水電站溢洪道窄縫挑坎以及馮家山、烏江渡、白山、龍羊峽、東江水電 站采用的摻氣減蝕設(shè)施等。這些工程都已建成運(yùn)行，實(shí)踐證明，模型試驗(yàn)所提建議是 正確的。 白石水利樞紐樞紐工程為大型工程，并且溢洪道下泄流量較大，因此也應(yīng)采用水 工模型試驗(yàn)作為主要手段對(duì)其消能形式進(jìn)行充分研究。 9 白石水庫(kù)溢流壩消能型式研究 3 2 1 水工模型的基本特點(diǎn) ( 1 ) 有自由水面的流動(dòng)，因此慣性力和重力為主要作用力，重力相似( 佛汝德相 似準(zhǔn)則) 是首先要滿足的條件。 ( 2 ) 部水流現(xiàn)象必須模擬，因而局部水頭損失重要，故必須采用正態(tài)模型。 # ( 3 ) 建筑物順?biāo)鞣较蜉^短，一般沿程損失可以忽略，但對(duì)于較長(zhǎng)的泄洪洞或溢 洪道，則沿程阻力損失是主要的，阻力相似必須滿足。 ( 4 ) 某些特殊的水流現(xiàn)象，必須補(bǔ)充附加的相似條件。 3 2 2 水工常規(guī)模型相似律 水工常規(guī)模型主要用于研究水利工程中的常規(guī)問題，通過量測(cè)模型中的水流流速、 流量、壓力，驗(yàn)證并優(yōu)化樞紐布置及建筑物的體型尺寸等。根據(jù)水工常規(guī)模型相似律， 模型各相似常數(shù)必須滿足以下方程組，即 解上述方程可得： l 流速相似比尺口。= 口i ， l 糙率相似比尺瑾= 吼i ， 則其余各物理量相似比尺為： 流量比尺= 吼2 5 2 0 ( 3 1 ) = 一 ：l吼| 旦 ，c，l 河海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 水深比尺= 吒， 壓力比尺口。= 吼 由此可見，水工常規(guī)模型獨(dú)立的相似常數(shù)只有1 個(gè)，即幾何長(zhǎng)度比尺，模型設(shè)計(jì)中 可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和供水流量的大小，確定幾何長(zhǎng)度比尺吼，根據(jù)原型糙率和糙率比 尺，選用模型材料和制作工藝。 3 2 3 模型設(shè)計(jì) 模型按照水利部頒布的水工模型( 常規(guī)) 試驗(yàn)規(guī)程( s l l 5 5 9 5 ) 進(jìn)行設(shè)計(jì)。依 據(jù)上節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn)和基本理論，考慮試驗(yàn)要求兼顧試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備情況，根據(jù)不同的目 的，試驗(yàn)分兩部分進(jìn)行：整體模型試驗(yàn)( 模型比尺為1 ，1 2 0 ) 和斷面模型試驗(yàn)( 模型比 尺為1 6 0 l 5 0 ) 。斷面模型模擬一孔溢流壩，用有機(jī)玻璃制成。試驗(yàn)在4 0 c m 寬、2 0 m 長(zhǎng)的水槽內(nèi)進(jìn)行；水槽兩側(cè)為玻璃，可以清楚觀察沖刷坑的斷面形狀。下游河床按照 巖面線( 高程為9 4 o m ) 以上的覆蓋層進(jìn)行模擬。 模型沖刷料粒徑首先根據(jù)原型地質(zhì)勘察給定的巖石抗沖流速v e ( 強(qiáng)風(fēng)化巖為 8 r n ，s ，弱風(fēng)化巖為l o 州s ) ，按照伊茲巴申公式初步估算模型沖刷料的粒徑。 一= 芷石( 3 2 ) 式中：k 一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍為5 8 ； d 。模型試驗(yàn)料粒徑，c m 。 根據(jù)給定的巖石抗沖流速，經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式的粗估，粒徑應(yīng)在2 c n 卜6 c m 之間。由于用 巖石抗沖流速確定模型沖刷料的粒徑可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)，而模型中的沖刷坑斷 面與沖刷料粒徑密切相關(guān)?？紤]到測(cè)定沖刷坑后，最終還是以混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī) 范建議的指標(biāo)判斷沖刷坑是否危及壩的安全，因此模型試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)與規(guī)范建議的 計(jì)算方法所得到的結(jié)果基本協(xié)調(diào)。因此試驗(yàn)時(shí)先初選了沖刷料粒徑為2 6 c m 的碎石均 勻混合。進(jìn)行挑