多级连续消力池的布置与水力计算方法

王圣文,吴洪亮

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

0 引 言

消能设施是溢洪道的重要组成部分,对于某些中小型水库的溢洪道工程,由于地形或地质条件的限制,不适合采用挑流式消能,采用底流式消能(即在溢洪道尾水渠首建消力池)又可能工程量过大,并且由于消力池壅水会增加尾水渠首部护坡高度。在这种情况下,多级消力池消能是比较合适的选择[1],然而现有已公开文献很少系统地介绍多级连续消力池的水力计算方法。本文结合丹江口市金岗水库溢洪道的设计,介绍多级连续消力池的布置方案和水力计算,以期为同类工程设计提供参考。

1 工程概况

金岗水库位于丹江口市余家营村沙沟河的中上游,大坝坝型为均匀土质坝,总库容为134×104m3,是一座以防洪为主,兼有灌溉、供水、养殖等综合效益的小(Ⅰ)型水利枢纽工程。大坝按50 a一遇洪水设计,1 000 a一遇洪水校核,消能防冲按50 a一遇洪水设计。溢洪道位于大坝右岸,为无闸控制宽顶堰,由进口段、控制段、泄槽段组成。进口过水断面宽46.82 m～21.15m;控制断面净宽18.0 m,宽顶堰顶部高程123.58 m;泄槽段坡降为1/87,水平长度为58.9 m。溢洪道出口段没有消能防冲设施,已经发生严重冲毁。图1为溢洪道纵剖面图。

图1 溢洪道纵剖面

2 溢洪道消能方式选择

根据地形、地质条件,选择三种消能工形式进行比较,分述如下:

2.1 挑流消能

泄槽段之后桩号0+058.9m～0+139.0 m新建一陡槽,水平长度 80.1 m,坡度 1∶8.5。桩号 0+139.0 m处修建一挑流鼻坎,挑角 θ=30°,反弧半径R=38.5 m。挑流冲刷坑周围需建挡墙,将水流顺接到下游渠道。

2.2 单级消力池消能

桩号0+058.9～0+117.6新建一陡槽,陡槽水平长度 58.7 m,坡度1∶5。桩号0+117.6 m～0+139.0 m新建一降低护坦式消力池,池深2.5 m。池长21.4 m。消力池末端接下游渠道。陡槽末端水流流速较大,接近14 m/s。

2.3 多级连续消力池消能

泄槽后新建三级连续消力池,第一级和第二级消力池末端加筑消能坎,坎高均为1.0 m,第三级消力池为降低护坦式消力池,池深1.5 m。三级消力池前端均修建成斜坡式,坡度分别为1∶1.2、1∶1.4和1∶1.5,池长分别为30.2 m、12.7 m 和21.0 m。下游与渠道相接。建筑物均采用钢筋混凝土结构[2]。图2为多级连续消力池消能段纵剖面图。

图2 多级连续消力池消能段纵剖面

2.4 综合比较

采用单级消力池消能方式将大大增加工程开挖工程量,提高工程造价,并且采用单级消力池消能方式和挑流消能方式[3],在陡槽末端水流流速分别达到14 m/s和13 m/s,流速较大,容易引起气蚀现象发生,对混凝土施工质量要求高,施工难度较大。挑流消能还将引起下游渠道中水流的波动,对下游渠道抗冲刷能力要求较高。尤其当通过大流量水流时,对下游渠道的冲击破坏较大[4]。综合工程造价、施工难度、下游渠道防冲护砌和地形地势等各方面因素考虑,推荐选用多级连续消力池消能方案。表1为不同消能方式主要工程量及造价。

表1 不同消能方式主要工程量及造价

3 多级消力池消能水力计算

溢洪道消能防冲设计的洪水标准为50 a一遇洪水,下泄流量Q=84.3 m3/s。溢洪道消能段为等宽矩形断面,宽 b=20.0 m,单宽流量 q=4.2 m3/(s◦m)。水流经泄槽流至桩号0+058.9 m处时水深h=0.65 m,流速v=6.5 m/s,下游渠道水深ht=1.3 m。

第一级消力池水力计算如图3所示。

图3 第一级消力池计算示意

(1)收缩断面水深hc计算[5]

断面0+058.9 m至收缩断面0+061.3 m运用能量方程得:

式中:E0为桩号0+058.9处断面总水头,E0=h+p+q2/(2gh2)=3.54 m;φ为流速系数,取0.95。由式(1)试算得到hc=0.58 m。

(2)跃后水深 hc″计算

(3)消力池尾坎高度c计算[3]

式中:σj为水跃淹没度,取1.05;m为消能坎流量系数,取0.42;σs为消能坎淹没系数,本例坎顶水流为自由溢流,取 σs=1,计算得c=0.78 m。

(4)池长Lj计算

经计算得Lj=11.3。

(5)消能系数kj计算

经计算得kj=0.26。

第二级消力池与第一级消力池结构形式相同,均为加筑消能坎式消力池,其水力计算过程与第一级消力池计算步骤完全相同。而第三级消力池为降低护坦式消力池,计算示意图如图4所示,其池深的计算公式如下:

消力池池深d[6]:

式中:hT为池末水深,hT=σjhc″;φ′为池末出流流速系数,取0.95;ht为下游渠道水深,取 1.3 m。表 2为多级连续消力池消能水力计算成果表。

图4 第三级消力池计算示意

表2 多级连续消力池消能水力计算成果

综合计算结果与工程地形地势,取第一级消力池池长30.2 m,坎高1.0 m,第二级消力池池长12.7 m,坎高1.0 m,第三级消力池池长21.4m,池深1.5 m。

水流经过消力池,虽已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余动能,特别是流速分布不均,脉动仍较剧烈,具有一定的冲刷能力。而且渠道入口处流速v=3.2 m/s远大于渠道的不冲允许流速0.95 m/s。因此,消力池护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施,以使水流均匀扩散,并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。

式中:Δ H为末级消力池上下游水位差,Δ H=1.1 m;ks为海漫长度计算系数,可由表3查得,本例取7.0。经计算海漫长度Lp=14.7 m。

表3 ks值

4 结 语

(1)本工程系低水头建筑物,溢洪道泄槽出口处水流佛汝德数为3.03,为典型的低佛汝德数水流消能,采用多级消力池重复消能方式是解决低佛汝德数消能的一种有效方式。

(2)本工程采用多级消力池消能方案,提高了消能设施的消能率,降低了水流流速,减缓了下游水流对河床的冲刷作用,并且多级消力池没有统一的形式、高程、尺寸等,可因地制宜根据各种工程特点来满足各自的经济技术要求。

[1]许光祥,崔予达,杨忠超.复式消力池在山区小水电中研究应用[J].水力发电学报,2007,26(2):88-92.

[2]刘沛清,冬俊瑞.消力池及辅助消能工设计的探讨[J].水利学报,1996,(6):48-54.

[3]王久晟,程观富.多级跌水消能的消能工计算与实验研究[J].治淮,2002,(6):29-30.

[4]潘辉.溢洪道多级跌水消能探析[J].水利技术监督,2010,18(4):27-29.

[5]邵阳英,夏群佩.溢洪道工程消力池掺气水深计算分析[J].中国水运,2009,9(4):146-147.

[6]李炜.水力计算手册(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[7]吴持恭.水力学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2006.