大壩底流消能方案關(guān)鍵問題探討
——以?？谑心隙山?zhí)链髩螢槔?/h1>

2020-06-12 08:11:44包第嘯

海河水利訂閱 2020年3期 收藏

關(guān)鍵詞：水躍泄洪閘蓄水位

曹 陽，包第嘯

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

?？谑心隙山?zhí)链髩螛屑~地處南渡江流域下游，工程的任務(wù)以供水為主，兼顧灌溉、生態(tài)補(bǔ)水、旅游、航運(yùn)、發(fā)電等，并為改善上游防洪排澇創(chuàng)造條件。水庫正常蓄水位8.35 m，設(shè)計(jì)洪水位12.99 m，校核洪水位14.64 m，總庫容1.7億m3，電站裝機(jī)容量5 MW，工程等別為Ⅱ等大（2）型工程。

工程主要建筑物為2 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量及最大下泄流量為11 600 m3/s，相應(yīng)上游洪水位12.99 m、下游洪水位12.51 m；校核洪水洪峰流量及最大下泄流量為14 300 m3/s，相應(yīng)上游洪水位14.64 m、下游洪水位14.03 m。

本工程擋水及泄水建筑物為攔河閘，布置于河床部位，由泄洪閘和控泄閘兩部分組成。泄洪閘采用開敞式結(jié)構(gòu)，閘門選用平面鋼閘門，共8 孔，單孔凈寬20.0 m；控泄閘采用胸墻式結(jié)構(gòu)，閘門選用弧形閘門，擋水高程8.35 m，2 孔，單孔凈寬10.0 m。堰型均選用駝峰堰，底板進(jìn)口高程-3.00 m，堰頂高程0.00 m。

工程區(qū)所處河道為典型的平原區(qū)河流。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）的相關(guān)規(guī)定，考慮平原地區(qū)水閘水頭一般較低、河道土質(zhì)抗沖能力較小、下游水位變化較大的特點(diǎn)，本工程水閘閘下采用底流式消能方式。

1 樞紐興利和防洪調(diào)度方式與消能計(jì)算工況的選取

底流消能計(jì)算的關(guān)鍵問題之一就是工況的選取問題，關(guān)乎消力池計(jì)算的正確與否。而工況與樞紐的調(diào)度方式息息相關(guān)，下文著重探討調(diào)度方式與工況二者之間的關(guān)聯(lián)性。

南渡江龍?zhí)链髩螢槠皆退畮欤樗衼韯?shì)迅猛、峰高、過程尖瘦等特點(diǎn)。樞紐興利時(shí)調(diào)度原則如下：龍?zhí)翂握＿\(yùn)行時(shí)盡可能維持正常蓄水位8.35 m。①當(dāng)上游來水量小于900.22 m3/s（此流量為2 孔控泄閘全開時(shí)的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時(shí)，通過2 孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m；②當(dāng)上游來水量大于900.22 m3/s 小于5 406.44 m3/s（此流量為8 孔泄洪閘全開時(shí)的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時(shí)，逐步開啟8孔泄洪閘閘門泄洪，并調(diào)節(jié)控泄閘開度，以維持上游正常蓄水位8.35 m。樞紐泄洪時(shí)調(diào)度原則如下：當(dāng)上游來水量大于5 406.44 m3/s時(shí)，泄洪閘閘門全部打開，同時(shí)關(guān)閉控泄閘閘門，洪水自由下泄，水位上漲，水庫發(fā)揮滯洪作用；洪水過后，逐步下閘，控制水位降低至正常蓄水位。

根據(jù)興利和防洪調(diào)度方式，確定消能計(jì)算工況。工況一：當(dāng)天然來流量較小時(shí)，通過控制控泄閘的開度調(diào)節(jié)泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m，閘門開度分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55。工況二：當(dāng)天然來流量較小時(shí)，通過啟閉2孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況三：當(dāng)天然來流量較大時(shí)，2孔控泄閘全部開啟后無法維持上游正常蓄水位，通過分別開啟8孔泄洪閘閘門宣泄洪水，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況四：當(dāng)天然來流量逐漸趨近于校核洪水時(shí)，已無法維持上游正常蓄水位8.35 m，此時(shí)泄洪閘閘門全部開啟，上下游水位上升。

各工況水位流量關(guān)系，見表1—4。

表1 工況一水位流量關(guān)系

表2 工況二水位流量關(guān)系

表3 工況三水位流量關(guān)系

表4 工況四水位流量關(guān)系

2 消力池深度計(jì)算工況選取

2.1 消力池深度計(jì)算公式

消力池深度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）—（4）中：d為消力池深度（m）；σ0為水躍淹沒系數(shù)；為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）；g為重力加速度（m/s2），采用9.81；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.05；φ為流速系數(shù)，采用0.95；q為過閘單寬流量（m3/s）；b1為消力池首端寬度（m）；b2為消力池末端寬度（m）；T0為由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能（m）；ΔZ為出池落差（m）；為出池河床水深（m）。

2.2 消力池深度計(jì)算工況選擇原則

在式（1）中略去ΔZ，且為消力池深度為0時(shí)的躍后水深，此時(shí)消力池高程為下游河床高程，可得消力池深度粗估近似公式：

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)表1—4 水位流量關(guān)系的數(shù)據(jù)及式（2）、（3），計(jì)算在不設(shè)置下挖式消力池時(shí)所對(duì)應(yīng)的躍后水深和出池河床水深，并通過判斷消力池深度設(shè)計(jì)工況。計(jì)算結(jié)果見表5—7，如圖1 所示。

表5 控泄閘消力池判別

表6 泄洪閘消力池判別（工況三）

表7 泄洪閘消力池判別（工況四）

圖1 泄流量與出池河床水深及躍后水深對(duì)應(yīng)情況

3 消力池深度計(jì)算

3.1 消力池深度計(jì)算思路和步驟

（1）初擬d，通過閘前水頭、出池河床高程等已知條件得到消力池底板頂面算起的總勢(shì)能。

（2）將q和T0代入式（3），求得hc。

（3）將hc代入式（2），求得。

（4）將已得數(shù)值代入式（4），求得出池落差。

（5）將d、、代入式（1），求得在該消力池深度下的σ0。

（6）對(duì)σ0進(jìn)行分析：①當(dāng)σ0＜1.05 時(shí)，可能產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消能效果不明顯，極易對(duì)下游產(chǎn)生沖刷，應(yīng)加大消力池深度，重新計(jì)算；②當(dāng)σ0＞1.10時(shí)，淹沒度過大，產(chǎn)生淹沒水躍，此時(shí)將形成落底射流，反而對(duì)消能產(chǎn)生不利影響，其產(chǎn)生的射流極易沖刷下游河床，嚴(yán)重程度不亞于遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，應(yīng)減小消力池深度，重新計(jì)算；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10 時(shí)，此時(shí)所產(chǎn)生的水躍為稍有淹沒的臨界式水躍，消能效果最為理想，此時(shí)的消力池深度即可作為最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.2 消力池深度計(jì)算過程及結(jié)果分析

按照上述步驟經(jīng)過試算，在最不利工況二控泄閘開1 孔時(shí)，消力池深度取2.5 m，滿足1.05≤σ0≤1.10的要求，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 消力池深度計(jì)算結(jié)果

當(dāng)消力池深度取2.5 m 即消力池底板頂高程-5.50 m時(shí)，可以滿足消力池深度要求。

4 消力池長(zhǎng)度計(jì)算

4.1 消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式

消力池長(zhǎng)度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Lsj為消力池長(zhǎng)度（m）；Ls為消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度（m）；β為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，采用0.8；Lj為水躍長(zhǎng)度（m）；其余變量含義同上。

4.2 消力池長(zhǎng)度計(jì)算思路和步驟

（1）消力池長(zhǎng)度決定性因素討論。①消力池長(zhǎng)度取決于水躍長(zhǎng)度，與共軛水深之差成正比，由共軛水深性質(zhì)可知與hc成反比，即消力池長(zhǎng)度與成正比；②根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）躍后水深求解曲線可以看出，與臨界水深hk成正比，與T0/hk成反比；③根據(jù)臨界水深計(jì)算公式可知，hk與q成正比；④由上述推導(dǎo)可得出結(jié)論，在總勢(shì)能相同或相近似的情況下，消力池長(zhǎng)度與q成正比。

（2）消力池深度為設(shè)計(jì)深度時(shí)，通過式（1）—（4）計(jì)算得出及消力池水平段長(zhǎng)度。

（3）對(duì)σ0進(jìn)行驗(yàn)算：①各工況不可出現(xiàn)σ0＜1.05即遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況，若出現(xiàn)則消力池深度計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤；②當(dāng)計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)σ0＞1.10 即淹沒水躍的情況，消力池中無法形成有效水躍，此種工況不能作為消力池長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)工況；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10時(shí)即出現(xiàn)稍有淹沒的臨界式水躍時(shí)，選取最大值作為設(shè)計(jì)值，工況作為設(shè)計(jì)工況。

4.3 消力池長(zhǎng)度計(jì)算過程及結(jié)果分析

消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果，見表9—11。

表9 控泄閘消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

表10 泄洪閘（工況三）消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

表11 泄洪閘（工況四）消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

經(jīng)上述分析，得出以下結(jié)論：①通過對(duì)工況一至工況四的計(jì)算，消力池深度取2.5 m 時(shí)，各工況所產(chǎn)生的水躍均為淹沒水躍，消力池深度滿足設(shè)計(jì)要求；②由于工況三中泄洪閘開孔數(shù)大于3 孔和工況四，水躍淹沒系數(shù)均大于1.10，不能作為消力池長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)工況；③能夠在消力池中產(chǎn)生有效水躍且消力池水平段長(zhǎng)度最大值出現(xiàn)在工況三泄洪閘開孔數(shù)為2孔時(shí)，此工況水平段長(zhǎng)度為31.29 m，消力池斜坡段長(zhǎng)度為2.80 m，故計(jì)算得消力池總長(zhǎng)34.09 m，取35.00 m；④通過水躍淹沒系數(shù)在1.05≤σ0≤1.10 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在總勢(shì)能為近似值時(shí)，單寬流量與消力池長(zhǎng)度成正比，滿足前述分析的結(jié)果，計(jì)算成果符合理論分析結(jié)果。

5 結(jié)語

（1）本工程具有泄洪流量大、水頭低、單寬流量大、洪水調(diào)度方式復(fù)雜等特點(diǎn)，因此消力池的設(shè)計(jì)應(yīng)作為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（2）消力池設(shè)計(jì)的首要問題是工況的選取，尤其是對(duì)運(yùn)行調(diào)度較復(fù)雜的工程更應(yīng)將所有可能出現(xiàn)的工況及對(duì)應(yīng)的流量、水位分析清楚。

（3）在消力池深度計(jì)算時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注單寬流量較大且總流量較小時(shí)的工況，此時(shí)的躍后水深較大且下游河床水深較淺，必然出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況。

（4）消力池的長(zhǎng)度由水躍長(zhǎng)度決定，一般來說水躍長(zhǎng)度隨著單寬流量的增加而增長(zhǎng)，在消力池長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意較大流量的情況。

猜你喜歡

水躍泄洪閘蓄水位

基于影響水庫正常蓄水位選擇因素的分析

水利科學(xué)與寒區(qū)工程(2023年8期)2023-09-05 14:05:34

蚌埠閘蓄水位抬高對(duì)抗旱減災(zāi)的影響研究

中國(guó)防汛抗旱(2022年10期)2022-10-26 07:49:46

那吉航運(yùn)樞紐大壩消力池?fù)p毀成因和搶修方案分析

西部交通科技(2022年3期)2022-06-06 08:42:01

突然擴(kuò)散水躍方程的改進(jìn)與比較

長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)(2019年8期)2019-08-21 00:47:48

新疆某水利樞紐工程泄洪閘水工模型試驗(yàn)研究

陜西水利(2019年5期)2019-06-26 06:27:52

漸擴(kuò)式消力池水躍長(zhǎng)度的分析與計(jì)算

浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)(2018年2期)2018-05-09 06:41:08

水庫工程正常蓄水位選擇應(yīng)注意的幾個(gè)問題

黑龍江水利科技(2017年6期)2017-08-30 21:05:41

紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程泄洪閘地基地震液化處理措施

水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2016年10期)2017-01-15 14:01:23

牤牛河護(hù)岸治理工程攔河泄洪閘穩(wěn)定計(jì)算

水利科技與經(jīng)濟(jì)(2016年10期)2016-04-26 08:40:22

矩形平底明渠水躍長(zhǎng)度公式的分析與應(yīng)用

西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年11期)2014-03-27 00:42:10

海河水利2020年3期

海河水利的其它文章

基于Excel+VBA平臺(tái)流量計(jì)算程序的研建

基于區(qū)間T-S模糊故障樹的泵站機(jī)組故障診斷方法分析

基于ANSYS的某水庫軟土壩基穩(wěn)定性分析

碳源投加量和污泥運(yùn)行參數(shù)對(duì)污水脫氮效率的影響研究

沭河流域季節(jié)實(shí)測(cè)徑流變化特性分析

京津冀地區(qū)氣溫對(duì)潛在蒸散量的影響分析