挖深式消力池水力计算的初步探讨

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前
言
合理开发利用水资源。常常在天然河道上修 建水闸, 堰等建筑物。修建后 , 往往改变水流的 特征 , 抬高上游水位 , 通过建筑物下泄的水流具 有较高的速度 , 动能大。由于 建筑物缩 窄了河 道, 下泄水流单宽流量增大, 水流能量集中的急 流, 而下游河道一般为缓流, 存在两种流态如何 衔接 , 如果处理不当将会带来严重后果。 因此, 必须对泄水建筑物下游水流的衔接进行 判断和处理, 选择适当的消能方式。使在下游较短 距离内消除余能, 并使高速集中水流安全地转变为 下游的正常缓流, 从而保证建筑物的安全。 下游水流衔接与消能的方式。常见的有以下 [ 1] 几种 : 1 1 底流式衔接消能 当水流从急流向缓流过渡时, 产生水跃 , 产 生的表面旋滚和强烈的紊动消除大量的余能 , 使 速度急剧下降, 与下游水流能良好的衔接, 由于 余流在底部, 故称之为低流式衔接消能。 1 2 挑流式衔接与消能 利用建筑物末端的跃坎, 利用高进下泄水流
的动能, 将水流挑射 到远离建筑物 的下游河床 中, 与下游水流衔接。 消能分为三个部分, 坝面摩擦 - 空中扩散水垫。 1 3 面流式衔接与消能 利用建筑物末端的挡坎, 将上游高速水流送 入下游河道的水流表层, 坎后形成尺度很大的底 部漩滚, 将主流与河床隔开。 为了改善不利的底流式衔接消能的水流衔接 形式 , 可采取人工措施, 通过增加下游水深 , 使 之形成稍有淹没的淹没水跃, 从而达到缩短护坦 的长度, 在较短距离内消除余能的目的。这种消 能措施称为消力池 ( 或消能池 ) 。 人工形成消力池的工程措施, 根据泄水建筑 物下游地基情况, 可以有以下三种基本方式 : 挖深式消力池 : 降低护 坦高程形 成消力 池, 使池内水深大于 h c , 产生淹没水跃; ! 坎式消力池: 在护坦末端加筑消能坎形成 消力池, 使坎前水深大于 h c , 产生淹没水跃。 ! 综合消力池: 采用既较低护坦高程又修建 消能坎的综合消力池, 使池内水深大于 h c , 产 生淹没水跃。如图 1 所示。
( m)
#Z (m) ht + s + # Z ( m)
由表 2 可知消力池挖深 s < 1 1, 消力池的 水跃淹没系数不满足 = 1 05- 1 10, 本例取 s = 1 2, 消力池内水跃淹没系数 = 1 055, 满足 = 1 05~ 1 10。
法和试算法。虽然试算过程相当复杂, 但试算结 果比较精确。本文结合一实例 , 给出了试算的求 解过程, 计算结果见表 2。 &
1) 估算池深 s 。当中小型工程 [ q < 25m 3 / s % m, E 0 < 35m ] 根据下游河道流速 ( 式中 h c1 为挖深前的值 , 通过迭代法先求出收缩断面水深 hc ) v < 3m/ s s = 1 05 h c - ht ( 7) v > 3m/ s s = 1 05 h c - ht ( 8) h c 式中是以原河床为基准面按总水头 E 0 求得的 hc 的共轭水深 , h t 为下游水深。 2) 计算建池后的 h c1 , 需计算建池后的 hc 1 2 q E∃0 = E 0 + s = h c1 + ( 9) 2 2 2 g hc1 h c1 8 q2 h c1 = ( 10) 1+ - 1 2 gh3 c1 具体计算方法同挖深前相同。 3) 计算 # Z, 建池后 的 h c1 代入 ( 10) , 即 可求出水流由消力池进入下游河道时, 水面跌落 #Z。 2 1 1 #Z= q ( 11) 2g ( ∃h t ) 2 ( j h c1 ) 2 4) 验证消力池内水跃淹没系数 s+ h t + # Z = ( 12) h c1 若 1 05- 1 10 的范围, 则 s 满足要求 , 否 则重新假设消力池挖深 # Z, 重复上述计算, 直 到 - 1 05- 1 10 满足。 2 2 池长 L K 的确定 在消力池范围内, 底部流速高, 紊动强烈, 冲刷力强 , 池底和边墙都要用混凝土或浆砌石保 护。消力池过长会增加建筑费用 , 但池长太短, 即使深度已够 , 也不能在池内形成良好水跃 , 未 经充分消能的底部主流会越出消力池, 冲刷下游 河床。合理的池长应从平底自由水跃的长度出发 来考虑。消力池中的水跃因受消力池尾端垂直壁 面的阻挡 , 产生反向作用力 , 减少了水跃长度。
图 1 消力池结构 图
[ 收稿日期 ] 2008- 08- 20 [ 作者简介 ] 崔忠 ( 1981- ) , 男 , 安徽涡阳人 , 工程师, 工学硕士 , 从事河流工程泥沙研究 。
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吉林水利
挖深式消力池水力计算的初步探讨崔 Nhomakorabea忠等
2008 年 10 月
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挖深式消力池的水力计算
池深 s 的计算 如图 2 所示 , 下 游河道水 深为 h t , 在开挖
# Z ( m) 0 23 0 921 ht ( m) 5 00 v t ( m / s) 5 47
没有挖深消力池工况时
( m)
5 68
由表 1 可知 , 在最大泄量下, 消力池没有挖 深时 = 0 921 为远驱式水跃, 故要挖深消力池, 使其形成稍有淹没的水跃 , 增加消能率。由于河 道下游流速 v t = 5 47m / s> 3m/ s。故消力池池深 采用进行估算, 初步估算消力池池深为 0 68m 。 消力池不同挖深的试算结果见表 2。先假设 一个消力池挖深深度 s , 把 s 代入 ( 9) 和 ( 10)
表1
q ( m 3 / s- m ) 16 67 E 0 ( m) 10 22 hc ( m) 1 41 h
c
综合分析国内外的有关研究成果后建议在一般水 闸泄 流条件下 ( 2 2 < Fr c < 5 5 时 ) , ∀值采用 7 5。
3
算
例
某闸坝三孔、每孔 5 0m 、流量 250m/ s, 上 游 水 位 17 72m , 下 游 水 位 12 50m, 堰 顶 12 50m 。问最 大流量 时是 否需 建挖 深消 力池? 如采用挖深式消力池 , 求池长及池深。
第 10 期 ( 第 317 期 )
[ 文章编号 ] 1009 2846 ( 2008) 10 0025 03
吉
林
水
利
2008 年 10 月
挖深式消力池水力计算的初步探讨
崔 忠 , 马铁成
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( 1 新疆水利水电勘测设计研究院 , 新疆 乌鲁木齐 830000; 2 新疆农牧区水利规划总站 , 新疆 乌鲁木齐 830000)
吉林水利
挖深式消力池水力计算的初步探讨
崔
忠等
2008 年 10 月
实验表明它的长度比自由水跃缩短 20% ∀ 30% , 故从收缩断面起算的消力池长为 L K = ( 0 7~ 0 8) lj ( 13) lj = ∀ h c ( Fr c - 1) ( 14) 式中 : l j 为自由水跃的长度。 [ 2] ∀试验测定系数。 由于各试验 者测定时的 标准不一致, 因此各家系数很不一致。武汉水利 电力学院对各家公式和大量试验资料进行分析比 较后建议 1 7< Fr c < 9 0 时, ∀值采用 9 5。安 徽水力科学研究所根据该所的模型试验资料 , 并
参考文献 :
4
结
语
消力池池深计算公式中 s 与 h c1 之间是一复 杂的隐函数关系 , 无法直接求解, 一般采用图解
[ 1] 吴持恭 水力学第三版 [ 2] 谈松曦 水闸设计 [ M ] , 水利电力出版社 1986 2 [ 3] 水利 部天 津水 利水 电勘 测设 计研 究 院 溢洪 道 设计 规 范 S L253- 2000 北京 : 中国水利水电出版社 2000
表2
s (m) hc1 ( m) vc ( m ) F rc h
c1
式可以求出 hc1 、h c1 , 然后、代入 ( 11) 式即可 求出消力 池尾部水面跌落 # Z, 然后把 s 、 h c1 、 ht 、 # Z 代入 ( 12) 式验证消力池内水跃淹没系 数 , 若满足 - 1 05- 1 10 的 范围, 所得的 s 即为所求。否则 假设 下 一个 s, 重 复 上面 的计 算, 直到满足 1 05- 1 10 的范围。
前, 与收缩断面水深 hc 相对应的上游总水头。 E0 = P1 + H 0 ( 1) 开挖后, 护坦高程降低值为 s 。
图 2 挖深式消力池上下游 水流衔接图
此时与收缩断面水深相对应的上游总水头 2 q E 0 = E 0 + s= hc 1 + ( 2) 2 2 2g h c1 为使池内发生稍有淹没的水跃 , 消力池末端 水深为 2 j h c1 8q hT = j h c1 = ( 3) 1+ 3 - 1 2 gh c1 式中水跃的淹没安全系数 j = 1 05~ 1 10, h c1 为降低护坦高程后收缩断面水深 hc1 所对应的 共轭水深。 由图 2 可知 hT = s + h t + # Z ( 4) 式中 # Z 为水流由消力池进入下游河道时 , 由于 过水断面减小而引起的水面跌落, 其水流特性与 宽顶堰相同。 对消力池出口断面 1- 1 与下游断面 2- 2 列 能量方程 , 有 2 2 2 1 v1 2 v2 v2 #Z+ h t + = ht + + ! ( 5) 2g 2g 2g q q 令 1 = 2 = 1 0, 将 v 1 = j c1 , v 2 = t 及 ∃ h h 1 代入 ( 5) 式并化简, 得 = 2+ ! 2 1 1 #Z= q ( 6) 2g ( h t ) 2 ( j h c1 ) 2 式中 : h t 为下游河道水深。 为消力池的流速系数, 取决于消力池出口 处的顶部形式, 一般取为 0 95。 由式 ( 2) 、式 ( 3) 、式 ( 4) 和式 ( 6) 四个 方程联立求解消力池深度 s 。需要注意的是, 收 缩断面 hc1 的共轭水深 h c1 是随消力池深度 s 的变 化而变化的。因此, 与之间是一复杂的隐函数关 系。故求解消力池深度时 , 一般需用试算法。 确定挖深 式消力池池深试 算法的一 般步骤 为。 ∀ 26 ∀