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        水閘挖深式消力池消能設(shè)計(jì)研究

        2015-11-11 09:15:16程漢昆欒俊亮
        東北水利水電 2015年3期
        關(guān)鍵詞:水躍消力池水閘

        程漢昆,欒俊亮

        (大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,遼寧 大連116021)

        泄水建筑物下游水流銜接與消能常見(jiàn)的類型有:底流消能、挑流消能及面、戽流消能。平原地區(qū)的水閘,由于水頭低,下游水位變幅大,一般都采用底流式消能。底流消能主要的型式又分為:尾坎式、挖深式及綜合式。底流消能是利用水躍的原理,靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾與底部主流間的強(qiáng)烈紊動(dòng)、剪切和摻混作用消除余能。

        消力池的消能設(shè)計(jì)主要是確定消力池的池深及池長(zhǎng)。隨著過(guò)閘流量的不同,產(chǎn)生的水躍及上下游的銜接形式也不盡相同,因此,在進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)的時(shí)候,將過(guò)閘流量分成幾種工況來(lái)分別計(jì)算是有必要的。

        1 計(jì)算方法

        挖深式消力池示意圖見(jiàn)圖1。計(jì)算公式參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B及《水力計(jì)算手冊(cè)》。

        圖1 挖深式消力池

        1.1 消力池池深d的計(jì)算

        如圖1,建消力池前,收縮斷面的位置在c1-c1處,發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,需要將下游河床挖深一定的深度形成消力池,目的是加大下游水深。護(hù)坦高程降低一個(gè)d值后,收縮斷面的位置將由斷面c1-c1下移至c-c處,收縮水深相應(yīng)由hc1變成hc,E0=E′0+d。

        由圖1可以看出,消力池的水深應(yīng)稍微大于hc的共軛水深,即滿足下式:

        式中:σ水躍淹沒(méi)系數(shù),一般取1.05;h″c護(hù)坦高程降低后收縮水深hc的躍后水深。

        又由圖1中幾何關(guān)系,消力池內(nèi)的水深h″等于下游水深hs、池深d和△Z之和。即:

        △Z是當(dāng)水流由消力池進(jìn)入下游河道時(shí),由于豎向收縮,過(guò)水?dāng)嗝鏈p小,動(dòng)能增加,水面產(chǎn)生的跌落,其值可由能量方程求得。

        對(duì)消力池出口上游斷面1-1及下游斷面2-2列出能量方程式,以通過(guò)下游斷面2-2底部的水平面作基準(zhǔn)面,得:

        整理成:

        令α1=1;并以帶入式(4),則得:

        式中:φ′消力池流速系數(shù),它決定于消力池出口處的頂部形式,一般取0.95。

        將(2)式帶入到(1)式中,則消力池深度d的計(jì)算公式為:

        若將式(6)中的△Z忽略,以河床高程計(jì)算收縮水深,可得到粗略的估算池深的公式:

        及(5)、(6)4個(gè)方程聯(lián)合求解消力池深度d。但d和h″c之間是一個(gè)復(fù)雜的隱函數(shù)關(guān)系,故求解d時(shí)常用到試算法或圖解法。

        1.2 消力池池長(zhǎng)Lk計(jì)算

        消力池的作用是將水躍穩(wěn)定在池內(nèi),按道理其長(zhǎng)度應(yīng)與水躍長(zhǎng)度相當(dāng),但消力池內(nèi)的水躍受到消力池末端的垂直壁面產(chǎn)生的一個(gè)反向作用力,減小了水躍的長(zhǎng)度,池內(nèi)實(shí)際上產(chǎn)生的是強(qiáng)迫水躍。所以,消力池內(nèi)的水躍長(zhǎng)度僅為平底自由水躍長(zhǎng)度的70%~80%。

        由此可得,消力池長(zhǎng)度為L(zhǎng)k=(0.7~0.8)Lj,其中Lj為平底渠道中的自由水躍長(zhǎng)度。

        1.3 消力池設(shè)計(jì)流量的選擇

        上述計(jì)算過(guò)程是針對(duì)一個(gè)流量所得出的結(jié)果,而在任何實(shí)際工程的泄水建筑物都不可能在一個(gè)固定的流量下運(yùn)行。因此,消力池必須滿足在不同流量的情況下池中都能產(chǎn)生淹沒(méi)水躍的要求,這就必須選擇一個(gè)合適的流量設(shè)計(jì)消力池的尺寸。

        對(duì)于池長(zhǎng)計(jì)算方面,前面已經(jīng)闡述了其長(zhǎng)度取決于水躍長(zhǎng)度。由水躍特性得知,水躍長(zhǎng)度與流量成正比。因此,應(yīng)以通過(guò)建筑物最大流量作為消力池長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)流量。

        2 工程實(shí)例

        2.1 工程概述

        普蘭店市大譚鎮(zhèn)供水工程通過(guò)治理夾河興唐線至云峰渡槽區(qū)段堤防,在河道上新建擋水堰及水閘形成兩處蓄水塘壩,通過(guò)與河道連通的滲渠輸水至堤外方塘內(nèi),經(jīng)與方塘連接的凈水廠進(jìn)行凈化處理,由泵站加壓通過(guò)管道輸水至大譚鎮(zhèn)。

        工程中涉及到水閘工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級(jí)別為4級(jí),設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇,設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為322.39 m3/s。單孔凈寬為4.0 m,共10孔,總寬度為49.8 m。水閘由鋪蓋、閘室、消力池、海漫及防沖槽組成。其中消力池采用挖深式消力池。

        2.2 水閘消力池計(jì)算分析

        由于池深d達(dá)到最大時(shí)的流量并不一定是通過(guò)建筑物的最大流量,所以選擇322.39,300.00,250.00,200.00 m3/s等4種下泄流量分別進(jìn)行計(jì)算。

        首先由水閘的布置形式及4種工況下的下泄流量進(jìn)行水躍計(jì)算,算得4種工況下對(duì)應(yīng)的收縮斷面水深及躍后水深,成果見(jiàn)表1。

        表1 水躍計(jì)算成果表

        4種工況下對(duì)應(yīng)的下游水深,采用逐段試算法:

        計(jì)算出4種工況下對(duì)應(yīng)的下游水深及躍后水深與下游水深之差,見(jiàn)表2。

        表2 下游水深計(jì)算表

        計(jì)算消力池池深與池長(zhǎng)的試算過(guò)程如下:

        1)令△Z=0,確定池深的初始值為d0=σ-hs;

        4)利用公式d1=σ-(hs+△Z)計(jì)算出d1并與d0進(jìn)行比較,若|d1-d0|≤5 cm則計(jì)算結(jié)束,否則重新設(shè)置d2回到第2步,直至|di+1-di|≤5 cm;

        5)按照最大流量計(jì)算池長(zhǎng),池長(zhǎng)的計(jì)算公式為L(zhǎng)k=(0.7~0.8)Lj。

        按照上述步驟計(jì)算消力池池深為0.522 m,消力池池長(zhǎng)為15.29 m。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        水閘泄水時(shí),部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,流速增大,而土質(zhì)河床抗沖能力低,所以,閘下沖刷是個(gè)普遍的現(xiàn)象。不危害建筑物安全的沖刷,一般來(lái)說(shuō)是允許的,但對(duì)于有害的沖刷,則在設(shè)計(jì)運(yùn)行中需給予充分的重視。

        水閘的消能防沖設(shè)計(jì)須根據(jù)具體情況,將地質(zhì)地形條件、合理的過(guò)閘流量設(shè)計(jì)工況、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等不同的要素考慮進(jìn)去這樣才能使建成后的水閘運(yùn)行安全可靠,發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

        [1]SL265-2001,水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

        [2]高學(xué)平,張效先.水力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

        [3]林建洪.北溪水閘樞紐下游消能防沖設(shè)施除險(xiǎn)加固研究[J].東北水利水電,2011,29(1):63—66.

        [4]唐群新.水閘消能計(jì)算的分析研究[J].中國(guó)水運(yùn),2008,8(3):149—150.

        [5]胡順志,鞠曄,鄭軍.靖宇縣福生水電站泄水建筑物設(shè)計(jì)[J].東北水利水電,2012,30(8):10-11.

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