台阶式消能防冲设施设计研究

万康飞

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000)



台阶式消能防冲设施设计研究

万康飞

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000)

文章以新疆吉尔格勒德水利枢纽工程台阶式溢洪洞设计为例，探讨台阶式消能防冲设施设计。结果表明台阶式消能设施具有较好的消能效果，消能率达到75%以上，消能率与单宽流量以及台阶尺寸有着密切联系，在台阶的尺寸保持一定时，单宽流量越小其消能率越高。当泄洪建筑物下游不具备挑流条件或下游空间受限布置消力池受限时，采用沿程台阶消能，能大大减小下游消力池尺寸。

台阶式；消能防冲；设计；溢洪洞

1　工程概况

吉尔格勒德水利枢纽工程属于II等、大(2)型工程，它的地理位置为：E84°21′～84°24′，N44°03′～44°06′，即：吉尔格勒德水利枢纽位于“金三角城市经济圈”的乌苏市境内(处于天山北坡经济带的西端)，它与乌鲁木齐市相距310km，与乌苏市相距60km。另外，该工程还位于四棵树河上游，与九巴勒贝其尔沟汇合口上游大约相距1km，与河吉勒德水文站大约相距14.5km(平均年径流量为3.058亿m3——水文站断面，平均控制径流量为2.9328亿m3——坝址)，目前，它是四棵树河山区唯一一座拦河枢纽工程，其建设的目的在于：以农业灌溉、工业供水为主，以发电、防洪为辅，为当地人民提供便利、高效的服务。另外，在调查中发现，该工程所在的区域交通比较便利，且工程区域内无村庄、文物、工况等，其建设损失或者建设风险较小(只会小区域的淹没一些草场)[1]。除此之外，吉尔格勒德水利枢纽工程构成要素主要包括：右岸溢洪洞(3级)、泄洪洞(3级)、拦河坝(2级)、电站厂房(4级)、发电引水系统(3级)、临时建筑物(5级)等，工程区域的平均最大风速为12.7 m/s、最大冰厚为88.6cm，而且坝址区平均气温为4.6℃(最高：39.5℃、最低：-33.5℃)，平均悬移质含沙量为1.5kg/cm，平均年输沙量为43.2×104T。

2　模型试验

在委托方对模型试验要求下，根据重力相似准则设计试验模型，并且根据工程建设实地考察结果，计算出模型与实际情况的科学比尺(采用比尺Lr=40)，其中时间比尺Tr= Lr1/2=6.325、流量比尺Qr=Lr5/2=10119.3、流速比尺Vr= Lr1/2=6.325、糙率比尺Nr= Lr1/6=1.849。另外，模型的设计与制作均与枢纽平面布置图(设计院提供)相吻合。最终得出：上游库区纵向地形范围为315.86m，则模型的设计范围为789.66cm，横向地形范围为160.00m，则模型的设计范围为400.00cm；下游河道纵向地形范围为336.63m，则模型的设计范围为841.57cm，其宽度为224.64m，则模型的宽度为561.60cm。另外，下游河道纵向动床(高程1410m)范围长为249.15m，则需要将模型长设计为622.88cm。除此之外，根据工程现场考察结果，将下游河道动床冲刷料粒径设计1.2cm～3.0cm(实际为0.5m到1.2m)[2]。为了方便模型的设计数据等的及时修改，将桩号溢0+000.00的所有过水断面的边墙进行2m加高，并且采用有机玻璃制作泄水建筑物模型，以便满足糙率相似。

3　试验成果

3.1溢洪洞水位与流量的关系

对原有的溢洪洞水位与流量的关系试验研究与革新后的溢洪洞水位与流量的关系试验研究结果进行对比，其结果见表1～表2：

表1　原有的溢洪洞水位与流量的关系(针对原设计)

流量差值=(实测-设计)/设计×100%

表2　革新后的溢洪洞水位与流量的关系(对原设计的调整)

流量差值=(实测-设计)/设计×100%

其中表2中的流量系数的计算公式为：

(1)

式中：m为堰流综合流量系数；Q为泄洪流量，m3/s；B为堰面过水宽度，m(本工程为16m)；H为堰上水头，m(本工程堰顶高程为1506m)[3]。

对比研究发现：校核洪水位、消能防冲标准水位以及设计洪水位所对应的流量均大于设计值，因此，能够有效的满足泄洪要求。而且为了测定进口溢流堰体型的合理性，对侧槽溢流堰的堰面压强分布进行了监测，发现各个状态下的堰面沿程均为正压，因此，革新后的数据更加科学合理。

2　消力池流态

原设计与修改后的设计比较，结果显示：按照原设计消力池体型，根据实际调查，将消能防冲水位的下泄流态设计为30.99m3/s特别符合水流的消能要求，同时，若将水位下泄流态设计为81.23m3/s，则消力池无法形成稳定的底流消能流态，而且其水流流态呈现远驱水跃形式[4]；如果将水位下泄流态设计为149.67m3/s，则这个工况下的消力池不具备消能能力，而且水流呈现远驱射流，因此，如果消力池评定标准以按照该流量为准，则消力池流态需要进一步修改。为了方便模型的设计数据等的及时修改(根据不同情况设计不同的消力池体型)，将桩号溢0+000.00的所有过水断面的边墙进行2m加高，并且在消力池的底板增加消能墩，这样使得修改过后的消力池底板高程为1406.40m，而且消力池的总长度为40m，是的消力池具备较高的消能能力，使其下泄流态为81.23m3/s，而且从改进的消力池(最佳的消能流态为底流消能)流态看，改进后的消力池可以完全的满足台阶面下泄水流的消能要求，而且根据多年的经验，在改进后的流量下，消力池会存在缩短的可能性，因此，需要保障消力池长度缩短范围在4～6m以内，也就是保证消力池长度在36～34m范围内，才能保证底板高程1406.40m不变[5]。另外，为了保障科学的水位，在消力池的设计中，应该在已经修改过后的消力池底板基础上，再降低过水断面的边墙1m，促使消力池的底板高程为1405.40m，这样便可以实现在校核库水位下泄149.67m3/s的条件下，消力池基本可以满足该泄量所需要的消能，完成消能防洪工作[6]。另外，考虑到吉尔格勒德水利枢纽工程的防洪功能，需要将消力池的体型设计需要根据不同工况来决定。总之，修改过后的消力池流态，更加满足吉尔格勒德水利枢纽工程消能防洪需要。

3　结　语

台阶式溢流洞具有较高的消能防洪性能，而且其消能率与单宽流量以及台阶尺寸有着密切的联系，在台阶的尺寸保持一定时，小流量工况其消能率较高。总之，台阶式溢流洞所起到的消能防洪作用是显而易见的，该设计广泛的应用与各大实际工程中，而且它是一种发展前景十分光明、发展市场十分广阔的新型消能防洪设施。文章以吉尔格勒德水利枢纽工程中台阶式溢流洞的设计、建设为例，浅谈台阶式溢流洞的效用，可能存在一定的片面性，但是不能忽视其研究价值，期望能够产生一定的指导意义。

[1]王辉,刘晖,罗进红，等.沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究[J].人民长江,2013,44(8):90-93.

[2]井德泉,刘佳佳.吉林省柳河时家店水库溢洪道的设计[J].产业与科技论坛,2013,12(21):83-84.

[3]田嘉宁,李建中,高桥正行，等.治沟骨干工程台阶式泄水建筑物的消能防冲研究[J].水土保持通报,2005,25(02):1-4.

1007-7596(2016)06-0083-02

2016-03-17

万康飞(1982-)，男，河南太康人，工程师，研究方向为水利水电工程设计。

TV653

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