T形消力墩消能验算.doc

一、概述 　　由于工程地形条件及枢纽布置的要求，溢洪道泄槽可能遇到陡坡接转弯的情况。本文针对一实际工程情况（布置图见图A），通过理论分析及水工模型试验研究，较为系统的论述了在进入转弯段之前陡坡段水流的消能问题。 　　一般情况下[9]，泄槽中水流的佛氏数大于2时，可能产生波动和掺气现象；平均流速达到15m/s左右时，易产生空穴和空蚀现象；若高速水流的边墙发生转折（如转弯等），将影响水的流向，产生冲击波。本工程要面对的问题是：弯段前的陡坡段落差28.3m，坡度1：4，如不采用工程措施（如消能等）对水流加以控制，转弯段内水流的流速要达到25.6m/s，佛氏数大于11，将产生冲击波、掺气和空蚀等耦合作用，情况十分复杂。 图A 溢洪道布置图 Fig. AArrangement plan of spillways 　　从有关资料来看[1][2][3][4]，泄槽内的消能措施主要有：单纯的台阶式陡槽溢洪道、单纯的多级跌水流动式溢洪道、加设消能栅等。溢洪道中也有采用弯段的情况，但弯段前后多为缓坡，水流进入弯道时的流速及佛氏数很低，弯段转角小。在以往工程中，设置成台阶式的溢洪道大多数是为了消除陡坡段内的能量，对水流的流速、佛氏数及流态控制考虑的少。 　　根据设计，工程规模为：校核洪水位2091.98m，校核洪水频率P=0.02%时溢洪道的下泄流量Q=284.58m3/s；设计洪水位2091.03m时， P=0.2%，Q=189.70m3/s；正常蓄水位2087.97m，设计洪水频率P=1%时Q=101.75m3/s。溢洪道为开敞式无闸控制形式。驼峰堰的堰顶高程2087.97m，堰底高程2086.97m，取堰顶至泄槽陡坡段及平面转弯段宽20m；陡坡段落差28.3m，水平向长度117.2m；下堰底部至陡坡段前以长30m的泄水平段相接；平面转弯段转角42°40′，溢洪道轴线的转弯半径80m。根据工程特点，设计初步拟定对陡坡段的水流采用多级跌水溢洪道泄水消能型式。 　　根据陡坡段1：4的自然坡比，为了减少开挖量，节约投资，初设采用28级台阶的跌水型式，即每米开挖成一级台阶，但在水平向不能保证形成完全水跃。经计算[5]消能率仅为10～20％，弯段前佛氏数大于2.3，弯段内的水流无法控制。改采用14级台阶与跌坎相结合的消能型式，虽然消能率有所提高，达到20～30％，但对弯段的流速及佛氏数的要求仍无法满足。故将原方案的落差增加，采用7级消力池，且在消力坎前增设T型墩，从理论上洪水频率为P=1%及0.2%的情况可得到较高的消能率，弯段前的流速及佛氏数亦满足要求，但P=0.02%的工况不能得到保证。最终采用5级消力池加T型消力墩的型式，理论上可完全满足要求。 　　二、理论分析 　　将陡坡开挖成台阶式的多级消力池。若要在每级消力池内形成完全水跃，取得较高的消能率，必须保证每级消力池满足池长等于对应落差下水跃及挑距的长度之和的条件。根据水力计算[5][6][7]，在不同单宽流量下，不同落差时所需的消力池长度变化曲线见图B。不同单宽流量下形成完全水跃时，不同落差下所能达到的最大消能率变化曲线见图C。 图B Fig.B  图C Fig.C 　　从图B、C中可以看出，同一落差下，消力池长度、消能率随单宽流量的增加而增加；同一单宽流量下，随落差的增加而加大。落差值较小时，消能率的变幅较大，但落差较大时变幅则较小。不同单宽流量下，池长、消能率随落差变化而变化的规律基本一致。要保证能量的高消耗率，就必须在结构尺寸上保证形成完全水跃。故单宽流量及落差一定时，形成完全水跃所需的水跃长度即消力池长度就一定了。当落差小于10～14m时，消能率曲线斜率大，增幅快，但大于此值时却较慢。 　　对于本工程，溢洪道最大单宽流量为14.229m/s3，陡槽的坡比是1：4。为得到较优的能量消耗率，多级消力池的级数要少，但工程挖方、混凝土方量较大；如果控制工程挖方和混凝土方量，水流的消能率又很低，转弯段进口的流态得不到保证。为此，在泄槽转弯段进口的流态满足水力学要求的前提下，应使多级消力池结构数所对应的工程挖方和混凝土方量最小。 　　为使消能效果更加理想，缩短消力池的长度，可采用T型消力墩[8]。它能使消力池内在尾墩前形成稳定的强迫水跃，有助于消能，使水跃长度减少，降低池内第二共轭水深。T型消力墩各部份最优尺寸比例为：前墩厚：前墩高：前墩宽（与净间距相等）：尾坎高：支腿长＝2：3：4：5：6，排列阻水总宽度一般为池宽的40～50％左右。 　　三、模型试验 　　根据理论分析及水流运动的相似原理，按重力相似原则和佛氏模型律对工程进行模型试验，长度比尺取为λL＝50。 　　采用不同的台阶落差值分三种方案进行试验。具体方案及试验情况如下： 　　3.1、方案一及方案二的结构尺寸见表1： 表1 Tab.1 方案