CN111931276B - 一种快速优选跌坎消力池体型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速优选跌坎消力池体型的方法，基于水利水电工程跌坎消力池的入池水流流速和角度，对合适跌坎高度、消力池长度、尾坎高度以及消力池宽度提供一种普适性的、直奔优化目标的方便快捷设计方法。本发明实现方便快捷确定跌坎消力池体型，大大缩短研究时间，显著提高研究效率。

Description

一种快速优选跌坎消力池体型的方法

技术领域

本发明属于水利水电工程中的泄洪消能领域，特别涉及一种跌坎消力池快速体型设计方法。

背景技术

底流消能是水利水电工程中应用最广泛的消能方式之一。底流消能的特点是高流速主流集中于消力池底部，因而消力池底板承受着较大的抗冲以及空蚀空化压力，底板出现冲刷、空蚀破坏的风险较大，尤其是中高水头采用底流消能的工程，由于消力池底板上流速很高，底板抗冲刷、空蚀破坏压力就更大，底流消能工程消力池底板出现冲刷破坏的案例也时有报道。随着我国水利水电建设的高速发展，近年来，为了避免挑流消能出现的雾化对周围环境的影响问题，不少中等水头、甚至高水头的工程也采用底流消能方式，由于流速高流量大，消力池的泄洪消能往往成为工程建设的关键性技术难题，在工程投资中的占比也是最大的。为了避免高流速水流对底板造成的强冲刷可能导致的冲刷、空蚀破坏，越来越多的底流消能工程将消力池设计成跌坎型消力池，使高流速主流远离底板，以降低底板上的临底流速，也避免了消力池底板表面平整度不好情况下可能出现的空蚀破坏。水流入池后，形成淹没射流，高流速水流通过与周围水体的摩阻、紊动掺混，高流速迅速衰减，从而达到消能目的。实践证明，采用跌坎消力池，可以使消力池内水流的临底流速大幅度降低，避免高流速水体对底板的直接冲刷，提高底板的安全性。跌坎消力池设计主要体型参数包括跌坎高度、消力池长度、尾坎高度以及消力池宽度。

对跌坎消力池体型的确定，目前还没有一种方便快捷的确定方法，主要还是通过模型试验或者数学模型，反复对多种跌坎体型方案进行大量的试验或者数学模型计算，分析各方案消力池内相应的水力特性指标，从中选出水力特性相对较优的跌坎消力池体型方案推荐工程采用，花费时间较长，效率低。

发明内容

本发明针对传统的确定跌坎消力池体型研究耗时长，效率低，成本高的现状，提供一种快速优选跌坎消力池体型的方法，实现方便快捷确定跌坎消力池体型，大大缩短研究时间，显著提高研究效率。

本发明实现根据消力池入池处以上水头H或入池水流流速V以及入池角度，方便快捷确定跌坎消力池合适体型尺寸。

本发明提供的快速优选跌坎消力池体型的方法，采用以下公式计算跌坎消力池的体型参数：

消力池跌坎合适高度ΔH_O为：

或ΔH_O＝μm²H

消力池合适长度L_O为：

消力池合适尾坎高度H_WO为：

消力池合适宽度为：

B_O＝b+nΔH_O

b为跌坎处来流入流宽度，n的取值如下：

当b/ΔH_O<5时，n＝2～4；

5≤b/ΔH_O<8，时，n＝1～2；

b/ΔH_O≥8时，n＝0～1；

以上式中，V为消力池入池水流流速为(m/s)；

为以速度水头表示的水流入池动能，g为重力加速度；

μ是修正系数，取值与跌坎处水流入池角度α有关；在工程设计时，通过控制跌坎消力池上游泄洪建筑物设施与消力池衔接处的高程来控制水流的入池角度，使水流入池角度α控制在0°～-10°的范围(俯角，负号仅代表方向，不表示大小)，对应μ的取值优选为0.1～0.15；在取值范围内，μ随α角度的增加而增加，随α的减小而减小；水平入流时，α＝0，μ取0.1；

m为流速系数，与入池前水流流经路径和边界有关，如果沿程泄流边界有突变、流道长，就存在局部及沿程水头损失，局部及沿程水头损失越大，m越小。一般情况，优选 m＝0.7～0.85；

H为库水位与消力池入池跌坎的水位差；

ξ＝2.5～3.0，在α优选0°～-10°情况下，ξ的取值随入池角度的增大而减小；水平入流(入池角度为0)情况下，ξ＝3.0。

取值与跌坎水流入池角度α增大而减小。

上述方法中，进一步地，消力池入池流速V可通过模型试验或者数学模型计算较准确得到，也可根据能量守恒原理，由以下公式进行快速估算：

式中，m为流速系数，H为库水位与消力池入池跌坎的水位差；g为重力加速度。

上述方法中，进一步地，对消力池入流有来沙的河流，为便于排沙，可将尾坎设置为带反坡的斜坎，如果入流基本没有来沙，可将尾坎设置为直坎，以提高消力池水流的消能率。

本发明方法确定的跌坎消力池可布置于水利水电工程的坝后、泄洪洞出口以及溢洪道出口等工程中，可较好用于对下泄的高速水流进行消能，经过消能后的水流出池流速大幅降低，确保和下游河道水流平顺衔接，避免水流对下游造成严重冲刷。

本发明设计方法适用于全闸敞泄情况下的跌坎消力池体型快速优选，不适用于闸门控制情况。本发明基于水利水电工程跌坎消力池的入池水流流速V和水流角度α，为合适跌坎高度ΔH_O、消力池长度L_O、尾坎高度H_WO以及消力池宽度B_O等体型参数确定提供一种普适性的、直奔优化目标的方便快捷准确的设计方法。本发明方法确定的跌坎消力池体型可供工程直接使用，或者在该体型的基础上再稍微根据实际地形地质等情况进行局部细节优化调整即可满足工程使用。作为进一步优化，在具体实施过程中，可在本发明方法确定的消力池体型基础上，结合工程所在河段的地质和地形地貌等因素快速灵活进行适当的调整，做到尽可能节约工程投资，又满足设计要求。例如：如果消力池所处工程位置地质条件不好，需要适当挖深一点，则消力池的长度可适当缩短，或者如果消力池尾坎后河道高程本来就偏高，则可顺地势，充分利用这一有利条件，减少开挖，把消力池跌坎高度适当减小，可高效率满足工程要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述方法根据消力池入池处以上水头H或入池水流流速V，方便快速确定跌坎消力池合适体型尺寸，避免了物理模型试验和数学模型计算复杂操作和耗时，大大缩短研究时间，显著提高研究效率。该方法确定的跌坎消力池体型可供工程直接使用或者在该体型的基础上，再结合实际工程的地质地形等条件快速进行适当的调整即可。

附图说明

图1为本发明方法中溢流坝及跌坎消力池纵剖面示意图；

图2为本发明方法中跌坎消力池的平面布置图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明方法做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例1

本实施例进行跌坎消力池体型设计过程的说明：

如图1所示，库水位与消力池入池跌坎的水位差为H，设消力池入池水流流速为V(m/s)，ΔH为消力池跌坎高度(m)，ΔH_O为合适(待设计参数)跌坎高度(m)，L_O为合适(待设计参数)消力池长度(m)，Hw_o为合适(待设计参数)消力池尾坎高度(m)， B_o为合适(待设计参数)消力池宽度(m)，α为水流入池角度；

(1)跌坎高度的确定

消力池入池流速V可通过模型试验或者数学模型计算较准确得到，也可以根据能量守恒原理，由以下公式进行快速估算：

式中，m为流速系数，与入池前水流流经路径和边界有关，一般情况下可取 m＝0.7～0.85；

合适跌坎高度ΔH_O由下面公式确定：

上式中，μ是修正系数，取值和跌坎入池角度α有关，α优选范围为0°～-10°(俯角)，对应μ的取值在0.1～0.15之间，在取值范围内，μ随α角度(俯角)的增加而增加，随α的减小而减小；水平入流情况，α＝0，μ取0.1；

为以速度水头表示的水流入池动能，g为重力加速度。

根据(1)和(2)式，可得到合适跌坎高度计算公式：

ΔH_O＝μm²H (3)

(2)消力池长度的确定

通过式(4)计算消力池合适长度L_O：

式中，ξ＝2.5～3.0，在上述入池角度范围内，ξ的取值随入池角度(俯角)的增大而减小。水平入流(入池角度为0)情况下，ξ＝3.0。

(3)消力池尾坎高度的确定

消力池合适尾坎高度通过式(5)计算：

式中，

入流俯角与

取值成反向关系。

(4)消力池宽度的确定

为尽量避免消力池内水流出现不良流态，来流和消力池横向应尽量对称布置(即来流中心轴线消力池水流方向的中心轴线在一条直线上)。对入流宽度较宽的情况，消力池宽度可与入流宽度等宽，对入流宽度较窄的情况，为增加消力池内参与消能的水体量，提高消能率，可横向(左右方向)适当扩宽，扩宽宽度以左右侧不出现明显的回流为原则。

跌坎消力池的合适宽度通过式(6)计算：

B_O＝b+nΔH_O (6)

b为跌坎处来流入流宽度，n的取值如下：

当b/ΔH_O<5时，n＝2～4；

5≤b/ΔH_O<8，时，n＝1～2；

b/ΔH_O≥8时，n＝0～1；

本消力池宽度的确定原则是，在基本满足消力池泄洪消能要求下，尽可能节约工程投资，在工程实施过程中，可根据实际环境条件适当调整。

实施例2

某巨型水电工程模型试验测量得到消力池入池流速达到40m/s，采用水平入流跌坎消力池，入流宽度108m。采用本实施例1所述方法进行跌坎消力池体型参数快速计算得到：

消力池跌坎合适高度为：

合适消力池长度为：

合适尾坎高度为：

合适消力池宽度：

B_O＝b+nΔH_O＝108+0×8.16＝108(m)

作为对比，同一工程条件下，经过大量的模型试验和数学模型计算研究(现有常规方法)，最终采用跌坎消力池，表、中孔两层水舌水平入流，以降低临底流速，跌坎高度8m，消力池长度228m，消力池宽度108m，与入流宽度相等。采用该体型跌坎消力池后，消力池底板最大临底流速从以前的40m/s降到13-15m/s，消力池尾坎出池流速降至6-8m/s。

由于实际工程需要参考和考虑的因素较多且较为复杂，因此实际工程中消力池体型与设计参数有少量偏差是非常正常和合理的。上述采用本发明方法设计出的参数与大量的模型试验和数学模型计算研究结果相吻合，说明本发明方法的是科学合理可行的，但比传统模型试验和数学模型计算研究方法节约了大量时间和人力物力。

实施例3

某水库导流洞改建泄洪洞工程，泄洪洞末端采用跌坎底流消能，消力池入池流速达到18m/s左右，入水宽度8m，入水角度-10°(俯角)。

在上述工程条件下，采用本发明所述方法进行跌坎消力池体型参数快速计算：

得到消力池跌坎合适高度：

合适消力池长度:

合适尾坎高度:

合适消力池宽度：

B_O＝b+nΔH_O＝8+2×2＝12(m)

由于本工程消力池后河道地形本来就偏高，为减少开挖，工程实施中顺地势增加了消力池尾坎高度，尾坎高度5.5m，减小了0.5m跌坎高度，跌坎高度为2m，池长42m，消力池左右各扩宽2m，总宽度12m。

作为对比，同一工程条件下，经过大量的模型试验和数学模型计算研究，最终确定的实际工程与采用上述方法得出的结果相吻合，说明本发明方法的是科学合理可行的。可见，在本发明方法基础上进行因地制宜、完全合乎实际工程情况的灵活调整，能够方便且准确确定跌坎消力池体型。该工程运行效果良好。

实施例4

某大型水电工程，溢流坝下游采用跌坎消力池进行消能，跌坎处以上水头117m，水流入池角度-6°(俯角)，入流宽度35m。

上述工程条件下，采用本发明方法进行跌坎消力池体型参数快速计算得到：

水流入池流速:

合适跌坎高度:

合适消力池长度:

合适尾坎高度:

合适消力池宽度：

B_O＝b+nΔH_O＝35+2×9.4＝53.8(m)

而本工程实际实施方案是消力池跌坎高度6m，消力池长度180m，消力池宽度45m，尾坎高度21m。模型试验和建成后的工程原型观测均显示，消力池内水跃产生位置很靠前，基本在入池前的反弧段就产生水跃，出池段出现明显壅水，与坎后河道衔接时水面出现较大二次跌落，坎前壅水水面开始跌落断面的高程与二次跌落水面最低点高差达到 11.27m，与二次跌落水面最低点后的河道水面高差7.75m，消力池出池水面二次跌落产生的高流速将增加尾坎后河床出现严重冲刷破坏的风险。根据入水水跃太靠前以及消力池出池水面出现较大二次跌落、与下游河道水面高差过大的水力学现象，可以判断本工程消力池尾坎明显偏高，导致消力池出池水面与下游河道水面没有达到平顺衔接。

出池前水面开始跌落断面与尾坎后下游河道水面高差7.75m，要确保出池水流与下游河道的平顺衔接，设计原则上两者水面高程应该尽量一致，意味着消力池尾坎高度应该降低7.75m。如果原尾坎高度21m降低7.75m，得到消力池尾坎高度为13.25m，这和本发明方法计算得到的消力池尾坎合适坎高13.20m是非常吻合的，本发明方法计算得到的消力池长度187m和工程的消力池长度180m也基本吻合。本工程合适的消力池体型的确定方法是，根据本发明方法，将消力池跌坎深度增加3.4m，宽度增加8.8m，尾坎高度降低7.8m，长度维持180m而最终得到。本发明方法确定的体型能够消除消力池尾坎过高导致的壅水，进而出现的出池水流流速过高的二次跌落问题，兼顾了既满足泄洪消能要求，又达到与下游河道的平顺衔接。以上对比分析说明本发明方法是科学、合理的。

实施例5

西南某正在设计中的中型水库工程，泄洪洞由导流洞前段新建龙抬头段衔接、出口设置底流消力池改建而成，泄洪洞进口到消力池长度372m，水头85m，水流入池角度 -2.36°(俯角)，入流宽度8m。

按本发明方法计算得到，水流入池流速:

合适跌坎高度:

合适消力池长度:

合适尾坎高度:

合适消力池宽度：

B_O＝b+nΔH_O＝8+3×6.6＝27.8(m)

本工程原设计泄洪消能方案为传统与入流等宽的平底型消力池，池长度90m，尾坎高度2.3m。1:50的模型试验显示，由于流速高，在正常水位闸门敞泄情况下，水流在消力池内产生远驱式水跃，根本没有起到消能作用，直接冲出消力池，出池后的高速水流仍然具有较高流速，对下游河床产生严重冲刷，也危及两岸岸坡稳定。为降低消力池底板临底流速，拟采用跌坎消力池。改成本发明方法设计体型的跌坎型消力池后，消力池内水流消能充分，流态良好，出池水流与下游河道平顺衔接，满足设计要求，表明本发明给出的设计体型是科学合理的。

Claims (4)

1.一种快速优选跌坎消力池体型的方法，其特征在于，采用以下公式计算跌坎消力池的体型参数：

消力池跌坎合适高度ΔH_O为：

或ΔH_O＝μm²H

消力池合适长度L_O为：

消力池合适尾坎高度H_WO为：

H_WO＝φΔH_O；

消力池合适宽度为：

B＝b+nΔH_O

b为跌坎处来流入流宽度，n的取值如下：

当b/ΔH_O＜5时，n＝2～4；

5≤b/ΔH_O＜8，时，n＝1～2；

b/ΔH_O≥8时，n＝0～1；

消力池跌坎处，水流入池角度为α，且为俯角，α为0°～-10°；

以上式中，

V为消力池入池水流流速为；

为以速度水头表示的水流入池动能，g为重力加速度；

μ为修正系数，μ为0.1～0.15；在取值范围内，μ随α角度的增加而增加，随α的减小而减小；水平入流情况下，α＝0，μ取0.1；

m为流速系数，m＝0.7～0.85；

H为库水位与消力池入池跌坎的水位差；

g为重力加速度；

ξ＝2.5～3.0，ξ的取值随入池角度的增大而减小；水平入流情况下，ξ＝3.0；

取值随跌坎水流入池角度α增大而减小。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，消力池入池流速V可通过模型试验或者数学模型计算较准确得到。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，消力池入池流速V根据能量守恒原理，由以下公式进行快速估算：

式中，m为流速系数，m＝0.7～0.85；H为库水位与消力池入池跌坎的水位差；g为重力加速度。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，对消力池入流有来沙的河流，为便于排沙，将尾坎设置为带反坡的斜坎；对入流没有来沙的，将尾坎设置为直坎，以提高消力池水流的消能率。

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