CN111622187A - 分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于分散式特殊挑流消能工冲坑深度预测的计算方法，计算公式为：T＝k_rk_wq^0.5H^0.25，式中，T为冲刷坑深度，单位为：m；q为泄洪单宽流量，单位为：m³/s·m；H为泄洪水头，单位为：m；k_r为基岩冲刷系数；k_w为射流冲刷系数。本发明经多个工程原型泄洪冲刷成果进行验证，本预测方法相对于从前的预测方法综合考虑了基岩抗冲性能和挑流水舌纵向拉伸、差动、平面分散等效应，能全面涵盖分散式特殊消能工工程特征，精度更高。

Description

分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法

技术领域

本发明涉及水利工程泄洪消能技术领域，具体是一种适用于分散式挑流消能工冲坑深度预测的方法。

背景技术

在水利水电工程泄洪消能建筑物中，挑流消能的特点是把具有巨大能量的高速水流直接坠入下游河床，对下游河床造成比较严重的冲刷破坏，甚至可能引起岸坡崩塌，危及工程安全。所以，挑流消能形成的高速射流对河床岩石的冲刷问题，一直是工程设计高度关注的问题之一。高水头泄流建筑物的挑射水流，其巨大能量大体上分三部份消耗掉，即空中消能、水垫消能及冲刷基岩消能(另有一小部份能量转化为尾水动能)。高速挑射水流对河床岩石的冲刷破坏是水利工程界尚未解决的难题之一，其影响因素较多，物理过程复杂，其过程涉及到流体力学、固体力学、岩石力学以及工程水文地质等众多学科，这也是造成这方面研究诸多、研究进展较慢的原因之一。

随着挑流消能在各种水利工程中的广泛采用，冲刷问题倍受人们关注。20世纪20年代以来，世界各国水利科技工作者，从理论分析、模型试验、原型观测等多个方面开展了大量工作，提出了各种岩石冲刷理论和各种形式的经验、半经验计算公式，为冲刷研究和泄洪消能设计奠定了基础。

挑流消能造成的大坝下游岩石河床冲刷问题直接关系到坝体的稳定与安全，是水利工程界尚未解决的难题之一。岩石冲刷物理过程较复杂，冲刷破坏机理所涉及的影响因素较多。20世纪年代以来，世界各国学者和水利工程界人士，从理论分析、模型试验和原型观测等多个角度开展了大量工作，提出了各种形式的经验和半经验冲坑预报公式，但迄今为止还没有一种成熟的方法能准确对冲坑进行预报。原型观测资料证明，较好的预报公式误差也在10～30％。现有的研究通常只侧重于某一个方面进行，因此公式的适用性受到一定的限制。特别是对于分散式消能工挑坎所产生的三维扩散水流、多股分层挑跌流、表中孔水舌对撞、左右水舌对撞等复杂流态的挑流消能冲坑的预报，则不能应用现有公式，迄今为止还没有完全成熟完善的计算式，目前还主要依靠模型实验和工程类比分析。

鉴于以往方法无法准确预测分散式特殊消能工冲坑深度，本发明对分散式消能工冲坑深度的预测提出了一种全新的预测方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有无法准确预测分散式消能工冲坑深度，对分散式消能工冲坑深度的预测提出了一种全新的评估方法。

现行规范的冲坑深度计算公式为T＝Kq^0.5H^0.25，冲刷系数K与基岩特性相关，q和H与水流能量相关，未考虑水舌形态及分布。

本发明综合考虑了基岩特性、水流能量、水舌形态及分布等影响因素，完善了分散式消能工冲坑计算理论，提出的分散式消能工冲坑深度计算公式为，填补了行业空白。

本发明综合提出分散式特殊消能工冲坑深度计算公式：

T＝k_rk_wq^0.5H^0.25

式中，T为冲刷坑深度，单位为：m；

q为泄洪单宽流量，单位为：m³/s·m；

H为泄洪水头，单位为：m。

k_r为基岩冲刷系数，与基岩的地质特征有关，可进一步简化为抗冲流速的函数：

k_r＝2.66v_k ^-0.39，

v_k为允许抗冲流速，单位为：m/s。

k_w为射流冲刷系数，与水舌纵向拉伸、差动、平面分散以及与下游消能水体关系有关，可进一步简化为窄缝消能工收缩比

的函数：

其中b和B分别代表窄缝消能工挑坎出口和进口宽度单位为：m；

n为平面分散度指数，取值0.25～0.5，如收缩比大，取较小值；如收缩比小，取较大值。当水舌未采用收缩式消能工，纵向收缩系数

取1.0。

M为水舌入水纵向收缩系数，根据差动水舌分散效果、向心集中等影响，取值0.7～1.5。水舌差动分散效果好，M取小值；水舌差动分散效果不好，或者存在向心集中，M取较大值。

本发明经多个工程原型泄洪冲刷成果进行验证，本预测方法相对于从前的预测方法综合考虑了基岩抗冲性能和挑流水舌纵向拉伸、差动、平面分散等效应，能全面涵盖分散式消能工工程特征，精度更高。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法，综合考虑了基岩抗冲性能和挑流水舌纵向拉伸、差动、平面分散效应，计算公式为：

T＝k_rk_wq^0.5H^0.25 (1)

式中，T为冲刷坑深度，单位为：m；

q为泄洪单宽流量，单位为：m³/s·m；

H为泄洪水头，单位为：m；

k_r为基岩冲刷系数；

k_w为射流冲刷系数。

所述k_r为基岩冲刷系数，与基岩的地质特征有关，可进一步简化为抗冲流速的函数：

k_r＝2.66v_k ^-0.39

v_k为允许抗冲流速，单位为：m/s。

所述k_w为射流冲刷系数，与水舌纵向拉伸、差动、平面分散以及与下游消能水体关系有关，可进一步简化为窄缝消能工收缩比

的函数：

其中b和B分别代表窄缝消能工挑坎出口和进口宽度单位为：m；

n为平面分散度指数，取值0.25-0.5，当水舌未采用收缩式消能工，纵向收缩系数

取1.0；

M为水舌入水纵向收缩系数，根据差动水舌分散效果、向心集中的影响，取值0.7-1.5。

实施例1

某工程在上游水位为393.24m时，溢洪道开启1号、2号、3号三孔进行泄洪，泄洪时间约219分钟，三个孔最大开度为7m，合计最大泄量3011m³/s；2008年8月29～31日，在上游水位为394.25～397.18m时，溢洪道开启3号孔进行泄洪，溢洪道闸门开度为5m，累积泄洪时间2186分钟，最大泄量875m³/s；2008年9月3日，在上游水位为397.4m时，溢洪道开启3号孔开度3.5m泄洪，累积泄洪时间308分钟，最大泄量656m³/s。

泄洪后下游河床地形测量资料表明，电站尾水渠及尾水以下右侧河道未见砂石淤积现象，导流洞出口消力池有少量砂石淤积；桩号0+550m～0+700m范围内的左侧河道有砂石淤积，淤积顶高程为201m；冲刷区位于桩号0+490m～0+570m范围内的河道中心偏右侧区域，最低高程为188m。下游河床冲淤形态与相同泄流条件下的水工模型试验总体规律一致，淤积高度和冲刷深度均较模型试验稍有减弱。采用本项目提出的分散式消能工计算冲坑高程为184.8m，较原型实际冲坑深度略深。

实施例2

该工程2016年7月19日～7月21日，溢洪道连续泄洪，最高库水位397.17，溢洪道最大泄量4500m³/s，开启1#、2#、3#、4#闸孔泄洪，闸门最大开度为8m。

汛后下游河床地形测量资料表明，地下电站尾水渠未见淤积现象。导流洞出口消力池尾坎内有少量砂石淤积，最高高程为197.5m，主淤积区位于桩号0+700m～0+900m范围内的左侧河道，最高高程为203.3m，冲刷区位于桩号0+480m～0+650m范围内的河道中心偏右侧区域，最低高程为181.7m。下游河床冲淤形态与相近泄流条件下的水工模型试验成果总体规律一致，淤积高度和冲刷深度均较水工模型试验成果稍有减小。采用本项目提出的分散式消能工计算冲坑高程为182.7m，与原型实际冲坑深度基本相当。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法，其特征在于：综合考虑了基岩抗冲性能和挑流水舌纵向拉伸、差动、平面分散效应，计算公式为：

T＝k_rk_wq^0.5H^0.25 (1)

式中，T为冲刷坑深度，单位为：m；

q为泄洪单宽流量，单位为：m³/s·m；

H为泄洪水头，单位为：m；

k_r为基岩冲刷系数；

k_w为射流冲刷系数。

2.根据权利要求1所述的分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法，其特征在于：

所述k_r为基岩冲刷系数，与基岩的地质特征有关，可进一步简化为抗冲流速的函数：

k_r＝2.66v_k ^-0.39

v_k为允许抗冲流速，单位为：m/s。

3.根据权利要求1所述的分散式挑流消能工冲坑深度的预测方法，其特征在于：

所述k_w为射流冲刷系数，与水舌纵向拉伸、差动、平面分散以及与下游消能水体关系有关，可进一步简化为窄缝消能工收缩比

的函数：

其中b和B分别代表窄缝消能工挑坎出口和进口宽度单位为：m；

n为平面分散度指数，取值0.25-0.5，当水舌未采用收缩式消能工，纵向收缩系数

取1.0；

M为水舌入水纵向收缩系数，根据差动水舌分散效果、向心集中的影响，取值0.7-1.5。