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冲击墩、台阶与消能塘联合消能的试验的研究
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摘要：本文对于水库溢洪道消能工的各种型式选择原则及方法进行阐述，并结合工程实际对溢洪道消能设计和消能率复核的方法进行说明。
关键词：水库；溢洪道；消能设计
&&&&&&& 溢洪道的建设是为保证水库大坝的安全，宣泄超过规划库容的洪水，防止洪水溢坝，必须设置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不经妥善处理，必会导致下游河床受到严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大坝失事的灾难性后果，所以又必须设置消能设施。溢洪道消能设计主要基于能量转换原理，通过造成水流内部紊动漩滚、水股之间扩散碰撞、水流与固体边界摩擦撞击、水流与周围空气摩擦掺混等途径，消耗水流动能，减轻对下游河床的冲击和破坏。《溢洪道设计规范》（DL/T ）在其条文说明5.5.1条中列出了4种消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水库溢洪道使用比较多的是挑流消能和底流消能，据统计两种型式比例分别达到85%和15%。随着水利水电工程实践的发展，近年来出现了一些新的消能型式，例如引入T型墩、宽尾墩、台阶式消能、多种消能型式复合等。水利工程与当地自然地理、气候条件、水文地质等关系很大，因势利导、因地制宜的特点非常突出，反映在溢洪道消能设计方面也是百花齐放、各具特色，因此如何选择溢洪道消能型式、怎样进行消能防冲设计是一个常讲常新的话题，本文就此进行了分析和探讨。&
一、溢洪道消能型式选择&
（一）消能型式选择原则&
&&&&&&& 消能型式应满足技术经济原则。从技术上讲，应选择先进、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能虽具有消能效果好、体积小、工程量少、施工方便等优点，但国内几乎没有溢洪道戽流消能案例[1]，理论研究和工程实践都不成熟，所以不应成为首选。从经济角度考虑，工程量要小、造价适中。溢洪道是特定条件下使用的泄水建筑物，一般不会使用很频繁，因此在保证安全可靠的前提下，没有必要设计的过于复杂，为了提高经济效益，应选择简洁、高效的型式，这样有利于控制成本。&
（二）消能工型式选择方法
　　4种主要消能型式的优缺点、适用范围如表1所示。&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 表1&& 溢洪道消能工适用表　
&&&&&&& 在考虑消能工型式时，主要从地形条件、地质条件、泄流条件以及运行方式、下游水深、河床抗冲能力、下游水流衔接、泄流雾化影响等方面综合考虑。由表1可见，面流消能和戽流消能适用于下游水深较大的场合，而挑流消能和底流消能对这方面的要求不高，所以通过水利计算得到的消能所需的下游水深-单宽流量的消能率定曲线，与根据下游水位流量关系绘制的下游水深-单宽流量的尾水率定曲线进行比较，可以判断选择哪一类消能型式更适合。
&&&&&&& 由于河道较宽，任何流量条件下溢洪道满足消能所需的下游水深始终大于尾水深度。由于尾水深度不足，显然不适合采用面流消能和戽流消能型式，所以应在挑流消能和底流消能之间进行选择。再结合地质情况，因为地表依次为耕作土层、粉土层、强风化岩层和中风化岩层，总厚度达8～15m，抗冲条件较差。再加上水头较小，其下泄校核标准流量的挑距为31m，冲刷坑深度达11.8m，存在严重安全隐患，所以选择挑流消能型式也不适合，只有选用底流消能型式了。
二、溢洪道消能防冲设计
（一）消能结构设计
&&&&&&& 仍以前述水库溢洪道为例。底流消能设计保证池内形成稳定的水跃是非常关键的环节。根据尾水深度与水跃跃后水深的关系，下泄水流可能出现远驱、临界和淹没水跃三种衔接流态。临界水跃消能效果最高，但状态不稳定，可能会产生远驱水跃，所以要设计成一定淹没度形态的水跃。当淹没度取&=1.05～1.10时，流态稳定，消能效率也较高[2]。为了避免远驱水跃，又不希望增加护坦长度，可在护坦末端设置消力坎，也可通过降低护坦高程来形成坎前消力池，还可以将两种措施结合起来形成综合消力池。消力池横断面一般采用矩形，而且大多情况下采用等宽矩形断面。为了适应尾水位的变化，护坦前段可设计成斜坡形式。也可采用多级消力池形式，能较好适应下游河床与消力池之间的高度差。当跃前断面平均流速不超过15m/s时，可通过设置辅助消能工增强消能效果，并缩短池长。如设置趾墩、消力墩和尾坎。但跃前流速大于15m/s时，辅助消能工容易受到空蚀破坏，所以不适宜再采用这种型式。护坦是为了保护河床不受高速水流的冲刷破坏，所以护坦长度应能涵盖水跃跃尾，其厚度必须满足稳定要求，保证不会上浮。为了提高稳定性，可设置锚筋并插入基岩1.5～3m。护坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。为了防止护坦混凝土开裂，应设置温度伸缩缝。为了减轻护坦底部扬压力，可设置排水系统。水流速度较高时，护坦应采用抗蚀混凝土浇灌。&
（二）消力池消能率复核&
&&&&&&& 前述水库的设计洪水标准为30年一遇，其校核洪水标准是300年一遇。由于溢洪道为4级，也就是设计与校核洪水标准与水库大坝一致，这个标准对溢洪道来说有些偏高，会造成一定浪费，所以将消能防冲设计标准进行了调整，设计洪水标准30年一遇不变，校核洪水标准改为100年一遇。经过计算，溢洪道设置2.2m深消力池，在设计洪水标准状态下，下泄洪水流量是191m3/s，单宽流量是7.64 m3/s&m。由图2可见，此时尾水率定曲线都在消能率定曲线之上，说明水跃完全可以被淹没，消能效率达到100%。校核洪水状态下，下泄洪水流量为375 m3/s，单宽流量是15 m3/s&m，尾水率定曲线与消能率定曲线有交叉，小部分尾水率定曲线在消能率定曲线之下，消能效率达到93.6%。溢洪道校核洪水标准下，下泄洪水流量为552 m3/s，单宽流量为22.1 m3/s&m，此时有更多部分的尾水率定曲线在消能率定曲线之下，但消能效率仍可达到80%。按照国内外工程实践，消能效率达到80%以上一般就能满足安全需要，故此消力池消能率已达到设计要求。&
三、结束语&
&&&&&&& 水库溢洪道消能效果关系到水库大坝的安全，所以消能设计应达到消能效果好、结构可靠、方便检修等目标要求。合理选择消能型式是实现技术、经济统一性的前提，而结构设计是落实设计思想的重要环节，希望本文所作分析讨论能对读者有所启发和可提供参考。
参考文献：&
[1] 李红艳，刘耀宗. 奈曼旗山区小型水库溢洪道及消能工型式选择[J]. 内蒙古水利，2014（2）：45-46.&
[2] 林继镛，王光纶. 水工建筑物[J]. 第5版. 北京：中国水利水电出版社，2009.
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挑流、底流联合消能研究
【摘要】：
“泄量大、水头高、河谷窄”已成为我国水能开发的主要特点,这就充分显示出水能开发难度加大,同时也给泄洪消能研究带来了挑战性难题。本文在分析传统消能工的基础上,充分利用其优点,提出了挑流、底流联合消能的新型消能方式。主要研究了以下内容:
(1)在分析传统消能工的基础上,总结了其优缺点,创造性地提出了挑流、底流联合消能;
(2)严格区分了挑流、底流联合消能与宽尾墩和其它消能工联合消能的差别,同时给出了三种挑流、底流联合消能的起挑方式及其适用对象;
(3)根据动量方程,分消力池中有无辅助消能工两种情况,推导了挑流、底流联合消能的计算公式,并给出形成挑流、底流联合消能的决定性条件:M_(max)=0.3849＞M,同时计算了下游回水深度h_1对于计算结果的影响,结果表明下游回水深度对计算结果的影响很小,可以忽略不计;
(4)根据推导的公式,给定一定条件,计算出q、α、Δh之间的量的关系,并列于表中。由表中的数据可以看出挑流、底流联合消能大大降低了跃后水深,缩短了消力池长度,降低了工程造价;
(5)对溢洪道的过流能力、沿程压力、水深等进行了测量,结果表明沿程压力均为正值,水面波动小,流态较好,满足工程要求。同时对易于发生空化空蚀的部位进行监测,结果表明发生空蚀的可能性很小;
(6)分五种方案,对溢洪道泄洪消能进行模型试验,结果表明由宽尾墩引起的局部侧收缩挑流、底流联合消能的消能效果十分理想,与计算结果基本吻合,且消力池内的流态较好,下游的冲刷深度大大降低;
(7)通过试验研究给出了泄洪洞库水位流量关系,对泄洪洞内的沿程压力和水深进行量测,结果表明洞内沿程压力基本满足工程要求,水面波动不大。将局部侧收缩加小挑坎起挑的挑流、底流联合消能方案成功应用于泄洪洞消能中,试验表明:这一消能方式运行良好,消能充分。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TV653;TV135.2【目录】：
Abstract5-10
1 绪论10-20
1.1 泄洪消能概述10-12
1.1.1 泄洪消能概念10-11
1.1.2 泄洪消能研究意义11
1.1.3 泄洪消能研究进展11-12
1.2 消能方式简介12-18
1.2.1 挑流消能12-13
1.2.2 底流消能13-14
1.2.3 面流消能14-15
1.2.4 戽流消能15
1.2.5 新型消能工15-18
1.3 挑流、底流联合消能的提出18-19
1.4 本文的主要工作19
1.5 本章小结19-20
2 挑流、底流联合消能的工程措施与设计方法20-35
2.1 挑流、底流联合消能与宽尾墩-消力池联合消能的区别20-21
2.2 挑流、底流联合消能的起挑工程措施21-22
2.2.1 局部侧收缩起挑21
2.2.2 局部侧收缩加底部小挑坎21-22
2.2.3 底部挑坎起挑22
2.3 挑流、底流联合消能的水力计算方法22-29
2.3.1 消力池中无辅助消能工时的水力计算22-27
2.3.2 消力池中有辅助消能工时的水力计算27-29
2.4 计算数据及分析29-34
2.5 本章小结34-35
3 新疆某水利枢纽工程概况35-44
3.1 工程概况35-38
3.1.1 开敞式溢洪道35-36
3.1.2 导流洞兼泄洪洞36-37
3.1.3 下游河床组成37
3.1.4 水库特征水位37-38
3.1.5 流量分配38
3.2 模型试验的理论基础及模型安装38-43
3.2.1 水工模型的相似准则38-39
3.2.2 模型材料选取及模型安装要求39-40
3.2.3 模型沙颗粒选择40-41
3.2.4 试验测试手段及模型图41-43
3.3 本章小结43-44
4 原设计溢洪道水力特性研究44-55
4.1 溢洪道过流能力44
4.2 溢洪道沿程压力分布44-47
4.3 溢洪道水面线及水深47-50
4.4 空化数计算50-54
4.4.1 空化空蚀概念50-51
4.4.2 空化数计算51-54
4.4.3 结果分析54
4.5 本章小结54-55
5 局部侧收缩起挑的挑流、底流联合消能在溢洪道中的应用55-71
5.1 局部侧收缩起挑方案的提出55-57
5.1.1 水流流态与消能55
5.1.2 宽尾墩在工程中的应用及局部侧收缩方案的提出55-57
5.2 局部侧收缩起挑的挑流、底流联合消能方案的应用57-69
5.2.1 原设计方案57-59
5.2.2 降低消力池底板高程59-60
5.2.3 消力池内加一个T型墩60-62
5.2.4 消力池内加两个T型墩62-64
5.2.5 局部侧收缩起挑的挑流、底流联合消能方案64-67
5.2.6 T型墩及消力池底板稳定性分析67-69
5.3 试验结果分析69-70
5.4 本章小结70-71
6 局部侧收缩加小挑坎起挑的挑流、底流联合消能在泄洪洞中的应用71-83
6.1 泄洪洞水力特性研究71-77
6.1.1 泄洪洞泄流能力研究71-72
6.1.2 沿程压力分布研究72-73
6.1.3 进口段水力特性研究73-74
6.1.4 闸槽段水力特性研究74-75
6.1.5 泄洪洞明流段水力特性研究75-77
6.2 局部侧收缩加小挑坎起挑的挑流、底流联合消能方案应用77-82
6.2.1 原设计方案77
6.2.2 局部侧收缩方案77-78
6.2.3 侧收缩加局部小挑坎起挑的挑流、底流联合消能方案78-79
6.2.4 消力池再加T型墩方案79-81
6.2.5 T型墩和底板稳定分析81-82
6.3 本章小结82-83
7 结论与展望83-85
7.1 结论83-84
7.2 展望84-85
参考文献85-88
攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
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刘海燕;[D];安徽理工大学;2005年
何立明;[D];南京工业大学;2004年
苏红星;[D];华中科技大学;2005年
朱小军;[D];同济大学;2006年
胡杰;[D];天津大学;2004年
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