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同学们大家好

本节课我们学习泄水重力坝的消能防冲设计

所谓消能防冲

就是通过局部水力现象

把水流中一部分动能转换成热能

随水流散逸

防止下泄水流对下游造成冲刷破坏

如图所示是某重力坝泄洪时的场景

可以看出

下泄水流体积大、流量高、速度快

携带着巨大的能量

如果不能妥善处理

水流砸入下游

势必导致下游河床被严重冲刷

甚至造成岸坡坍塌和大坝失事

所以

消能措施的合理选择和设计

对枢纽布置、大坝安全都有重要意义

消能时

动能转换成热能

实现这种转换的途径有

水流内部的紊动、掺混、剪切及漩滚

水股的扩散及碰撞

水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击

水流与周围气体的摩擦和掺混等

消能设计的原则有以下4个方面

1、尽量使下泄水流的大部分动能消耗在

水流内部的紊动以及水流与空气的摩擦上

2、下泄水流不产生危及坝体安全的河床或岸坡冲刷

3、下泄水流平稳

不影响枢纽中其他建筑物的正常运行

4、消能工的结构简单

工作可靠

工程量小

工程中常见的消能工型式有4种

挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能

以下分别介绍

1、挑流消能

挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎

将下泄急流挑向空中

然后落入距离建筑物较远的河床

并与下游水流相衔接

其能量的耗散在于

水流沿固体边界如溢流面

鼻坎、泄水孔孔壁等的摩擦消能

射流在空中于空气摩擦、掺气、扩散消能

射流落入下游水中的紊动扩散消能

以及与河床的摩擦消能

挑流消能的设计内容主要有

选择挑流鼻坎的型式

确定鼻坎高程、反弧半径和挑角

计算挑距和下游冲刷坑的深度

鼻坎的型式可以采用连续式

差动式、扩散式、扭曲式等

如图所示

连续式体形单一

结构简单

采用较多

差动式可以做成矩形差动式

也可以做成梯形差动式

齿、槽相间分布

射流挑出时上下分散

在空中的分散作用充分

增加了与挑坎固体边界和空气的摩擦

消能效果较好

但是齿、槽结构复杂

形状突变处易产生空蚀破坏

因此

需提高齿槽强度

或设置空气孔来掺气

扩散式挑坎沿流程逐渐变宽

左右边墙对称

射流的横向扩散充分

可以提高消能效果

对于斜挑坎和扭曲式挑坎

两侧边墙长度不同

利用坎顶射流起点和挑角的不同

可以控制射流的入水位置

使得射流扩散并转向

适用于岸边泄水时将水流转向泄入下游河道

此外

在鼻坎尾部

还可以做成窄缝式

增加分流墩

或采用高低坎等

其技术思路均在于提高射流的

水平向或竖直向的分散程度

增加与过流面和空气的摩擦消能

或采用不同水股之间的对撞消能

以及泄入下游时与河床水体的摩擦旋滚消能

对于挑角

一般希望挑射距离远离坝脚

很明显

鼻坎的挑射角度在45°范围内越大

其挑射距离越远

但是

挑角越大

水舌落入下游的入射角度也越大

造成较深的冲刷坑

对下游河床不利

实际工程中

根据实验和工程经验

鼻坎的挑角一般采用20~30°

另外

鼻坎坎顶一般应高出下游水位1~2m

鼻坎的反弧半径R

一般采用8~10倍的鼻坎上的水深

使得水流转向平顺

且鼻坎尽量较短

以减小工程量

水流的挑距L的计算如图所示

可以采用经验公式

挑距与射流的初速度、挑角、鼻坎

与下游水位的高差等因素相关

冲刷坑深度的计算也采用经验公式

与下泄单宽流量q

作用水头H、冲坑系数α有关

冲坑系数α与基岩条件相关

基岩质量越好

冲坑系数越小

挑流消能的特点在于

工程量小

造价节省

使用最为广泛

下游冲刷坑较大

可能影响下游坝基安全

雾化严重

影响下游岸坡、建筑物的安全

2、底流消能

如图所示

底流消能是通过水跃产生的表面漩滚

与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用

将泄出的急流转变为缓流

以消除多余的动能

其特点是

流态稳定

消能效果好

水流雾化小

但下游较长的范围内水力学条件恶劣

消力池或护坦较长且易受到破坏

造价较高

为增强底流消能的效果

还可在消力池内设置辅助消能工

辅助耗散能量

如图所示设置了趾墩、消力坎、尾坎

进一步增加底流的紊动、旋滚和摩擦消能效果

但辅助消能工本身水力学条件恶劣

易遭受破坏

需经常维护

3、面流消能

如图所示

面流消能是利用鼻坎将主流挑至水面

主流下面形成流速较低的漩滚

主流在水面逐渐扩散消能

其特点是

主流与河床隔开

河床冲刷小

一般无需加固

不设护坦

但下游水面波动较大

不利于通航

4、消力戽消能

如图所示

在下游河床水下设有戽斗

水流在戽斗内形成漩滚

再在戽斗后形成面流

其特点是

挑流鼻坎淹没在水下

不能形成自由水舌

主流在表面

可减轻河床冲刷

对以上几种消能型式进行对比

如表格所示

挑流消能的下游冲刷坑较深

工程量最小

适用于尾水较深

基岩坚固的中、高水头情况

在高坝中应用最为广泛

底流消能的下游冲刷较少

但工程量较大

适用于下游尾水较浅的情况

多用于中、小工程

面流消能对岸坡冲刷较大

工程量较小

适用于尾水深、水位变幅不大的情况

多用于中、小工程

实际工程中

随着坝工建设的迅速发展

出现了多种新型消能工以及联合消能方式

如图所示

可做成台阶式溢流面

利用水流与台阶的摩擦消能

可在溢流面中部设置宽尾墩

增强水流的竖直向扩散

并联合溢流面尾部的挑坎消能

也可以做成T形墩

增加固体边界

增强水流与消力墩的摩擦消能

另外

还可采用多种泄水建筑物的联合消能

如采用表孔、中孔、底孔

或者另外设置溢洪道

泄洪隧洞等

以及采用不同型式消能工的联合

如挑流+宽尾墩等

而不同的消能型式

其目标是一致的

都是使得水流的能量得到最大程度的消散

减少落入下游的能量

减轻对下游的冲刷

除了能量的耗散

实际工程中

还需要注意平面上

对下游水流流态的控制

如图所示

由于水流产生了回流、折冲水流

延长了消能的长度

造成河床及岸坡冲刷

且可能影响厂房尾水出口水位及发电效率

影响航运等

所以需要采用各种措施降低上述不利影响

常用的措施有

保持下泄水流与原河流主流一致

控制闸门操作

保证均匀或对称开启

以及布置如图所示的导流墙等

例如三峡重力坝

将溢流坝段设置在河床中部

使得下泄水流与下游河道平顺连接

迅速流走

降低对两岸的冲刷

减轻对厂房坝段尾水的影响

在船闸下游航道设置导流墙

将通过坝体的下泄水流

与航道内的水体隔开

防止下泄水流的强烈波动

对航运安全造成不利影响

前面提及

不良的泄水建筑物体形和水力设计

可能造成空蚀空化

以下对高速水流的空化

和空蚀问题进行简要介绍

所谓空化

即高速水流在某些部位的水压力下降

当水压力强度降低至饱和蒸汽压时

水流中含有的气核迅速膨胀为小空泡

这种现象称为空化

而当低压空化水流流经下游的高压区时

小空泡迅速溃灭

产生很高的局部冲击力

引起坝面破坏

称为空蚀

国内外工程经验和试验结果表明

一般当水流流速超过15m/s时

就有可能发生空蚀

如图所示

阴影部位为溢流面

和泄水孔中易发生空蚀的部位

多在反弧段前端、闸门附近等

水压力明显降低或水流流态较差的部位

那么

避免空蚀破坏的措施有哪些呢

可以通过调整溢流面的体型

来降低空蚀破坏的可能性

比如采用比自由射流的下水舌线高的溢流面

增加水压力

其代价是流量系数减小

也可以控制溢流面的不平整度

使其更加光滑平顺

减小水流的紊动强度

降低空化空蚀的概率

根据工程经验

规范规定的不平整度的

控制标准如表格所示

可采用垂直水流流向

和顺水流流向的磨平坡度

两个参数来进行控制

实际情况表明

当流速高于30m/s时

完全依靠不平整度的控制

来降低空蚀破坏的难度较大

效果有限

还需要采取其他措施

常用的措施为掺气

在易空蚀部位之前掺气

减少空化空蚀的发生

掺气需设置如图所示的掺气槽、通气孔等

保证足够的通气空间

掺气后对下游的保护范围一般约为70~100m

值得注意的是

掺气抬高了水面线

需增加导墙、隔墩的高度

此外

也可以采用高强度的抗冲耐磨混凝土

或在混凝土中掺入钢纤维等

增强其抗冲耐磨性能

降低空蚀破坏的可能性

总体来说

选择合理的消能型式

采用合适的设计参数

做好空蚀的防治措施

提高设计施工的质量

可以保证泄水建筑物的泄水安全