水庫溢洪道多級消能研究范文

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《中國水能及電氣化雜志》2015年第七期

1原消能方案存在的問題

三種工況下的模擬試驗結果顯示，對整個溢洪道進行多級消能，基本能夠完成泄洪消能要求，各工況下不存在高速水流現象，因此，發生空蝕、磨蝕及建筑物振動等不利影響的可能性不大，但在個別工況和一些特殊位置仍然表現出一些不利現象，主要是工況3下的交錯加糙段，在流量較小情況下，會形成局部空腔，并產生較大負壓，容易產生空蝕破壞，其原因是加糙段與水流方向垂直，并且高度較大［2］;其次是在泄洪道進口段，在工況2水位條件下，水位已經越過導流墻頂部并橫向進入溢洪道，出現脫壁繞流問題;一、二級間的彎道過渡段轉彎幅度較大，在大流量狀態下，右邊墻有少量溢水，并導致第二級水面擺動幅度增大，二、三級連接段也存在類似問題;交錯加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是摻氣過度使水深增加，并導致水流從邊墻溢出。

2消能方案優化

2.1溢洪道體型修改方案針對原方案不足之處，提出兩點修改建議:首先，將溢洪道進口段導流墻頂高程改為2585.00m(見圖2);其次，取消溢洪道加糙段底板加糙條，以改善下泄水流的流態。

2.1.1優勢泄洪道進口段修改方案實施后，高水位進口流態明顯改善，過流能力略微增加，但與原方案相差不大;模擬試驗結果顯示，各個測壓孔壓力值總體有所減小，最重要的是負壓消失，原因是去掉底板加糙條后，下泄水流流態有明顯改善，下泄流速增大，壓能相應減小，由加糙條造成的漩渦區消失，因此負壓不復存在。

2.1.2不足由于取消了泄流槽底板的加糙條，在改變流態的同時，水流速度明顯增加。流速增加的負面效應就是溢洪道末端消力池內難以形成水躍，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流態，挑距與水舌高度比原方案有明顯增加。試驗結果顯示:在所有三種工況下，消力池均失去其基本的消能作用。很明顯這一現象是由于消力池長度和深度不夠造成的。但是要實現消力池內的底流消能，消力池的長度和深度需要大幅度增加，例如:在工況2的條件下，要實現底流消能必須將消力池深度由現在的1.20m增加到4m以上，顯然在經濟上是不可取的［3］。

2.2進一步優化

2.2.1優化措施針對原修改方案存在的消力池失效問題，擬將溢洪道出口消力池由底流消能改為挑流消能。根據消力池周邊地形及下游河道狀況，經過優化比對，決定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程為2532.30m，樁號為0+222.590，比原方案消力池末端向上游移動約8.16m，挑流鼻坎的挑角設計為25°，其具體設計體型如圖3所示。

2.2.2模擬試驗結果及分析

2.2.2.1動水壓力分析經過模擬試驗對不同工況下的時均動水壓力值進行測量，結果顯示，各工況下各個測壓孔均無負壓值出現，壓力值均符合設計要求。

2.2.2.2溢洪道流速、流態及水面線分析由于此次修改措施只影響溢洪道下游的水流態勢，因此，在模擬試驗過程中只對泄0+178.042向下游進行測量，實測結果顯示各工況水流下泄平穩，流態良好。部分流速值見表2。取消加糙條后流速會增加，是否會產生空化對過流壁造成危害，需要進行分析計算［4］。根據模擬試驗數據，利用水流空化數計算公式，計算出各個測量斷面的空化數(見表3)，計算結果顯示水流空化數都遠大于0.30，因此，溢洪道過流壁不會因為水流空化遭到空蝕破壞。試驗結果顯示:挑流消能工運行良好，達到了預期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高點距鼻坎的距離見表4)，從水舌挑流形態來看鼻坎挑流順暢，水舌形態良好。

2.2.2.3下游河道流速及流態各工況下，下游河道各測速點實測流速值見表5。從中可知，各工況下岸邊流速都在4m/s以下，其中，工況2下不超過3m/s。下泄設計流量以下時，下游河道流態良好。在工況1和工況3下，在泄0+253.297斷面左岸附近有回流，但是回流流速不超過4m/s，不會對下游河道流態造成負面影響。

2.2.2.4下游河道沖淤在模擬試驗中，各工況下水流對河道的沖刷時間均保證在5h以上，以便使河道沖淤達到形態不再變化的平衡狀態［5］，并將測得的各特征值列于表6。由試驗數據可以看出，各工況沖坑底到挑流鼻坎的距離在22～34m之間，并且坡度很緩，不會危及溢洪道安全。

3結語

通過加高導流墻可以有效解決高水位狀態下，溢洪道進口導流墻脫壁繞流現象;交錯形加糙段加糙條阻水作用明顯，拆除后流速有所加大，但不存在超過20m/s的高速水流現象，并且水流流態明顯改善;原方案各工況下，溢洪道末端消力池內不能形成底流消能流態，將底流消能改為挑流消能后，消能效果良好，下游流速較小，回流流速都在4m/s以內，不會對岸坡造成明顯沖刷，滿足出口水流銜接要求。

作者：劉志芳 單位：山西省禹門口水利工程管理局