【doc】低坝戽流消能的试验研究与消力戽设计方法

【doc】低坝戽流消能的试验研究与消力戽方法 低坝戽流消能的试验研究与消力戽设计方 法 24东北水利水电1993年 n一低坝戽流消能的试验研究与消力戽设计方法1?;, f 东北勘测设计院科研所?刘生. [文摘]通过系列模型试验.研究了低坝戽藏捎能的水力特性,提出了坝高3m以下,单宽流 量小于7m'/(s?m)小型戽藏拦河规的设计方法,该法已在一些上采用,它具有藏态稳 定,捎船救果较好,运用安全可靠,结构简单.施工方便.节省工程量和投资苷优点.在山区河道 柴石坝改造及电站弓f水拦河规中有推广应用竹值. [主题词]捎力戽垫退些哩堡研究设计 O概述 国内外对戽流消能的研究和应用,大多数着眼于大,中型水电工程,在小型工程中的 应用极为少见,到目前为止,尚未见到有关研究成果.这里所说低坝是指坝高低于3m,单 宽流量不太子7m/(s?m)的小型工程,这类小型戽流拦河坝,大多数是建在软基河床 上,以抬高水位.但如何选择泄洪消能方式是至关重要的问题,传统的底流消能方式工程 量大,施工复杂,消力池易被冲坏,且维修困难.因此提出了小型戽流消能方式. 辽宁省抚顺地区,近年来修建了小型戽流消能拦河坝百余座,并在辽宁省一些市,县 陆续推广兴建.由于小型戽流边界条件与大中型戽流有明显差别,已有的研究成果无法直 接采用,但水力要素之间的关系又较为复杂,只有通过模型试验来确立各水力要素之间的 关系,提出优化的设计方法. 1模型试验 1.1试验条件 试验工作是在60cm宽的断面玻璃水槽内进行的.模型几何比尺为1,15,下游铺成 动床冲刷料为'f,=2mm的松散细砂.堰型为WES剖面,设计水头按Hd=2m计算,试 验共进行15个组次,详见表1. 消力戽剖面及流态,符号意义见圆1. 上游水位测点在堰前15m处,临界水深测点及尾水控制点在堰下37.5m处,戽坎 高程比河床低0.5m.河道坡降按5‰考虑.对于每一组次,分别按单宽流量口分别为1, 3,5,7m/(s?m)进行试验. 1.2试验成果 对戽流的研究,主要是确定流态演变过程中的几个界限水深.特别是确定由挑流转化 为稳定戽流(又称淹没混合流)的临界水深,以及由淹没戽流转化为潜流(又称回复底 ?本文作者还有:辽宁省清原县水利局王本祥和抚联市水利局都撮海. 第2期(总第104期)低坝岸流消能的试验研究与消力岸设计方法25 流)的界限水深t.如果戽体设计得当,可避免挑流和潜流的发生,使正常水深始终处于这 二者之间.即能确保较好的流态. 表1试验组次 组次坝高p/m挑角a/(')反孤半径R/m 11.0301.o 21.0301.5 31.5301,5 42.0301.5 52.0351.5 61.5302,0 71.5352.O 82.0ao2.o 92.0352.o 102.S302.0 112.5352.O l22.O302_5 132.O352.S 142.5302.S 152.5352,5 注,均已换算为原墨数据,以下同. 1.2.1临界水深 戽流时虽然收缩水深h与临界水 深"不满足水跃方程,但就其影响因素 看."与h及弗劳德数有关系,而 又与流能比K有一定换算关系,所以归 根到底,t与及K有一定关系,表为 无量纲形式为: =F()(1) " 其中流能比; 根据试验数据计算,绘于图2. 可以看出,与K相关较好.拟 台关系式为: : 0.~+0.625K(2) ——1—J 1.2.2临界永深 根据对的分析,同样可以推 出,t,应与,,K有一定关系,即 圉1捎力戽及流态,符号示意圈}:,(,)(3),'c, 根据试验数据计算绘于图3.拟台关系式为=;__(4) 或表为;t.+?(5) 其中0.03<K<0.4. 若按已有的研究成果,对照本试验条件来计算t.和,发现与试验结果明显不符同 样,对其它水力要素如收缩水深,坝面流速系数等的计算结果,与试验结果也有较 大差别. 这说明原有的研究结果还不适用于小型工程戽流消能工. 1.2.3坝面流速系数及戽内收缩水深k 参考广东水利科学研究所的研究成果,流速系数的计算式为: ? 将;芒代入式(6)得 ,,2gE.?k (6) (6) 东北水利水电1993生 囝2下临界水深"相关图 由量纲分析知—(),根 据试验数据,可得二者关系.见图 4. 设凰},蜀为戽底以 上水头,则拟合关系式为 = 1.06—2.58K.(7) 得^.——==(8) ? ,,2gEo 1.2.4流态 溢流堰淹没时,坝高与坝坡 对流态影响较敏感. 对于高坝戽流来说,上下游 水位差很大.堰面保持自由流,下 辨尾水位绝不会淹没堰顶.主流沿坝面流动.而对低坝戽漶来说.上下游水位差小, 溢流 堰常被下赫水位淹没.若坝坡设计较陡,则主流将脱离坝面,在戽内形成履向旋滚, 把尾坎 面的砂粒带入戽斗内,见图5. 经试验观察t在同样水头下,坝高则坝坡可以陡些,坝低则坝坡应埋些.但考虑节省 工 程量,较优化的纽台关系见表2.? 表2埂高与坝坡的协调关系 坝高P/.111:2.0i2.5 坝坡ltM1l1.31l1.11l0.9:1t07 lr2,反孤半经R与单宽沆量q之关系 试验表晴,设计单宽流量太,则反弧半径必须相应地加大.习'戏戽流,沓则由于戽 斗半径小,可容亦体少.使水流在 戽内得不到充分调整而泄下,极 身形成底流,如图6所示. 若反弧半径过大,则增丈工 程量,很不经济.其较优化舶组合 关系见袭3. 1.2.6戽唇挑角 从现有太中蛰水电工程戽流 消能戽唇挑角看,太多数在40 ,45.之间,对小型戽唇挑角,曾 开展过正交试验研究,优化分析 结果认为戽斗挑角以30.,35更 适合小型工程.此结果与陕西机 'll 9 一 一 5 03 2 1 0 图3上临界水深"相关分析 第2期(总第104期)低坝戽流消能的试验研宽与消力戽设计方法27 囝4疵速系散与疵能比相关图 I广——J莹lJ 囝s堰顶授淹没耐,规坡睫与毂对泷态的影响 囝6反弧半径大小对漉态的影响 械学院有关成果接近,即认为采用 小挑角有利于减轻下游冲剥. 由试验数据分析表明.挑角在 30.,35.的小范国内变化,对临界 水深的影响甚小,因此计算临界水 深对可忽略该项因素. 2消力戽的设计方法及在 工程中的应用, 2.1设计方法 消力戽的设计包括消力戽剖面 设计和验证是否满足戽流流态的要 求两方面内容. 剖面设计主要是确定坝坡, 反弧半径R-挑角,尾坎高度a.坝 面坡度选择表2I反弧半径查表3, 挑角在30,3s'范围内任选;尾坎 高度低于河床—0.2,0.5m范围 内初选一个高程,然后计算剖面参 数及水力参数. 2.11剖面参数计算步骤 选建立直角座标系,以堰顶为 坐标原点,见图7. 尾坎处纵标=+a 反弧圆心纵标yo=yA--RcosO 戽底飒标如=+R 坝坡坡角90"--arctgM 下切点纵标=+Rcos8 上切点飒标=r—r?? 上切点横标n—r?slnOl 下切点横标=m+(一曲 弧心横标=戽底横标 如=盈,?+R?slnO 尾坎横标=勘q-?lOinO 28东北水利水电1993—皋 衰3反弧半径与设计最太单宽流量协调关系 设计最太流量口一/m..s一.maJs7 反弧半径Rim1.5J2.O2.5 圈7稍力戽剖面参数示意图 2.1.2水力计算参数 按单宽流量由小到大采用有关拟台公式列表计 算.当满足tl<<时,即认为达到设计要求.其中 "为下临界水深;t,为上I豳界水深,为正常水深. 若正常水深H不满足此关系式,则需重新假定尾坎 高程拟定剖面,再进行计算,直到满足此条件为止. 2.1.3冲坑深度与长度计算 按公式ho=lid一(尾水位一尾坎高程)计算j巾坑 深度(由尾坎顶算起).其中从下游水位算起的j巾深 Hn=1.48口?H".拄公式fD=蛆.计算j中坑最深 点到尾坎的水平距离. 2.1.4坝体断面结构设计 坝体下游齿墙深度应大于冲坑深度0.5m,戽斗内埋设温度筋,下游齿墙应挂钢照混 凝土面层0.2m厚,以防j巾刷回淘齿墙.坝体为浆砌石结构,溢流面层为混凝土.如有截 潜要求时,上游齿磕要到不透水屡.两侧溢流磕上潞侧要有足够长度,以使水流平顺.下 游挡墙保证0.5,1.0m长度即可.下接土堤堤脚石笼护底,要低于j巾坑深度,堤面干砌 石护坡,长度20~30m. 2.2戽流消能在小型工程中的应用 1988年辽宁省清原县首次建戽流拦河坝3座,共资1J3.1万元比底流消能节省 40,且每年节省维修费6.5万元,并提高了原有的灌溉保阜小型戽流拦河坝平均每 m造价比底流拦河坝降底1066元.从建成到现在,已经历了两次水考验.单宽流量达4 m'/(s?m),最大冲深只有1.o5m,距尾坎水平距离为8.7m,工程安垒 该项技术成果已在辽宁省抚顺地区推广,开原县,本溪县,铁岭地区,朝阳地区也相继 修建.据不完全统计全省已达200余座,其经济效益和社会效益是十分可观的,节省 工程 投资已超t000万元. 3结语 (1)据验证计算,过去研究戽流消能成果适用于坝高在10m以上的大中型工程,而 不适于低坝工程. (2)本研究成果适用于坝高低于3m的小型工程.采用戽漉消能,流态稳定,消能效 果较好,运用安全可靠,节省工程量和投资,结构简单,施工方便,优于底流消能.在山区河 道柴石坝改造及电站引水拦河坝中有推广应用价值. (3)在实际工程设计和运用中,应尽量避免两侧形成回流,以防恶化流态,造成严重j巾 刷.