溢洪道设计应用论文

导语：溢洪道设计应用论文一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

1前言

***水电站位于云南省***上，是***中下游梯级规划二库八级电站的第五级，也是梯级中的两大水库之一，水库总库容约237×108m3，电站装机容量约5850MW。***水电站左岸为开敞式溢洪道，泄槽水平长850m，设两个底坡：桩号0+50.810~0+178.000，底坡=0.1332；桩号0+178.000~0+820.000，底坡=0.23。泄槽总宽151.5m，用隔墙分为左、中、右三槽，左槽宽54.75m，中槽宽45.40m，右槽宽45.40m。溢洪道最大泄量为31673m3/s，相应泄洪水头181.5m，最大流速达53m/s，泄洪功率巨大，居国内同类工程岸边溢洪道之首。

在设计过程中进行分别进行了溢洪道整体水工模型试验和坎槽式掺气减蚀措施的断面模型。

2已有的工程设计经验

根据有关资料，溢洪道中掺气减蚀设施以坎槽组合式为较好，挑坎可以把水流挑射出去，对空腔的形成比较有利，而掺气槽对进气有利，掺气比较充分。

空腔负压决定掺气量的多少，空腔负压较小时，掺气不充分，掺气效果不好。但并非空腔负压越大越好，空腔负压较大时，会使掺气大量溢出，同时造成边墙水翅过大，再则，空腔负压过大，空腔被压缩，水舌不稳，掺气量也会减少。造成空腔负压过大的原因，一则是因为水流流速、坎高的原因，二则是因为通气不畅。因此，一个良好的掺气坎槽要有足够的空腔长度，一定的空腔负压和充分的通气量。

工程上一般以空腔负压-0.53~-1.0m水柱作为设计依据。

3分析研究成果

3.1空腔负压与坎高的一般规律

结合***水电站溢洪道的工程布置形式，即两个底坡：=0.1332过渡到=0.23，中间用涡曲曲线平滑连接，在研究中分别研究了流速为25m/s、30m/s、35m/s、40m/s、42m/s时的空腔负压的关系，得出如下规律：

1）相同坎高，单宽流量小，则空腔负压大；

见表1（流速25m/s）中，序号1与序号3、序号4与序号5；表2（流速30m/s）中序号3与序号7；表3（流速35m/s）中序号1与序号3、序号4与序号6。上述数据均很好的反应了坎高相同，当单款流量小时，空腔负压偏大的规律性。

2）单宽流量相同或者接近，坎高较大，则空腔负压较大。

见表表1（流速25m/s）中，序号2与序号4；表2（流速30m/s）中序号2与序号3、序号6与序号7；表3（流速35m/s）中序号1与序号4。从表中数据可看到，上述规律反映的比较好。

当然上述规律为本次研究所显示的一般规律，空腔负压的大小不单取决于坎高还与来流流速、单宽流量、坎面坡度等因素有关。表2（流速30m/s）中，由序号1与7比较，单宽流量相同，坎面坡度较陡，虽然坎低，空腔负压则不小。表4（流速为40m/s和流速为42m/s）中的实验数据与前面数据相比，其坎高已不小，但空腔负压不大，是因为流量大、坎面坡度缓的缘故，空腔负压也在一般设计范围（-0.53~-1.0m水柱）。

3.2实验数据资料

表1坎高与空腔负压的关系（模拟流速25m/s）

序号

单宽流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔负压(m)

空腔

状况

1

61.75

25

0.99

5.0

-0.67

好

2

91.25

25

1.10

6.67

-0.64

好

3

65.5

25

0.98

6.67

-0.56

好

4

94.5

25

0.59

6.25

-0.42

5

68.75

25

0.54

6.25

-0.56

好

表2坎高与空腔负压的关系（模拟流速30m/s）

序号

单宽流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔负压(m)

空腔状况

1

106.5

30

0.71

5

-0.96

好

2

157.8

30

1.56

6.67

-0.93

好

3

113.1

30

1.41

6.67

-0.80

好

4

118.0

30

0.78

6.25

-0.86

好

5

163.5

30

0.85

6.25

-0.61

好

6

134.0

30

0.68

12.5

-0.92

好

7

106.5

30

1.42

12.5

-0.96

好

表3坎高与空腔负压的关系（模拟流速35m/s）

序号

单宽流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔负压

(m)

空腔

状况

1

169.0

35

1.93

5.0

-1.30

2

187.0

35

1.06

6.25

-1.10

3

179.5

35

1.92

6.67

-1.09

4

169.0

35

0.97

12.5

-1.27

5

126.4

35

0.89

12.5

-0.78

好

6

141.4

35

0.99

6.25

-0.59

好

表4坎高与空腔负压的关系（模拟流速40m/s、42m/s）

序号

单宽流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔负压(m)

空腔

状况

1

188.9

40

1.16

12.5

-0.53

好

2

220.0

42

1.30

12.5

-0.78

好

3

211.18

40

1.29

6.25

-0.77

好

4坎面坡度对空腔淹没程度的影响的一般规律总结

在单宽流量相差不大的前提下，当坎面坡度较缓，空腔长度较短，空腔淹没程度较小，反之，当坎面坡度较陡，空腔长度也较大，但其空腔淹没程度较大。这是因为坎面坡度较陡时，水流挑射远，入射角大，容易形成反向旋辊，造成淹没空腔。

4.1实验数据资料及分析

表6坎面坡度对空腔淹没程度的影响分析（流速为25m/s、30m/s）

序号

单宽

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△(m)

坎面坡度

m

空腔

长度

(m)

空腔淹没程度

空腔程度

空腔状况

1

91.25

25

1.1

6.67

21.91

0.641

0.833

0.359

0.167

2

65.5

25

0.98

6.67

19.63

0.500

0.733

0.500

0.267

好

3

94.5

25

0.59

6.25

16.61

0.666

0.888

0.334

0.112

4

68.75

25

0.54

6.25

22.05

0.500

0.769

0.500

0.231

好

5

61.75

25

0.493

5.00

19.73

0.70

0.875

0.300

0.125

6

77.5

25

0.47

12.5

16.27

0.636

0.818

0.364

0.172

7

157.8

30

1.578

6.67

31.56

0.641

0.833

0.359

0.167

8

113.1

30

1.41

6.67

28.27

0.500

0.733

0.500

0.267

好

9

163.5

30

0.85

6.25

23.9

0.666

0.888

0.334

0.112

10

118.0

30

0.780

6.25

22.05

0.500

0.769

0.500

0.231

好

11

106.5

30

0.71

5

15.23

0.70

0.875

0.300

0.125

12

134.0

30

0.682

12.5

23.43

0.636

0.818

0.364

0.172

13

106.5

30

1.420

12.5

28.4

0.670

0.875

0.330

0.125

注：---反向旋滚稳定点至挑坎的距离，---反向旋滚上冲点至挑坎的距离

表中，序号2、4较好，坎面坡度为1:6.25~6.67，空腔长度在20m左右；序号12、13，坎面坡度为1:12.5，空腔长度在25m左右，空腔淹没程度较大，达65%左右。

表7坎面坡度对空腔淹没程度的影响分析（流速为25m/s）

序号

单宽

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△

(m)

坎面坡度

m

空腔

长度

(m)

空腔淹没程度

空腔程度

空腔状况

1

169.0

35

1.93

5.00

38.66

0.70

0.875

0.300

0.125

2

187.0

35

1.06

6.25

43.20

0.500

0.769

0.300

0.231

3

179.5

35

1.92

6.67

38.48

0.500

0.733

0.500

0.267

好

4

169.0

35

0.97

12.5

21.13

0.70

0.875

0.300

0.700

5

126.35

35

0.89

12.5

16.67

0.25

1.000

0.75

好

6

141.4

35

0.99

6.25

29.3

0.47

0.68

0.530

0.320

好

表中序号1、3坎面坡度较陡，分别为1:5和1:6.67，淹没程度大；序号5最好，为自由空腔；其次是序号6空腔程度为53%，坎面坡度1:6.25。

表8坎面坡度对空腔淹没程度的影响（流速为40m/s、42m/s）

序号

单宽

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△(m)

坎面坡度

m

空腔

长度

(m)

空腔淹没程度

空腔程度

空腔状况

1

188.9

40

1.16

12.5

21.77

0.00

0.25

1.00

0.75

好

2

211.18

40

1.29

6.25

38.28

0.47

0.68

0.53

0.32

3

220.0

42

1.29

12.5

24.18

0.00

0.25

1.00

0.75

好

表8中序号1、3最好，为自由空腔，坎面坡度为1:12.5。

4.3坎面坡度对挑射水流落点及冲击力的影响

坎面坡度的大小直接关系到挑射水流的入射角，入射角的大小又影响到水流落点以及落点处的冲击力与动水压力，入射水流的动水压力及其波动值过大，将影响到溢洪道底板的稳定以及边墙、中隔墙的稳定。

一般规律：坎面坡度大，挑射水流落点压强也相应增大。

4.4掺气减蚀试验综合分析比较表

表9掺气减蚀试验综合分析比较表

序号

单宽流量

qw

(m3/s.m)

流速

v

(m/s)

坎高

△

(m)

坎坡

m

空腔长度

L(m)

空腔负压

p(m)

单宽

掺气量

qa(m3/s.m)

气水比

空腔

淹没程度

%

1

91.25

25

1.10

6.67

21.91

-0.64

4.86

0.053

64

2

68.75

25

0.54

6.25

22.05

-0.56

2.26

0.033

50

3

113.1

30

1.41

6.67

28.27

-0.80

5.23

0.049

50

4

163.5

30

0.85

6.25

23.90

-0.61

4.96

0.030

50

5

126.4

35

0.89

12.5

16.67

-0.78

7.00

0.039

6

141.4

35

0.99

6.25

29.30

-0.59

9.90

0.058

47

7

188.9

40

1.16

12.5

21.79

-0.53

7.40

0.039

8

211.2

40

1.29

5.25

24.18

-0.77

12.3

0.058

47

9

220.0

42

1.30

12.5

24.00

-1.12

8.56

0.039

5***水电站坎槽式掺气减蚀措施的设置分析与应用

根据表9的综合分析比较，及结合目前已建工程的成功经验，如：乌江渡水电站、东江水电站等，***水电站掺气坎槽沿程设5级。

5.1溢洪道各级坎槽设置分析

第一级坎槽：根据表9，序号1、2试验结果，坎高在1.10m，有足够的空腔长度，为20m，空腔负压值较好，为0.60m水柱，单宽掺气量较小（qa=4.86m3/s.m），空腔淹没程度较大。对于***水电站溢洪道，在流速25m/s处设坎槽，应提高坎的高度，坡度略缓，为△=1.6m，坎坡为1:8，槽宽、槽深均为1.25m，槽底与溢洪道底坡以450斜面相接；

第二级坎槽：由表9序号3、4试验结果看，坎高在1.41m，有足够的空腔长度（28.27m），空腔负压较好，其值为-0.80m水柱，但单宽掺气量不足，qa=5.23m3/s.m。对于***水电站溢洪道，在流速31m/s处设坎槽，坎的高度取为△=1.4m，坡度略缓，坎坡为1:8，槽宽、槽深均为1.25m，槽底与溢洪道底坡以450斜面相接；

第三级坎槽：根据表9序号5、6试验结果看，坎高在0.85m，空腔长度足够，为23.90m，空腔负压尚好，为-0.61m水柱，单宽掺气量不足，为4.96m3/s.m。对于***水电站溢洪道，在流速36.5m/s处设坎槽，坎的高度可略高一些，取△=1.0m，坡度略缓，坎坡为1:10，槽宽、槽深均为1.25m，槽底与溢洪道底坡以450斜面相接；

第四级坎槽：由表15序号7、8试验结果看，坎高在0.89m,空腔长度足够，为24.18m，空腔负压尚好，为-0.77m水柱，单宽掺气量充足，为12.24m3/s.m。对于***水利枢纽溢洪道，在流速41m/s处设坎槽，坎的高度可略低一些，取△=0.8m，坡度略缓，坎坡为1:10，槽宽、槽深均为1.25m，槽底与溢洪道底坡以450斜面相接；

第五级坎槽：由表15序号9试验结果看，坎高在1.30m,空腔长度足够，为24.0m，空腔负压较大，为-1.12m水柱，单宽掺气量尚可，为8.56m3/s.m。对于***水利枢纽溢洪道，在流速42.9m/s处设坎槽，坎的高度可略低一些，取坎高△=0.6m，坡度略缓，坎坡为1:12，槽宽、槽深均为1.25m，槽底与溢洪道底坡以450斜面相接。

5.2溢洪道各级坎槽设置实践

根据上述分析，***水电站掺气坎的设置如表10，见附图1：

表10***水电站掺气坎槽设计表

坎级

桩号

坎槽结构

保护长度

（m）

流速

(m/s)

坎高(m)

坎坡(m)

槽宽(m)

槽深(m)

1

0+250

1.60

1:8

1.25

1.25

103.0m

25.08

2

0+350

1.40

1:8

1.25

1.25

123.2m

31.0

3

0+470

1.00

1:10

1.25

1.25

153.9m

36.5

4

0+620

0.80

1:10

1.25

1.25

133.4m

41.0

5

0+750

0.60

1:12

1.25

1.25

70.0m

42.9

6结语

掺气减蚀工程措施的设置在解决高速水流的危害方面有明显的作用，但是掺气减蚀的影响因素较多，且复杂，本文从掺气坎的角度：坎高、坎坡两方面作了分析，而如通气量等其他因素，对掺气坎的设计也有很大的影响，本文没有做进一步的分析。另外，水利水电工程的运行条件复杂多变，运行环境亦不稳定。

要很好的解决高速水流的掺气减蚀问题，应该全面的考虑上述各种因素及具体工程的实际情况。

参考文献：

吴持恭编著，《水力学（第二版）》，高等教育出版社，1996年。

《***水电站溢洪道泄槽掺气减蚀模型试验报告》，天津大学，2003年。

《***水电站可行性研究报告（第五篇）》，昆明勘测设计研究院，2003年。

《***水电站可行性研究阶段泄洪消能与防冲专题报告》，昆明勘测设计研究院，2003年。