消力戽在低水头大流泄水建筑物中的应用

2014-05-04苏道峰刘金岩

水利规划与设计 2014年4期

苏道峰穆亮刘金岩

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021；2.山东际高建筑设计院有限公司山东威海 264200）

1 前言

采用水跃消能时消能效率是佛汝德数 Fr的函数，研究表明，当Fr为3时消能效率仅为25%，且 Fr越低消能效率越低，当 Fr为 1.7时消能效率已不足 5%。此时若采用底流消能方式，不但消能效率低，而且消力池往往需要修建很长，而为了减小单宽流量而增大溢流前缘时，消力池又需要修建的很宽，造成泄水建筑物工程量大，所占投资比重大，直接影响工程的经济技术性。

消力戽是近年来研究成功的一种新型的泄水建筑物，并在国内外众多中小工程中广泛应用，取得了较好的效益。消力戽是利用一个较大的反弧半径和挑角所形成的戽斗，在一定尾水深度作用下，使从溢流坝下泄的水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的水流在底部及尾水中均产生旋滚，以达到消减能量减轻水流对河床冲刷的目的。当下泄单宽流量过大时，从戽体最低断面开始，设置一段水平池底，加大戽斗内旋滚体积，增加效能效果。消力戽适用于低水头大流量低佛汝德数深尾水并且下游河床具有一定抗冲能力的条件，具有消能效果较好，体积小，工程量省，施工方便的特点。

2 设计方法

2.1 戽体体型及尺寸

现阶段对戽流流态的研究还不完全，采用戽式消能工时依据大多是半理论半经验公式为主，辅以模型试验及数值模拟验证。消力戽的设计即确定其体型及尺寸：挑角θ，反弧半径R，护唇高度a，护底高程Z0以及水平段L等（见图1），使选定的参数在其运行区间均为稳定戽流流态。

（1）挑角θ

目前兴建的工程，大多数采用挑角θ=45°，也有少数采用30°～40°。挑角θ过小，戽内表面旋滚易“冲出”戽外，出现潜底戽流；挑角θ过大，将造成较高的涌浪，加大对河岸的冲刷并且造成较深的冲坑，因此挑角θ的选择，应根据具体情况而定。

（2）反弧半径R

（3）戽唇高度a

为防止泥沙入戽，戽唇应高于河床，戽唇高度一般取约尾水深度的 1/6，高度不够时可用切线延长加高。

（4）戽底高程Z0

戽底高程设置标准是在各级下游水位条件下均产生稳定戽流。戽底太高易发生挑流流态，戽底太低挖方量增大，不经济。因此戽底高程的确定将流态与工程量大小统一考虑。

2.2 稳定戽流形成的条件

产生临界戽流时，消力戽下游产生类似水跃的“戽跃”的共轭水深为 h2k，为使消力戽在运行区间均产生稳定戽流，需要确定临界戽流到稳定戽流产生的界限水深 ht1，以及稳定戽流到淹没戽流产生的界限水深ht2，这里ht1=σ1h2k，ht2=σ2h2k，σ1称为第一淹没系数，σ2称为第二淹没系数。当下游实际水深ht满足ht1≦ht≦ht2时，戽内流态为稳定戽流。

2.3 消力戽设计义程

设计消力戽时，先参照工程实例和戽流流态的要求，初步设计戽体体型及尺寸，初选挑角θ，反弧半径R，护唇高度a，护底高程Z0以及水平段L等，然后对几个特征流量，分别计算出h2k，进而求得ht1和ht2，而后判断消力戽下游实际水深ht与ht1和ht2的关系。若在各级流量下，满足ht1≦ht≦ht2，则初选的戽体体型及尺寸符合要求，若不满足则需重新选择戽体参数直到符合要求为止。最后在满足条件的不同的戽体体型及尺寸中选出工程量最优的方案作为选定方案即可。

2.4 消力戽计算方法

产生临界戽流时，用动量方程写出戽底断面与下游尾水断面水力要素之间的关系，得到临界戽流动量方程，来求解“戽跃”共轭水深 h2k；用能量方程写出溢流前缘断面与戽底收缩断面水力要素之间的关系，来求解收缩水深h1。

式中：Fr—戽底处的佛汝德数；β—戽内离心力修正系数；θ—戽坎挑角；a2—自河床算起的戽坎高；bΔ—戽底与河床高程的高差；α—戽坎下游面冻水压力校正系数；η—共轭水深比（η=h2k/h1）；h1、h2k—戽底及尾水处的水深；φ—流速系数；E—以戽底为基准面的上游断面总水头。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水电站工程是松花江中段规划的梯级电站的第四级电站，也是最末一级电站，总库容1215.81×104m3，最大坝高23.06m，上下游最大水头差5m，电站装机容量9.0MW。该工程规模为中型，工程等别Ⅲ等，主要由重力挡水坝、溢流坝及泄水建筑物和河床式电站厂房组成，其中重力坝总长 84m，溢流坝总长 111m，电站厂房总长64.5m。

3.2 修建消力戽的用条件

溢流坝工程设计洪水按 50年一遇（p=2%）取值，泄洪流量 4966m3/s，对应单宽流量45.56m3/s·m，Fr为2.78；校核洪水按500年一遇（p=0.2%）取值，泄洪流量8412m3/s，对应单宽流量 77.17m3/s·m，Fr为 2.41。其下游衔接某水电站库区，受下游水电站库水影响，尾水具有一定深度。为典型的低水头大流量低佛汝德数的水力学问题，下游有水库库区衔接，尾水较深，得天独厚的地理概况成为修建消力戽的必要条件。

3.3 消力戽设计

图1 消力戽体型及参数

溢流坝采用开敞式无闸WES实用堰，堰顶高程 433.00m，下游衔接消力戽，戽底高程422.00m，为增加戽内旋滚体积，增加超大流量的消能效率，在戽底设置长6m的水平段，戽坎挑角采用45°，反弧半径采用6m，自河床起算戽坎高度1m，戽底低于河床2m。具体结构详见图2，消力戽计算结果详见表1。

图2 溢流坝消力戽断图

表1 消力戽计算结果表

4 消力戽应用的前景

中小型水利水电工程水头大多不高，在设计消能工时常常遇到低水头大流量地佛汝德数的水力学难题，底流方式消能的泄水建筑物工程量大，投资比重大，有时甚至成为左右工程可行与否的重要因素，影响工程经济效益。采用消力戽方式消能能够在有限的空间中节省庞大的工程量，并且取得比底流消能更好的消能效果，为此类工程提供了可行的设计方案。以本文工程为例，若按底流方式消能，消力池需要修建至少 60m以上，采用消力戽方式消能工程投资仅为底流方式消能的2/3，节省资金近1000万元，取得了较好的经济效益和社会效益。

能够形成稳定戽流除了选择好消力戽的体型及尺寸外，下游水深也是一个控制性因素，只要在下游水深具有一定深度时，消力戽才能真正发挥它的优点。这在上下游河道相差不大时，往往都能满足下游尾水的要求，在一些下游河道较开阔而导致的下游尾水不够的工程中，适当采取一定的工程措施，加深下游尾水以满足稳定戽流的条件同样可以取得满意的预期效益。