臺階式消能防沖設(shè)施設(shè)計研究

萬康飛

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

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臺階式消能防沖設(shè)施設(shè)計研究

萬康飛

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

文章以新疆吉爾格勒德水利樞紐工程臺階式溢洪洞設(shè)計為例，探討臺階式消能防沖設(shè)施設(shè)計。結(jié)果表明臺階式消能設(shè)施具有較好的消能效果，消能率達(dá)到75%以上，消能率與單寬流量以及臺階尺寸有著密切聯(lián)系，在臺階的尺寸保持一定時，單寬流量越小其消能率越高。當(dāng)泄洪建筑物下游不具備挑流條件或下游空間受限布置消力池受限時，采用沿程臺階消能，能大大減小下游消力池尺寸。

臺階式；消能防沖；設(shè)計；溢洪洞

1　工程概況

吉爾格勒德水利樞紐工程屬于II等、大(2)型工程，它的地理位置為：E84°21′～84°24′，N44°03′～44°06′，即：吉爾格勒德水利樞紐位于“金三角城市經(jīng)濟(jì)圈”的烏蘇市境內(nèi)(處于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的西端)，它與烏魯木齊市相距310km，與烏蘇市相距60km。另外，該工程還位于四棵樹河上游，與九巴勒貝其爾溝匯合口上游大約相距1km，與河吉勒德水文站大約相距14.5km(平均年徑流量為3.058億m3——水文站斷面，平均控制徑流量為2.9328億m3——壩址)，目前，它是四棵樹河山區(qū)唯一一座攔河樞紐工程，其建設(shè)的目的在于：以農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水為主，以發(fā)電、防洪為輔，為當(dāng)?shù)厝嗣裉峁┍憷?、高效的服?wù)。另外，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該工程所在的區(qū)域交通比較便利，且工程區(qū)域內(nèi)無村莊、文物、工況等，其建設(shè)損失或者建設(shè)風(fēng)險較小(只會小區(qū)域的淹沒一些草場)[1]。除此之外，吉爾格勒德水利樞紐工程構(gòu)成要素主要包括：右岸溢洪洞(3級)、泄洪洞(3級)、攔河壩(2級)、電站廠房(4級)、發(fā)電引水系統(tǒng)(3級)、臨時建筑物(5級)等，工程區(qū)域的平均最大風(fēng)速為12.7 m/s、最大冰厚為88.6cm，而且壩址區(qū)平均氣溫為4.6℃(最高：39.5℃、最低：-33.5℃)，平均懸移質(zhì)含沙量為1.5kg/cm，平均年輸沙量為43.2×104T。

2　模型試驗

在委托方對模型試驗要求下，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計試驗?zāi)Ｐ停⑶腋鶕?jù)工程建設(shè)實地考察結(jié)果，計算出模型與實際情況的科學(xué)比尺(采用比尺Lr=40)，其中時間比尺Tr= Lr1/2=6.325、流量比尺Qr=Lr5/2=10119.3、流速比尺Vr= Lr1/2=6.325、糙率比尺Nr= Lr1/6=1.849。另外，模型的設(shè)計與制作均與樞紐平面布置圖(設(shè)計院提供)相吻合。最終得出：上游庫區(qū)縱向地形范圍為315.86m，則模型的設(shè)計范圍為789.66cm，橫向地形范圍為160.00m，則模型的設(shè)計范圍為400.00cm；下游河道縱向地形范圍為336.63m，則模型的設(shè)計范圍為841.57cm，其寬度為224.64m，則模型的寬度為561.60cm。另外，下游河道縱向動床(高程1410m)范圍長為249.15m，則需要將模型長設(shè)計為622.88cm。除此之外，根據(jù)工程現(xiàn)場考察結(jié)果，將下游河道動床沖刷料粒徑設(shè)計1.2cm～3.0cm(實際為0.5m到1.2m)[2]。為了方便模型的設(shè)計數(shù)據(jù)等的及時修改，將樁號溢0+000.00的所有過水?dāng)嗝娴倪厜M(jìn)行2m加高，并且采用有機(jī)玻璃制作泄水建筑物模型，以便滿足糙率相似。

3　試驗成果

3.1溢洪洞水位與流量的關(guān)系

對原有的溢洪洞水位與流量的關(guān)系試驗研究與革新后的溢洪洞水位與流量的關(guān)系試驗研究結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果見表1～表2：

表1　原有的溢洪洞水位與流量的關(guān)系(針對原設(shè)計)

流量差值=(實測-設(shè)計)/設(shè)計×100%

表2　革新后的溢洪洞水位與流量的關(guān)系(對原設(shè)計的調(diào)整)

流量差值=(實測-設(shè)計)/設(shè)計×100%

其中表2中的流量系數(shù)的計算公式為：

(1)

式中：m為堰流綜合流量系數(shù)；Q為泄洪流量，m3/s；B為堰面過水寬度，m(本工程為16m)；H為堰上水頭，m(本工程堰頂高程為1506m)[3]。

對比研究發(fā)現(xiàn)：校核洪水位、消能防沖標(biāo)準(zhǔn)水位以及設(shè)計洪水位所對應(yīng)的流量均大于設(shè)計值，因此，能夠有效的滿足泄洪要求。而且為了測定進(jìn)口溢流堰體型的合理性，對側(cè)槽溢流堰的堰面壓強(qiáng)分布進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各個狀態(tài)下的堰面沿程均為正壓，因此，革新后的數(shù)據(jù)更加科學(xué)合理。

2　消力池流態(tài)

原設(shè)計與修改后的設(shè)計比較，結(jié)果顯示：按照原設(shè)計消力池體型，根據(jù)實際調(diào)查，將消能防沖水位的下泄流態(tài)設(shè)計為30.99m3/s特別符合水流的消能要求，同時，若將水位下泄流態(tài)設(shè)計為81.23m3/s，則消力池?zé)o法形成穩(wěn)定的底流消能流態(tài)，而且其水流流態(tài)呈現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍形式[4]；如果將水位下泄流態(tài)設(shè)計為149.67m3/s，則這個工況下的消力池不具備消能能力，而且水流呈現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)射流，因此，如果消力池評定標(biāo)準(zhǔn)以按照該流量為準(zhǔn)，則消力池流態(tài)需要進(jìn)一步修改。為了方便模型的設(shè)計數(shù)據(jù)等的及時修改(根據(jù)不同情況設(shè)計不同的消力池體型)，將樁號溢0+000.00的所有過水?dāng)嗝娴倪厜M(jìn)行2m加高，并且在消力池的底板增加消能墩，這樣使得修改過后的消力池底板高程為1406.40m，而且消力池的總長度為40m，是的消力池具備較高的消能能力，使其下泄流態(tài)為81.23m3/s，而且從改進(jìn)的消力池(最佳的消能流態(tài)為底流消能)流態(tài)看，改進(jìn)后的消力池可以完全的滿足臺階面下泄水流的消能要求，而且根據(jù)多年的經(jīng)驗，在改進(jìn)后的流量下，消力池會存在縮短的可能性，因此，需要保障消力池長度縮短范圍在4～6m以內(nèi)，也就是保證消力池長度在36～34m范圍內(nèi)，才能保證底板高程1406.40m不變[5]。另外，為了保障科學(xué)的水位，在消力池的設(shè)計中，應(yīng)該在已經(jīng)修改過后的消力池底板基礎(chǔ)上，再降低過水?dāng)嗝娴倪厜?m，促使消力池的底板高程為1405.40m，這樣便可以實現(xiàn)在校核庫水位下泄149.67m3/s的條件下，消力池基本可以滿足該泄量所需要的消能，完成消能防洪工作[6]。另外，考慮到吉爾格勒德水利樞紐工程的防洪功能，需要將消力池的體型設(shè)計需要根據(jù)不同工況來決定。總之，修改過后的消力池流態(tài)，更加滿足吉爾格勒德水利樞紐工程消能防洪需要。

3　結(jié)　語

臺階式溢流洞具有較高的消能防洪性能，而且其消能率與單寬流量以及臺階尺寸有著密切的聯(lián)系，在臺階的尺寸保持一定時，小流量工況其消能率較高。總之，臺階式溢流洞所起到的消能防洪作用是顯而易見的，該設(shè)計廣泛的應(yīng)用與各大實際工程中，而且它是一種發(fā)展前景十分光明、發(fā)展市場十分廣闊的新型消能防洪設(shè)施。文章以吉爾格勒德水利樞紐工程中臺階式溢流洞的設(shè)計、建設(shè)為例，淺談臺階式溢流洞的效用，可能存在一定的片面性，但是不能忽視其研究價值，期望能夠產(chǎn)生一定的指導(dǎo)意義。

[1]王輝,劉暉,羅進(jìn)紅，等.沐若水電站大壩溢流表孔臺階消能設(shè)計研究[J].人民長江,2013,44(8):90-93.

[2]井德泉,劉佳佳.吉林省柳河時家店水庫溢洪道的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2013,12(21):83-84.

[3]田嘉寧,李建中,高橋正行，等.治溝骨干工程臺階式泄水建筑物的消能防沖研究[J].水土保持通報,2005,25(02):1-4.

1007-7596(2016)06-0083-02

2016-03-17

萬康飛(1982-)，男，河南太康人，工程師，研究方向為水利水電工程設(shè)計。

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