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環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

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     摘要:利用旋流場(chǎng)理論分析,大膽、巧妙地將環(huán)型堰與消力井相結(jié)合,采用簡(jiǎn)便可行設(shè)置防渦墩和外防渦墻的環(huán)型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻,水力條件較為復(fù)雜的泄流和消能問題。再經(jīng)兩個(gè)水文年的溢洪實(shí)踐,表明該設(shè)計(jì)與研究在滿足泄洪和消能方面均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。并比常規(guī)的設(shè)計(jì)可節(jié)約工程投資的1/4∽1/3;而且更為安全可靠。對(duì)在城市防洪排澇;中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中;山區(qū)狹長(zhǎng)水庫(kù)行近流速比較大或切向流速比較大的水庫(kù)中,均具有良好的推廣價(jià)值。

  關(guān)鍵詞:環(huán)型溢洪道 旋流 消能 防渦設(shè)施 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

  一、工程概況

  貴陽(yáng)市貫城河是一條由北向南縱貫貴陽(yáng)市城區(qū)的河流,流域面積為21Km2,為山區(qū)雨源型小河流,洪水由暴雨形成;洪水具有峰量集中,漲峰歷時(shí)短的特點(diǎn)。城市的發(fā)展導(dǎo)致地面硬化,水流下滲量減少,加大短時(shí)地表徑流。由于歷史的原因,貫城河河道過水?dāng)嗝鏈p小,阻水建筑物多,河道行洪能力差,加上局部河段地勢(shì)低洼,致使上游地區(qū)及市區(qū)暴雨強(qiáng)度較大時(shí),極易形成內(nèi)澇,尤以噴水池附近地區(qū)最為嚴(yán)重,給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。 為解決貫城河的水環(huán)境問題,擬在化龍橋附近修建一條排污分洪隧洞。

  工程的主要任務(wù)是分泄化龍橋以上河道汛期大部分洪水,提高噴水池附近繁華商業(yè)區(qū)的防洪能力。樞紐工程由環(huán)型溢洪道、隧洞等兩大部分組成,其最大排洪量為100m3/s.二、進(jìn)口方案比較 由于貫城河貫穿貴陽(yáng)市,為減少洪水對(duì)市中心的影響,該工程進(jìn)口位置只能選擇在人口較密、商業(yè)較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規(guī)劃用地的限制;并結(jié)合隧洞的選線,進(jìn)口只能選擇化龍橋上游距聯(lián)云橋約60m的上游河段上。分洪隧洞的進(jìn)口引渠與貫城河河道呈83°的交角;該河道河槽底部高程1062m,設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為V0=4.97m/s,這有別于水庫(kù)近似V0=0m/s行進(jìn)流速。加之出口處南明河河道河床高程1041m左右,進(jìn)出口高差近21m.泄洪流量較大,這給進(jìn)口的設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。在布置設(shè)計(jì)時(shí)研究過三種可能的布置形式:

  1、豎井式溢洪道 傳統(tǒng)的豎井式溢洪道由環(huán)型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進(jìn)口四部分組成。其消能機(jī)理是,當(dāng)環(huán)型堰進(jìn)口曲線下端的高速水流脫離井壁時(shí),挾帶空氣射入消力井中,與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據(jù)其消能機(jī)理在布置設(shè)計(jì)其需要一段較長(zhǎng)的漸變段、豎井、彎管來控制水流,使水流在其中充分消能。

  2、環(huán)型溢洪道 環(huán)型溢洪道由環(huán)型堰、消力井和消力井三部分組成。

  與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管,增加了消力井。其消能機(jī)理是,經(jīng)過引渠引入的水流,進(jìn)入環(huán)型堰進(jìn)口時(shí),在環(huán)型堰曲線下端形成高速射流,脫離環(huán)型堰壁后,挾帶空氣射入消力井中,與消力井的水墊相互碰撞消能。

  3、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能采用龍?zhí)ь^式實(shí)用堰引流,使水流進(jìn)入消力池消能。豎井式溢洪道與環(huán)型溢洪道相比雖然工程投資相當(dāng),但其水墊較淺,消能效果沒有環(huán)型溢洪道的好;再加上受漸變段、豎井,尤其彎管的曲率半徑R不能滿足2-5倍控制段直徑要求,使得輸水隧洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的流態(tài),甚至在彎管部位會(huì)出現(xiàn)很大的負(fù)壓。而環(huán)型溢洪道正好克服了這些缺點(diǎn)被確定為實(shí)施方案。環(huán)型溢洪道與龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%.綜上所述,從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益上分析,采用較安全可靠的環(huán)型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能均節(jié)約投資1/4∽1/3,并減少占地約40%.而且更為安全可靠,大大降低泄洪的聲響及水霧,尤其處于城市的繁華中心區(qū),其本工程的建成不僅大大提高貫城河一帶的防洪能力,工程的建成并不對(duì)周邊的環(huán)境帶來不利的影響。

  三、環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)

  該工程按200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)的規(guī)定,本工程等別為II等,環(huán)型溢洪道等永久建筑的級(jí)別為2級(jí)。環(huán)型溢洪道由引渠、環(huán)型堰、消力井三部分組成。

  1、環(huán)型溢洪道的理論分析

  由于本工程地處市區(qū)內(nèi),受其用地的限制,進(jìn)口引渠位于距河道轉(zhuǎn)彎上游凸岸一側(cè)的約25m的河道上,該處河道水流流速約4m/s,使得進(jìn)口引渠的水流有偏流現(xiàn)象,水面高差0.5∽0.8m.由于偏流的存在,環(huán)型溢洪道水力學(xué)參數(shù)的求解必須借助于旋流理論根據(jù)質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒導(dǎo)出的連續(xù)性方程與動(dòng)量方程(又稱N-S方程):

  2、環(huán)型堰設(shè)計(jì)

 ?。?)定型水頭的確定 現(xiàn)行《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000明確規(guī)定:當(dāng)采用低堰時(shí)其定型水頭取Hd=0.65∽0.85Hmax,結(jié)合本工程大多數(shù)情況是在低水頭運(yùn)行和洪水有陡漲陡落的特點(diǎn);同時(shí)考慮到引渠內(nèi)有4 m/s左右的的初始流速,為增加泄流量,確定采用定型水頭Hd=0.808H max的定型水頭。

 ?。?)圓形控制段半徑的計(jì)算 已知該工程的該工程的分洪流量為100m3/s,根據(jù)堰流流量公式。

 ?。?)堰面曲線的設(shè)計(jì)

  根據(jù)進(jìn)口處的實(shí)際地形條件環(huán)型溢流堰布設(shè)為低堰,堰高Hp=0.5m.堰面曲線的設(shè)計(jì)象一般實(shí)用堰和豎井式溢洪道一樣,環(huán)型堰的形狀(漏斗段)是根據(jù)銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m,根據(jù)Hp/R及定型水頭Hd查文獻(xiàn)1上的相應(yīng)表可得的堰面曲線坐標(biāo)。

  3、消力井的初步設(shè)計(jì) 現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SD134-84規(guī)定,混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷,噴錨襯砌的允許流速,一般不宜大于8m/s.根據(jù)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換原理可求得本工程跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s.大于噴錨襯砌的允許流速,接近高速水流的范疇。為減少對(duì)隧洞的沖刷降低流速,必須采取消能措施進(jìn)行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據(jù)跌落進(jìn)池中水流共軛水深和水躍長(zhǎng)度初步確定,經(jīng)計(jì)算本工程的共軛水深為4.6m;水躍長(zhǎng)度6.4m.考率到本工程的進(jìn)口流態(tài)較復(fù)雜,為工程的安全,在布置設(shè)計(jì)時(shí)考慮充分的消能率池深取為5.21m,直徑為8.6m.

  因此,還需用水力試驗(yàn)來加以研究確定,并為類似的工程提供一個(gè)比較簡(jiǎn)單易懂的數(shù)據(jù)。

  4、理論消能率的計(jì)算 消能率是評(píng)價(jià)消能工消能效果的一個(gè)指標(biāo),其等于經(jīng)過消能的能量損失與泄洪隧洞進(jìn)口段總能量之比;而經(jīng)過消能的能量損失等于該泄洪隧洞進(jìn)口段總能量減去隧洞進(jìn)口段總的能量之和。經(jīng)計(jì)算隧洞洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為4.1m/s,則消力井的理論消能率為73%.以就是說跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流,在進(jìn)洞時(shí)其流速接近洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為4.1m/s,則表明消能較好。在工程布置時(shí)還需研究合理可行的消能放渦設(shè)施。以用于提高其消能率。

  四、試驗(yàn)研究環(huán)型溢洪道是一種新泄洪方式,工程實(shí)例較為少見。

  對(duì)于偏流現(xiàn)象目前還不能對(duì)之進(jìn)行較為精確的水力學(xué)計(jì)算。亦不能計(jì)算進(jìn)口河道偏流對(duì)環(huán)型堰泄流能力的影響;以及為對(duì)防渦設(shè)施的進(jìn)一步研究,為樞紐建筑物的結(jié)構(gòu)布置提供試驗(yàn)依據(jù)。這也是進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的目的。

  試驗(yàn)主要研究泄洪隧洞單獨(dú)泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067.00m時(shí),泄洪隧洞單獨(dú)泄洪最大泄流量100.00m3/s,泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時(shí),最大泄流量140.00m3/s,下游河道控制流量40.00m3/s,泄洪隧洞泄洪流量100.00m3/s.水工模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為正態(tài)模型,幾何比尺采用1:20,滿足糙率相似。經(jīng)過對(duì)五種方案的試驗(yàn)研究,實(shí)測(cè)了模型中的各種水力參數(shù)、流態(tài)和消能特性,并為工程設(shè)計(jì)推薦了一個(gè)比較合理的方案。

  1、進(jìn)流水力特性本工程引渠方向與河道呈83о的交角,使得行近水流具有較大的初始環(huán)量,造成進(jìn)流流速分布極不均勻,引渠左右流速差達(dá)4.00m/s.且存在較大橫向水面差,橫向水面差值為0.5~0.8m.并且在進(jìn)口上游無任何調(diào)節(jié)及穩(wěn)流設(shè)施,水流從河道經(jīng)寬頂堰直接進(jìn)入環(huán)型溢洪道,致使水流流速較大,高達(dá)8m/s,極大影響了進(jìn)流流態(tài)。若不采用防渦設(shè)施或采用不當(dāng),將會(huì)使環(huán)型溢洪道的下泄水流產(chǎn)生較強(qiáng)的豎軸吸氣旋渦,產(chǎn)生巨大的聲響。同樣由于環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)流分布極不均勻,在環(huán)型溢洪道面上產(chǎn)生局部負(fù)壓,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)極為不利,嚴(yán)重降低了環(huán)型溢洪道的泄流量,使上游河道水位大幅度升高。

  在泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪方式時(shí),由于下游河道泄流,環(huán)型溢洪道引渠進(jìn)口水流的主流下移,致使進(jìn)口的進(jìn)水角增大,增大了行近水流的初始環(huán)量,加劇了環(huán)型溢洪道的橫向繞流,最大橫向繞流流速達(dá)10.89m/s,水流流態(tài)更加紊亂,同樣若不采取工程措施,將會(huì)使得豎向環(huán)型溢洪道在聯(lián)合泄流時(shí)較單獨(dú)泄流時(shí)的泄流量要低。

  2、防渦設(shè)施的確定 該工程環(huán)型溢洪道來流流速較大,偏流現(xiàn)象嚴(yán)重,流速分布極不均勻,在環(huán)型溢洪堰前產(chǎn)生較大的橫向繞流,水流流態(tài)更加紊亂,影響泄流。設(shè)計(jì)時(shí)擬在堰頂上布置了四個(gè)防渦墩的工程措施,但對(duì)于其防渦效果如何,還需進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行研究。

  (1)不設(shè)防渦設(shè)施 不設(shè)防渦設(shè)施時(shí),由于受到上游來水極不均勻的影響,在環(huán)型溢洪道前產(chǎn)生較大的橫向流速,導(dǎo)致水流的旋轉(zhuǎn),隨著流量的增加進(jìn)口漩渦直徑及強(qiáng)度亦逐漸加大,溢流能力較低。在流量Q=61.00m3/s環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流時(shí),進(jìn)口旋渦直徑5.60m,并伴隨著巨大的聲響,上游河道水位1067.14m,已超過最高防洪水位。

 ?。?)環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩,墩與墩之間夾角12,墩的位置經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整確定,1#墩軸線與引渠對(duì)稱中線的夾角25。

  受水力條件的影響,環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流,流態(tài)紊亂,環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí),上游河道水位1066.24m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí),環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為10.89m/s,上游河道水位1067.42m,超過校核水位0.42m.

 ?。?)環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩,墩與墩之間夾角90о,1#墩軸線與引渠對(duì)稱中線的夾角45о(該方案為原設(shè)計(jì)方案)。在環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流,流態(tài)紊亂,環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻,在環(huán)型溢洪道上游的右側(cè)1#防渦墩下游溢流面上產(chǎn)生負(fù)壓,最大負(fù)壓值為1.25mH2O.在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí),上游河道水位1066.30m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí),上游河道水位1067.50m,超過校核水位0.50m.

 ?。?)設(shè)3個(gè)防渦墩和1個(gè)外防渦墻 根據(jù)在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩方案與設(shè)4個(gè)防渦墩的方案試驗(yàn)成果比較,選定在設(shè)3個(gè)周邊防渦墩方案的基礎(chǔ)上,經(jīng)不同位置和尺寸的比較試驗(yàn),在環(huán)型溢洪道的橫向?qū)ΨQ線上的右側(cè)邊墻布置一寬為1.90m的外防渦墻。

  外防渦墻截?fù)趿擞覀?cè)的較大偏向水流流速,減小了環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流流速,但環(huán)型溢洪道周邊還存在旋轉(zhuǎn)水流,流態(tài)紊亂,環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻,該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí),上游河道水位1066.18m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí),環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為5.34m/s,上游河道水位1066.88m,低于校核水位0.12m.

 ?。?)設(shè)3個(gè)防渦墩和2個(gè)外防渦墻 在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩、1個(gè)外防渦墻方案的基礎(chǔ)上,在環(huán)型溢洪道1#防渦墩的對(duì)稱沿長(zhǎng)線的邊墻上布置一寬為1.90m的外防渦墻,成為3個(gè)周邊防渦墩和2個(gè)外防渦墻方案(該方案為終結(jié)方案)。

  五、試驗(yàn)研究成果分析

  1、試驗(yàn)成果

  對(duì)貫城河排污分洪隧洞工程的進(jìn)口樞紐,進(jìn)行了五種大方案十余種防渦墩布置方案的試驗(yàn)研究,對(duì)于環(huán)型溢洪道要使來水均勻地進(jìn)入環(huán)型溢洪道,不發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng),僅僅具有適合的引水渠輪廓尚不能獲得成功,還要根據(jù)工程的具體水力邊界條件,必需采用相應(yīng)的防止漩渦的設(shè)施。環(huán)型溢洪道僅在周邊設(shè)置防渦墩方案與環(huán)型溢洪道周邊設(shè)置防渦墩和外防渦墻共同使用方案比較,在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流情況下,在Q=100.00m3/s時(shí),寬頂堰出口平均流速,左右側(cè)流速差從1.83m/s減至0.11m/s,在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí),寬頂堰出口平均流速,左右側(cè)流速差從4.04 m/s減至1.57 m/s,在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流Q=100.00m3/s時(shí),上游河道水位從1066.24m降至1066.18m,在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí),上游河道水位從1067.42m降至1066.38m,效果明顯。

  根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,將原設(shè)計(jì)環(huán)型堰上布置有4個(gè)防渦墩減少為3個(gè),為更好的防止渦流的產(chǎn)生,在引渠邊墻增加兩道防渦墻。試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)泄洪量Q=100m3/s時(shí),最大動(dòng)水壓力為18.6mH20,最大沖擊流速為8.7m/s;較入射水流流速V=16m/s減小了進(jìn)一半,基本滿足了噴錨襯砌的允許流速,一般不宜大于8m/s的要求。此時(shí)的消能率為58.2%,為理論消能率的80%,消能效果較為顯著;而且這種消能形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎易于布置。

  2、試驗(yàn)研究成果分析 鑒于水流邊界的特殊性和環(huán)型溢洪道是一項(xiàng)較為新穎的結(jié)構(gòu),國(guó)內(nèi)未見有類似的工程實(shí)例。對(duì)于防渦設(shè)施、消力井的布置沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。其中僅環(huán)型堰的孔口尺寸可以由堰流公式進(jìn)行計(jì)算。其于未見有較為明確的理論公式計(jì)算,為此本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究對(duì)此作了如下的分析工作。

  在布置設(shè)計(jì)時(shí)只要滿足消力井的長(zhǎng)是環(huán)型堰的0.8倍,深度為0.5倍,同時(shí)滿足落差的0.25倍;防渦墩和防渦墻是環(huán)型堰的0.2倍。即可滿足要求。大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),為今后的推廣應(yīng)用提供了方便。

  六、結(jié)語(yǔ)

  利用旋流場(chǎng)理論分析,結(jié)合工程實(shí)例大膽、巧妙地采用目前未見使用環(huán)型堰與消力井相結(jié)合,采用簡(jiǎn)便可行設(shè)置防渦墩和外防渦墻環(huán)型溢洪道的泄流消能方式。并經(jīng)試驗(yàn)加以論證,成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻,水力條件較為復(fù)雜的泄流和消能問題。再經(jīng)具體工程實(shí)例的兩個(gè)水文年度溢洪實(shí)踐,表明該工程設(shè)計(jì)與研究的布置型式在滿足泄洪和消能方面均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究成果,比常規(guī)的設(shè)計(jì)可節(jié)約工程投資的1/4∽1/3;而且更為安全可靠。大大降低泄洪的聲響及水霧,減少因工程的建設(shè)對(duì)環(huán)境的不利影響。本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究提出了簡(jiǎn)單易行的設(shè)計(jì)參數(shù)和成果。對(duì)在城市防洪排澇;中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中;山區(qū)狹長(zhǎng)水庫(kù)行近流速比較大或切向流速比較大的水庫(kù)中,均具有良好的推廣價(jià)值。

  參考文獻(xiàn)

  [1] 《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六卷,泄水與過壩建筑物,北京,水利電力出版社。

  [2] 《水流旋流器流場(chǎng)理論》,北京,科學(xué)出版社。

 
發(fā)布:2007-07-28 09:47    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁(yè)]    [關(guān)閉]
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