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| 下游高水位下重力坝消能型式研究 我国是一个水能资源比较丰富的国家，理论蕴藏量和技术可开发装机容量居世界首位，水能资源理论蕴含量6.94亿kw，相应年发电量60829亿kw.h;技术可开发容量5.42亿kw，相应年发电量24740kw.h,经济可开发装机容量4.02亿kw，相应年发电量17534亿kw.h(郑守仁，我国水能资源开发利用的机遇和挑战)。随着社会的发展，对水电的需要越来越大，使得水电资源快速开发利用，这就必然会修建一大批水利水电工程来蓄能发电，兴利避害，以满足当前和今后经济社会发展的需要。然而在实际工程中，往往由于消能问题解决不好，致使枢纽下游河床严重下切，对大坝安全形成较大威胁。消能是指通过一定的工程措施在较短的长度范围内将下泄水流的动能转化为势能和热能。从紊流理论的角度看，消能是一个能量传递和耗散的过程。当宣泄洪水时，水体的势能首先转化为时均动能，时均动能通过剪切和混掺作用成为紊动能，而后，紊动能由大漩涡传给小漩涡，小漩涡传递给更小的漩涡，这样通过克服流体的粘性实现了能量的耗散。据有关统计，消能防冲设施的费用一般在整个泄水建筑物费用中占4到5成。泄洪建筑物作为水利枢纽的重要组成部分，其设计的成功与否，不仅直接影响整个水利枢纽工程的布置，而且还影响工程量和投资，在确保工程安全和枢纽发挥预期效益方面起着巨大的作。不管是从安全角度，还是从经济角度，消能型式研究都是水工建筑物中最重要的科研课题之一。如何在满足安全泄洪和经济合理的要求下将下泄水流所含的大部分动能消耗在水流内部紊动以及与周围空气摩擦中，并在较短的距离内使下泄水流与下游水流妥善衔接，是对泄水建筑物消能防冲的基本要求[1]。 消能方式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运行条件来确定。目前，常采用的衔接和消能措施，大致有下列三种类型：底流式消能、挑流式消能和面流式消能[2]。 1.1.1底流消能 泄水建筑物下泄的时候一般具有较大的流速，多属急流，而下游河道中的水流一般流速较小，多属缓流。急流向缓流过渡时必然发生水跃。底流消能就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，因此底流消能又称为水跃消能。在流态的变化中利用水流表面旋滚和强烈的紊动对下泄水流进行消能，从而降低流速，最终失去急流的特征，与下游河道的缓流区平顺衔接。底流消能具有入泄流态稳定、消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小等特点，对各种地质条件均能适应。所以，一般的水闸、中小型溢流坝或地质条件较差的各类泄水建筑物多采用底流消能。 （图水力计算） 1.1.2面流消能 当下游河道中的水深较大且比较稳定时，可采用面流消能进行消能。在泄水建筑物的末端设置一个比小水位低的水平或仰角较小的导流坎，将高速水流射入下游水域的表层。由于下游水位高于坎顶，下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，下泄的高速水流与尾水在表面相衔接。余能主要通过水舌扩散，逐渐达到消能的目的。由于主流在下游河床一定距离内主要集中于表面，从而可避免高速水流对河床的冲刷。适用于下游尾水大于跌后水深且水位变幅不大，河床及两岸在一定范围内有较高的抗冲能的枢纽。 （图水力计算） 1.1.3挑流消能 挑流消能的基本原理是：借助泄水建筑物末端设置的挑流坎，利用高速水流的流向可导性和射流水股断面形状的可变性，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使其在空中扩散、掺气乃至碰撞，消除了部分能量。同时利用水舌跌入水垫形成的淹没射流与四周水体和壁面进行剪切、混掺、紊动、扩散作用达到消能的目的，确保下游水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。因挑射水流能量集中在下游河床，故挑流消能工要求下游河床基岩具有较高的抗冲能力。挑流消能工具有明显的优点，其工程结构简单、方便施工、便于维修，可用于岩石地基的高、中水头枢纽。 （图水力计算） 1.2研究现状及拟处理方法 1.2.1消能型式研究现状 近年来，随着科学技术的巨大进步，我国的水利水电建设事业得到日新月异的发展。泄洪消能建筑物作为水利工程中的重要组成部分，其设计成功与否不但关系到大坝的安全，还涉及到若干安全问题。因此，消能方式的合理选用是保障水库安全，充分发挥工程效益的关键。它对枢纽布置、工程造价、施工工期及安全运行都有重大影响。随着坝工设计理论、计算方法和施工技术的进步，在水利枢纽工程设计过程中寻求一种既安全又经济的消能方式成为必然。在这方面国内学者已经做了大量的研究工作： （1）底流消能试验研究 张志恒在长期的研究过程中，积累了大量的研究成果，分析了底流消能的优缺点，同时总结了五种新型的消能方式,分别是：高低坎大差动消能工、窄缝式挑流鼻坎、宽尾墩消能工、掺气分流墩和多级孔板压力；张功育、王海军等人通过对底流消能机理的分析、平面紊动射流的流速分布和对比模型试验，比较得出，利用跌坎式底流消能可大大降低临底流速，减少消力池底板上的脉动压强，增加消能效果；王丽杰等人借鉴了前苏联萨杨—舒申斯克水电站消力池底板修复经验，结合国内向家坝、官地和亭子垭等水电站的泄洪消能实践，综合分析了跌坎式底流消能工的研究进展；李志高等人通过水工模型试验，对跌坎型底流消能工的水流流态、临底流速以及脉动压力分布进行了研究分析，同时表明抬高消力池底板高程，经济效果明显。 （2）面流消能试验研究 李东升在对某水电站采用面流消能时，强调在设计过程中应全面分析下游两岸被冲刷可能带来的损失和工程运行过程中补修加固的费用；为了探求面流消能工下游水面波动特性，冬俊瑞等人利用实时数据采集和处理系统，对面流波动要素进行了量测与分析，得到了最大和最小波高、平均波高、平均周期和波动概率分布等波动特性；面流消能调查组对面流消能存在的三种问题进行详细说明，并分别对改善防冲、防磨、防波和岸坡护理提出了具体的建议。 （3）挑流消能试验研究 王均星等人通过消能防冲试验得出：预挖冲坑高程的适当降低对改善挑流消能效果明显；吴效江总结以往的试验成果得知，采用边孔低挑坎出流可以减小水舌入水角，减轻两岸坡脚冲刷；王均星等人通过消能防冲试验得出：预挖冲坑高程的适当降低对改善挑流消能效果明显；吴效江总结以往的试验成果得知，采用边孔低挑坎出流可以减小水舌入水角，减轻两岸坡脚冲刷；肖兴斌和王业红通过对乌江渡水电站、三峡水利枢纽和二滩水电站泄洪消能防冲试验研究，将挑流消能工减轻冲刷的原则归纳为：纵向拉开，左右扩散，错开落点，导向防冲。 （4）新型消能试验研究 朱敏等人对某混凝土重力坝采用了高低坎大差动挑流空中消能工，充分利用空中消能，使冲刷坑形状沿河流纵向拉开，减少对狭窄河谷两岸岸坡的冲刷，同时将消能建筑物布置于混凝土区域外，减少了消能工常规施工对坝体上升的影响；韦上环等人参考了安康、五强溪等工程经验，结合工程具体条件，选用了表孔宽尾墩—中孔挑流—底流消力池 新型联合消能工，有效的降低流速，提高消能效率，缩短消力池长度，节省工程量；陈俊英分析了脉动流速和紊动流量等参数对河床冲刷的影响，提出了一种新型的用于低水头、大单宽流量、低弗洛德数水跃的消能工型式—T型墩；田忠对传统消能工的消能型式进行了总结，提出内流式消能工的设计方法，并对其水力特性进行了研究。 综上所述，诸位学者在底流消能、面流消能和挑流消能等领域做了大量研宄工作，同时还提出了许多提高消能效率的新型消能工设计方案，都取得了较为丰硕的成果。但因泄水建筑物泄洪消能问题一直是个重要而复杂的问题，目前还没有统一规范的解决办法，业内观点也不统一，故大坝的泄洪消能领域存在很大的研究空缺。 1.2.2工程概况和拟处理措施 大石桥水库位于重庆市境内，坝址区行政位置属潼南县。水库正常蓄水位251.0m，校核洪水位252.74m，设计洪水位251.0m，总库容1601万m3，是一座集农业灌溉、县城应急水源、乡镇供水及农村人畜饮水等综合效益为一体的Ⅲ等中型水利工程。 本工程由挡水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物、引水建筑物等组成。水库枢纽挡水建筑物为常态砼重力坝，坝顶高程253.50m，最大坝高29.40m，坝顶全长112.0m，分为左、右岸非溢流坝段和河床溢流坝段，左岸非溢流坝段长35.12m，右岸非溢流坝段长41.68m，河床溢流坝段长35.20m。泄水建筑物为3孔有闸控制开敞式表孔，每孔净宽8.0m。溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程242.0m。枢纽主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级，消能防冲建筑物设计洪水标准为30年一遇。 大石桥水库工程位于涪江流域一级支流古溪河，是一座具有综合效应的中型骨干水利工程。大坝是该水利枢纽工程的主体工程，大坝泄洪消能安全问题是关乎整个水利水电工程安全与经济的重要问题。初步拟定的方案是通过水工模型试验测定不同消能方式的消能率，同时借助FLOW-3D软件进行相关计算，分析比较，确定最佳处理措施。 1.2.3FLOW-3D软件简介 在水工建筑物的优化设计过程中，传统水力学计算和模型试验难以满足计算精度和设计时间的要求。目前，随着数值模拟技术在各行各业中的广泛应用，由美国Flow Sicence公司开发的三维计算流体动力学和传热分析软件--FLOW-3D以其突出的前后处理优势和强大的求解能力在水利行业、机械铸造以及航海等行业中具有无可比拟的优势。FLOW-3D运用三维数值模拟方法，可以准确高效的对不同的设计方案进行对比分析。 FLOW-3D为专用商业软件，采用独创的FAVOR法及真实的TRU-VOF法，能够很好地模拟真实世界中自由液面的流动现象，并准确计算其流场。VOF法是Hirt和Nichols1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法，是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。完整的VOF法包括三个基本部分：①定位自由表面形状与位置②通过计算网络来追踪自由表面随时间变化的算法③如何给出自由表面的边界条件。 基于FLOW-3D软件，采用RNGk-e三维水流数学模型，VOF方法和单相流体模拟消能池水流流动。不仅可以验证泄水建筑物的泄流能力，还可以计算消能工况水流条件下消能池的水流情况，并且可以结合水工模型试验具体分析消能池中的水流流态、流速分布、水面线和效能率等水力特征。 |
