水库溢洪道多级消能研究范文

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《中国水能及电气化杂志》2015年第七期

1原消能方案存在的问题

三种工况下的模拟试验结果显示，对整个溢洪道进行多级消能，基本能够完成泄洪消能要求，各工况下不存在高速水流现象，因此，发生空蚀、磨蚀及建筑物振动等不利影响的可能性不大，但在个别工况和一些特殊位置仍然表现出一些不利现象，主要是工况3下的交错加糙段，在流量较小情况下，会形成局部空腔，并产生较大负压，容易产生空蚀破坏，其原因是加糙段与水流方向垂直，并且高度较大［2］;其次是在泄洪道进口段，在工况2水位条件下，水位已经越过导流墙顶部并横向进入溢洪道，出现脱壁绕流问题;一、二级间的弯道过渡段转弯幅度较大，在大流量状态下，右边墙有少量溢水，并导致第二级水面摆动幅度增大，二、三级连接段也存在类似问题;交错加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是掺气过度使水深增加，并导致水流从边墙溢出。

2消能方案优化

2.1溢洪道体型修改方案针对原方案不足之处，提出两点修改建议:首先，将溢洪道进口段导流墙顶高程改为2585.00m(见图2);其次，取消溢洪道加糙段底板加糙条，以改善下泄水流的流态。

2.1.1优势泄洪道进口段修改方案实施后，高水位进口流态明显改善，过流能力略微增加，但与原方案相差不大;模拟试验结果显示，各个测压孔压力值总体有所减小，最重要的是负压消失，原因是去掉底板加糙条后，下泄水流流态有明显改善，下泄流速增大，压能相应减小，由加糙条造成的漩涡区消失，因此负压不复存在。

2.1.2不足由于取消了泄流槽底板的加糙条，在改变流态的同时，水流速度明显增加。流速增加的负面效应就是溢洪道末端消力池内难以形成水跃，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流态，挑距与水舌高度比原方案有明显增加。试验结果显示:在所有三种工况下，消力池均失去其基本的消能作用。很明显这一现象是由于消力池长度和深度不够造成的。但是要实现消力池内的底流消能，消力池的长度和深度需要大幅度增加，例如:在工况2的条件下，要实现底流消能必须将消力池深度由现在的1.20m增加到4m以上，显然在经济上是不可取的［3］。

2.2进一步优化

2.2.1优化措施针对原修改方案存在的消力池失效问题，拟将溢洪道出口消力池由底流消能改为挑流消能。根据消力池周边地形及下游河道状况，经过优化比对，决定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程为2532.30m，桩号为0+222.590，比原方案消力池末端向上游移动约8.16m，挑流鼻坎的挑角设计为25°，其具体设计体型如图3所示。

2.2.2模拟试验结果及分析

2.2.2.1动水压力分析经过模拟试验对不同工况下的时均动水压力值进行测量，结果显示，各工况下各个测压孔均无负压值出现，压力值均符合设计要求。

2.2.2.2溢洪道流速、流态及水面线分析由于此次修改措施只影响溢洪道下游的水流态势，因此，在模拟试验过程中只对泄0+178.042向下游进行测量，实测结果显示各工况水流下泄平稳，流态良好。部分流速值见表2。取消加糙条后流速会增加，是否会产生空化对过流壁造成危害，需要进行分析计算［4］。根据模拟试验数据，利用水流空化数计算公式，计算出各个测量断面的空化数(见表3)，计算结果显示水流空化数都远大于0.30，因此，溢洪道过流壁不会因为水流空化遭到空蚀破坏。试验结果显示:挑流消能工运行良好，达到了预期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高点距鼻坎的距离见表4)，从水舌挑流形态来看鼻坎挑流顺畅，水舌形态良好。

2.2.2.3下游河道流速及流态各工况下，下游河道各测速点实测流速值见表5。从中可知，各工况下岸边流速都在4m/s以下，其中，工况2下不超过3m/s。下泄设计流量以下时，下游河道流态良好。在工况1和工况3下，在泄0+253.297断面左岸附近有回流，但是回流流速不超过4m/s，不会对下游河道流态造成负面影响。

2.2.2.4下游河道冲淤在模拟试验中，各工况下水流对河道的冲刷时间均保证在5h以上，以便使河道冲淤达到形态不再变化的平衡状态［5］，并将测得的各特征值列于表6。由试验数据可以看出，各工况冲坑底到挑流鼻坎的距离在22～34m之间，并且坡度很缓，不会危及溢洪道安全。

3结语

通过加高导流墙可以有效解决高水位状态下，溢洪道进口导流墙脱壁绕流现象;交错形加糙段加糙条阻水作用明显，拆除后流速有所加大，但不存在超过20m/s的高速水流现象，并且水流流态明显改善;原方案各工况下，溢洪道末端消力池内不能形成底流消能流态，将底流消能改为挑流消能后，消能效果良好，下游流速较小，回流流速都在4m/s以内，不会对岸坡造成明显冲刷，满足出口水流衔接要求。

作者：刘志芳 单位：山西省禹门口水利工程管理局