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摘 要:文章介绍了李溪拦河坝水利枢纽消能工的设计,并通过水工模型试验进行验证。依据试验结果,对消能工方案继续拧优化,有效改善了消力池下游的水流流态,可为类似工程设计提供参考。
关键词:水闸;消能工;设计
中图分类号:TV653 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)09-0129-02
1 工程概况
李溪拦河坝枢纽是流溪河梯级开发工程之一,位于流溪河下游花都区花东镇李溪村,是一座以灌溉为主、结合发电、供水的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、右岸进水闸、东、西两座水电站组成。李溪拦河坝Ⅱ期加固改造工程,主要是对其闸坝主体结构进行重建,将其建设成为具有灌溉、发电、景观、旅游、改善水环境的综合性大型枢纽工程。工程规模属大(2)型,工程等级为Ⅱ等,主要建筑物级别为2级;采用50 a一遇洪水设计,100 a一遇洪水校核。
李溪拦河坝自1970年建成投入运行以来,遭遇不少大小洪水,拦河坝的消能防设施有着不同程度的毁损,目前消能设施存在的主要问题为驼峰堰受长期水流冲刷,磨损较大,出口角度变化较大,局部不能形成面流,加大了下游消能压力;工程施工年代久远,施工质量较差。
拦河坝水闸的上下游具有较大的水位差,同时闸孔宽度小于上下游河道宽,使得过闸流量比较集中,单宽流量加大。过闸水流具有较大动能,因此必须采取适当的消能防冲措施,防止水流冲刷下游河道,近一步威胁水闸(坝)安全。
2 李溪拦河坝消能防冲设计
2.1 闸门运行调度
本工程原则上不对径流进行调节,根据上来水量先满足灌溉及供水,余水用来发电。在非汛期应将水位维持在正常蓄水位10.51 m不变,远期可考虑下游河道补水要求。在汛期,在河道流量不大的情况下,维持来水量与泄水量平衡,使水位不超过10.51 m,当遭遇大洪水时,水量增加使坝前水位超过10.51 m,则开启闸门,开闸孔数及开度视来水量而定,使坝前水位降至10.51 m以下,若来水量继续增大,坝前水位继续上涨,则闸门全开,达到最大泄洪能力,当水位回落至10.51 m时,逐渐关闭闸门。当预报有特大暴雨时,可提前开闸泄水,保证河道行洪安全。
2.2 消能防冲计算
李溪拦河坝消力池分一级消力池设计计算及二级消力池复核。
第一级消力池内水流为急流,水面线以收缩断面作为控制断面,发生水跃,由于余能较大,消力池后水平护坦段水流仍然是急流,水深按自由出流的堰流计算;其后接第二级消力池的陡坡,水面线急剧下降,水流为急流,以第二级消力池的收缩断面作为控制断面,发生水跃;消力池后接i=0.03的陡坡,水流为缓流,产生壅水曲线,其下限为K-K’(临界水深hk,Frc=1),上限逼近下游河床水深ht;陡坡首端水深可按淹没出流的堰流计算,或由下游河床观测水深ht往上推算;下游河床为缓坡,水流为缓流,水面线水平或逐渐下降。
考虑到小流量时,闸门均为局部开启,均为闸孔出流,此次计算根据规范开启度e/H<0.65时,消能按照闸孔出流来计算,消力池计算简图如图1所示。
闸孔出流的收缩水深hc用下式计算:
hc=εe
式中,e为闸门开启高度;ε为垂直收缩虚数。
对于平板闸门,ε与相对开度e/H有关,平板闸门垂直收缩系数ε如表1所示。
闸孔出流流量系数为:
式中,Lsj为消力池长度,m;Ls为消力池斜坡段水平投影长度,m;β为水跃长度校正系数,0.75;Lj为水跃长度,m。
2.2.3 消力池底板厚度计算
计算结果如表3所示。
由成果可见,按设计结构建成后,闸前水位设计工况(P=2%)为11.27 m,校核工况(P=1%)为11.54 m。
根据2002年广东省水文局广州分局《流溪河中、下游设计洪水水面线复核报告》成果设计工况和校核工况的闸前水位分别为11.27 m、11.55 m,此次改造后,闸前水位均未超过此数。
2.3 海漫、防冲槽设计及复核计算
海漫应具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性,其结构和抗冲能力英语水流流速相适应。柔性是可以使海漫在一定程度上适应河床的变形;透水性是为了消除海漫底部的渗透压力;表面粗糙性是为了消除水流的余能;抗冲是为了保证海漫本身不至于被水流冲刷破坏,从而达到保护河床的目的。
根据《水闸设计规范》,海漫长度:
2.4 消能防冲设计
李溪拦河坝上左岸堤顶高程为13.57 m,右岸堤顶高程为14.3 m,均满足超高要求。
消力池总长16 m,其中首端以1∶4斜坡与闸室底板相接,水平投影长度为4 m;末端水平段长度为12 m。消力池深度为1.0 m,为改善流态,在尾坎顶部加设消力墩,池底面高程为6.80 m。消力池后设长度为4 m水平平台与二级消力池相接,平台高程为7.80 m。消力池底板用C30钢筋混凝土浇筑,厚度为0.8 m,在消力池水平段后6 m底板上设置φ110排水孔,排水孔采用PVC管,间距为2.0 m×2.0 m,梅花状布置,并在该部位底板底面铺设反滤层。
2.5 水工模型试验
水工模型试验的主要任务是根据设计提供的水流流量关系,对闸后消力池、消力墩等消能效果进行验证,提出合理的消能方案;模型试验过程中发现当消力池池深仅为1 m,一级消力池流态比较紊乱,形不成相对稳定的水跃,因此在本次设计中消力池尾坎顶部加设消力墩。增加消力墩后,明显改善了消力池的出流流态。
3 结 语
经过计算,重新修复的李溪拦河坝消力池池深1 m,长度16 m,海漫长度50 m。珠江水利科学研究院对拦河坝进行水工模型试验验证,在消力池尾坎顶部增设消力墩,改善了消力池水流流态。
2011年工程完工至今,李溪拦河坝消能工运行良好,闸后水流稳定,未发现新的冲刷破坏现象。证明消能措施的布置和设计是合理的。
参考文献:
[1] 陈宝华,张世儒.水闸—取水输水建筑物丛书[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[2] 华东水利学院.水闸设计[M].上海:上海科学技术出版社,1983.
[3] SL265-2001,水闸设计规范[S].
[4] 史志鹏.低水头泄水建筑物消能措施数值模拟[D].杨凌:西北农林科技大学,2010.
[5] 侯斌.低水头航电枢纽泄水闸下游冲刷问题研究[D].长沙:长沙理工大学,2010.
关键词:水闸;消能工;设计
中图分类号:TV653 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)09-0129-02
1 工程概况
李溪拦河坝枢纽是流溪河梯级开发工程之一,位于流溪河下游花都区花东镇李溪村,是一座以灌溉为主、结合发电、供水的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、右岸进水闸、东、西两座水电站组成。李溪拦河坝Ⅱ期加固改造工程,主要是对其闸坝主体结构进行重建,将其建设成为具有灌溉、发电、景观、旅游、改善水环境的综合性大型枢纽工程。工程规模属大(2)型,工程等级为Ⅱ等,主要建筑物级别为2级;采用50 a一遇洪水设计,100 a一遇洪水校核。
李溪拦河坝自1970年建成投入运行以来,遭遇不少大小洪水,拦河坝的消能防设施有着不同程度的毁损,目前消能设施存在的主要问题为驼峰堰受长期水流冲刷,磨损较大,出口角度变化较大,局部不能形成面流,加大了下游消能压力;工程施工年代久远,施工质量较差。
拦河坝水闸的上下游具有较大的水位差,同时闸孔宽度小于上下游河道宽,使得过闸流量比较集中,单宽流量加大。过闸水流具有较大动能,因此必须采取适当的消能防冲措施,防止水流冲刷下游河道,近一步威胁水闸(坝)安全。
2 李溪拦河坝消能防冲设计
2.1 闸门运行调度
本工程原则上不对径流进行调节,根据上来水量先满足灌溉及供水,余水用来发电。在非汛期应将水位维持在正常蓄水位10.51 m不变,远期可考虑下游河道补水要求。在汛期,在河道流量不大的情况下,维持来水量与泄水量平衡,使水位不超过10.51 m,当遭遇大洪水时,水量增加使坝前水位超过10.51 m,则开启闸门,开闸孔数及开度视来水量而定,使坝前水位降至10.51 m以下,若来水量继续增大,坝前水位继续上涨,则闸门全开,达到最大泄洪能力,当水位回落至10.51 m时,逐渐关闭闸门。当预报有特大暴雨时,可提前开闸泄水,保证河道行洪安全。
2.2 消能防冲计算
李溪拦河坝消力池分一级消力池设计计算及二级消力池复核。
第一级消力池内水流为急流,水面线以收缩断面作为控制断面,发生水跃,由于余能较大,消力池后水平护坦段水流仍然是急流,水深按自由出流的堰流计算;其后接第二级消力池的陡坡,水面线急剧下降,水流为急流,以第二级消力池的收缩断面作为控制断面,发生水跃;消力池后接i=0.03的陡坡,水流为缓流,产生壅水曲线,其下限为K-K’(临界水深hk,Frc=1),上限逼近下游河床水深ht;陡坡首端水深可按淹没出流的堰流计算,或由下游河床观测水深ht往上推算;下游河床为缓坡,水流为缓流,水面线水平或逐渐下降。
考虑到小流量时,闸门均为局部开启,均为闸孔出流,此次计算根据规范开启度e/H<0.65时,消能按照闸孔出流来计算,消力池计算简图如图1所示。
闸孔出流的收缩水深hc用下式计算:
hc=εe
式中,e为闸门开启高度;ε为垂直收缩虚数。
对于平板闸门,ε与相对开度e/H有关,平板闸门垂直收缩系数ε如表1所示。
闸孔出流流量系数为:
式中,Lsj为消力池长度,m;Ls为消力池斜坡段水平投影长度,m;β为水跃长度校正系数,0.75;Lj为水跃长度,m。
2.2.3 消力池底板厚度计算
计算结果如表3所示。
由成果可见,按设计结构建成后,闸前水位设计工况(P=2%)为11.27 m,校核工况(P=1%)为11.54 m。
根据2002年广东省水文局广州分局《流溪河中、下游设计洪水水面线复核报告》成果设计工况和校核工况的闸前水位分别为11.27 m、11.55 m,此次改造后,闸前水位均未超过此数。
2.3 海漫、防冲槽设计及复核计算
海漫应具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性,其结构和抗冲能力英语水流流速相适应。柔性是可以使海漫在一定程度上适应河床的变形;透水性是为了消除海漫底部的渗透压力;表面粗糙性是为了消除水流的余能;抗冲是为了保证海漫本身不至于被水流冲刷破坏,从而达到保护河床的目的。
根据《水闸设计规范》,海漫长度:
2.4 消能防冲设计
李溪拦河坝上左岸堤顶高程为13.57 m,右岸堤顶高程为14.3 m,均满足超高要求。
消力池总长16 m,其中首端以1∶4斜坡与闸室底板相接,水平投影长度为4 m;末端水平段长度为12 m。消力池深度为1.0 m,为改善流态,在尾坎顶部加设消力墩,池底面高程为6.80 m。消力池后设长度为4 m水平平台与二级消力池相接,平台高程为7.80 m。消力池底板用C30钢筋混凝土浇筑,厚度为0.8 m,在消力池水平段后6 m底板上设置φ110排水孔,排水孔采用PVC管,间距为2.0 m×2.0 m,梅花状布置,并在该部位底板底面铺设反滤层。
2.5 水工模型试验
水工模型试验的主要任务是根据设计提供的水流流量关系,对闸后消力池、消力墩等消能效果进行验证,提出合理的消能方案;模型试验过程中发现当消力池池深仅为1 m,一级消力池流态比较紊乱,形不成相对稳定的水跃,因此在本次设计中消力池尾坎顶部加设消力墩。增加消力墩后,明显改善了消力池的出流流态。
3 结 语
经过计算,重新修复的李溪拦河坝消力池池深1 m,长度16 m,海漫长度50 m。珠江水利科学研究院对拦河坝进行水工模型试验验证,在消力池尾坎顶部增设消力墩,改善了消力池水流流态。
2011年工程完工至今,李溪拦河坝消能工运行良好,闸后水流稳定,未发现新的冲刷破坏现象。证明消能措施的布置和设计是合理的。
参考文献:
[1] 陈宝华,张世儒.水闸—取水输水建筑物丛书[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[2] 华东水利学院.水闸设计[M].上海:上海科学技术出版社,1983.
[3] SL265-2001,水闸设计规范[S].
[4] 史志鹏.低水头泄水建筑物消能措施数值模拟[D].杨凌:西北农林科技大学,2010.
[5] 侯斌.低水头航电枢纽泄水闸下游冲刷问题研究[D].长沙:长沙理工大学,2010.