臺階式消能防沖設施設計研究

萬康飛

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000)

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臺階式消能防沖設施設計研究

萬康飛

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，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計為例，探討臺階式消能防沖設施設計。結(jié)果表明臺階式消能設施具有較好的消能效果，消能率達到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)濟圈”的烏蘇市境內(nèi)(處于天山北坡經(jīng)濟帶的西端)，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?shù)厝嗣裉峁┍憷?、高效的服務。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，其建設損失或者建設風險較小(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)重力相似準則設計試驗模型，并且根據(jù)工程建設實地考察結(jié)果，計算出模型與實際情況的科學比尺(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，模型的設計與制作均與樞紐平面布置圖(設計院提供)相吻合。最終得出：上游庫區(qū)縱向地形范圍為315.86m，則模型的設計范圍為789.66cm，橫向地形范圍為160.00m，則模型的設計范圍為400.00cm；下游河道縱向地形范圍為336.63m，則模型的設計范圍為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計1.2cm～3.0cm(實際為0.5m到1.2m)[2]。為了方便模型的設計數(shù)據(jù)等的及時修改，將樁號溢0+000.00的所有過水斷面的邊墻進行2m加高，并且采用有機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(針對原設計)

流量差值=(實測-設計)/設計×100%

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

流量差值=(實測-設計)/設計×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、消能防沖標準水位以及設計洪水位所對應的流量均大于設計值，因此，能夠有效的滿足泄洪要求。而且為了測定進口溢流堰體型的合理性，對側(cè)槽溢流堰的堰面壓強分布進行了監(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)更加科學合理。

2　消力池流態(tài)

原設計與修改后的設計比較，結(jié)果顯示：按照原設計消力池體型，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)設計為81.23m3/s，則消力池無法形成穩(wěn)定的底流消能流態(tài)，而且其水流流態(tài)呈現(xiàn)遠驅(qū)水躍形式[4]；如果將水位下泄流態(tài)設計為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)遠驅(qū)射流，因此，如果消力池評定標準以按照該流量為準，則消力池流態(tài)需要進一步修改。為了方便模型的設計數(shù)據(jù)等的及時修改(根據(jù)不同情況設計不同的消力池體型)，將樁號溢0+000.00的所有過水斷面的邊墻進行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，而且從改進的消力池(最佳的消能流態(tài)為底流消能)流態(tài)看，改進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，為了保障科學的水位，在消力池的設計中，應該在已經(jīng)修改過后的消力池底板基礎上，再降低過水斷面的邊墻1m，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，該設計廣泛的應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施。文章以吉爾格勒德水利樞紐工程中臺階式溢流洞的設計、建設為例，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)生一定的指導意義。

[1]王輝,劉暉,羅進紅，等.沐若水電站大壩溢流表孔臺階消能設計研究[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計。

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