多級連續消力池的布置與水力計算方法

2011-08-13 06:30:18王圣文吳洪亮

水利與建筑工程學報 2011年5期

王圣文,吳洪亮

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072)

0 引言

消能設施是溢洪道的重要組成部分,對于某些中小型水庫的溢洪道工程,由于地形或地質條件的限制,不適合采用挑流式消能,采用底流式消能(即在溢洪道尾水渠首建消力池)又可能工程量過大,并且由于消力池壅水會增加尾水渠首部護坡高度。在這種情況下,多級消力池消能是比較合適的選擇[1],然而現有已公開文獻很少系統地介紹多級連續消力池的水力計算方法。本文結合丹江口市金崗水庫溢洪道的設計,介紹多級連續消力池的布置方案和水力計算,以期為同類工程設計提供參考。

1 工程概況

金崗水庫位于丹江口市余家營村沙溝河的中上游,大壩壩型為均勻土質壩,總庫容為134×104m3,是一座以防洪為主,兼有灌溉、供水、養殖等綜合效益的小(Ⅰ)型水利樞紐工程。大壩按50 a一遇洪水設計,1 000 a一遇洪水校核,消能防沖按50 a一遇洪水設計。溢洪道位于大壩右岸,為無閘控制寬頂堰,由進口段、控制段、泄槽段組成。進口過水斷面寬46.82 m～21.15m;控制斷面凈寬18.0 m,寬頂堰頂部高程123.58 m;泄槽段坡降為1/87,水平長度為58.9 m。溢洪道出口段沒有消能防沖設施,已經發生嚴重沖毀。圖1為溢洪道縱剖面圖。

圖1 溢洪道縱剖面

2 溢洪道消能方式選擇

根據地形、地質條件,選擇三種消能工形式進行比較,分述如下:

2.1 挑流消能

泄槽段之后樁號0+058.9m～0+139.0 m新建一陡槽,水平長度 80.1 m,坡度 1∶8.5。樁號 0+139.0 m處修建一挑流鼻坎,挑角 θ=30°,反弧半徑R=38.5 m。挑流沖刷坑周圍需建擋墻,將水流順接到下游渠道。

2.2 單級消力池消能

樁號0+058.9～0+117.6新建一陡槽,陡槽水平長度 58.7 m,坡度1∶5。樁號0+117.6 m～0+139.0 m新建一降低護坦式消力池,池深2.5 m。池長21.4 m。消力池末端接下游渠道。陡槽末端水流流速較大,接近14 m/s。

2.3 多級連續消力池消能

泄槽后新建三級連續消力池,第一級和第二級消力池末端加筑消能坎,坎高均為1.0 m,第三級消力池為降低護坦式消力池,池深1.5 m。三級消力池前端均修建成斜坡式,坡度分別為1∶1.2、1∶1.4和1∶1.5,池長分別為30.2 m、12.7 m 和21.0 m。下游與渠道相接。建筑物均采用鋼筋混凝土結構[2]。圖2為多級連續消力池消能段縱剖面圖。

圖2 多級連續消力池消能段縱剖面

2.4 綜合比較

采用單級消力池消能方式將大大增加工程開挖工程量,提高工程造價,并且采用單級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別達到14 m/s和13 m/s,流速較大,容易引起氣蝕現象發生,對混凝土施工質量要求高,施工難度較大。挑流消能還將引起下游渠道中水流的波動,對下游渠道抗沖刷能力要求較高。尤其當通過大流量水流時,對下游渠道的沖擊破壞較大[4]。綜合工程造價、施工難度、下游渠道防沖護砌和地形地勢等各方面因素考慮,推薦選用多級連續消力池消能方案。表1為不同消能方式主要工程量及造價。

表1 不同消能方式主要工程量及造價

3 多級消力池消能水力計算

溢洪道消能防沖設計的洪水標準為50 a一遇洪水,下泄流量Q=84.3 m3/s。溢洪道消能段為等寬矩形斷面,寬 b=20.0 m,單寬流量 q=4.2 m3/(s?m)。水流經泄槽流至樁號0+058.9 m處時水深h=0.65 m,流速v=6.5 m/s,下游渠道水深ht=1.3 m。

第一級消力池水力計算如圖3所示。

圖3 第一級消力池計算示意

(1)收縮斷面水深hc計算[5]

斷面0+058.9 m至收縮斷面0+061.3 m運用能量方程得:

式中:E0為樁號0+058.9處斷面總水頭,E0=h+p+q2/(2gh2)=3.54 m;φ為流速系數,取0.95。由式(1)試算得到hc=0.58 m。

(2)躍后水深 hc″計算

(3)消力池尾坎高度c計算[3]

式中:σj為水躍淹沒度,取1.05;m為消能坎流量系數,取0.42;σs為消能坎淹沒系數,本例坎頂水流為自由溢流,取 σs=1,計算得c=0.78 m。

(4)池長Lj計算

經計算得Lj=11.3。

(5)消能系數kj計算

經計算得kj=0.26。

第二級消力池與第一級消力池結構形式相同,均為加筑消能坎式消力池,其水力計算過程與第一級消力池計算步驟完全相同。而第三級消力池為降低護坦式消力池,計算示意圖如圖4所示,其池深的計算公式如下:

消力池池深d[6]:

式中:hT為池末水深,hT=σjhc″;φ′為池末出流流速系數,取0.95;ht為下游渠道水深,取 1.3 m。表 2為多級連續消力池消能水力計算成果表。

圖4 第三級消力池計算示意

表2 多級連續消力池消能水力計算成果

綜合計算結果與工程地形地勢,取第一級消力池池長30.2 m,坎高1.0 m,第二級消力池池長12.7 m,坎高1.0 m,第三級消力池池長21.4m,池深1.5 m。

水流經過消力池,雖已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余動能,特別是流速分布不均,脈動仍較劇烈,具有一定的沖刷能力。而且渠道入口處流速v=3.2 m/s遠大于渠道的不沖允許流速0.95 m/s。因此,消力池護坦后仍需設置海漫等防沖加固設施,以使水流均勻擴散,并將流速分布逐步調整到接近天然河道的水流形態。