青草沙水库排水闸加大泄量后的消能防冲研究.pdf

水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第 1 2期 青草沙水库排水闸加大泄量后的 消能防冲研究 丁星星 ，谢 东 ( 1 河海大学 水利水 电学院，江苏 南京2 1 0 0 9 8 ；2 上海友为工程设计有限公司，上海2 0 0 3 3 3 ) 摘要 ：青草沙排水 闸增大泄量到 3 0 0 m s时下游将发 生远驱 水跃 ，现有 消力池 需要采取相应的 加 固措施。经水力计算和水槽试验 ，建议采 用海漫段定点抛投 四面体的海漫加糙 方式 ，四面体棱 长 l 1 1 1 ，呈梅花状布 置，顺水流和垂直水流方向，中心点间距与棱长之 比 2： l ，共布置 5排 ，其 壅 水 效果 与稳 定性 均 可 满足 要 求 。 关键词：青草沙排水闸；消能防冲；海漫加糙 中图分 类号 ：T V 6 5 3 ( 2 5 5 ) 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 l 3 ) 1 2 0 0 5 1 0 4 R e s e a r c h o n e n e r g y d i s s i p a t i o n a n d e r o s i o n c o n t r o l o f Q i n g c a o s h a S l u i c e a f t e r d i s c h a r g e i n c r e a s e DI NG Xi n g x i ng ， XI E Do n g ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e ri n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 S h a n g h a i Y o u w e i E n gi n e e ri n g D e s i g n C o ， L t d ，S h ang h a i 2 0 0 3 3 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e r e p e e d d o w n s t r e a m h y d r a u l i c j u m p w i ll o c c u r ， i f t h e d i s c h a r g e r e l e a s e d f r o m Q i n s c h a S l u i c e i n c r e a s e s t o 3 0 0 m 3 s ， a n d t h e n t h e c o r r e s p o n d i n g r e i n f o r c e me n t me a s u r e s mu s t b e a d o p t e d f o r t h e e x i s t i n g s t i l l i n g b a s i n T h r o u g h t h e h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n a n d l a b o r a t o r y fl u me e x p e rime n t c o n c e r n e d，i t i s s u g g e s t e d t o p l a c e c o n c r e t e t e t r a h e d mn s a t t h e fi x e d - p o i n t s f o r r o u g h e n i n g t h e a p r o n s e c t i o n t h e r e i n T h e e d g e l e n g t h o f t h e c o n c r e t e t e t r a h e d r o n i s 1 m a n d t h e y a r e a r r a n g e d wi t h t h e q u i n c u n c i a l l a y o u t a l o n g o r a c r o s s t h e fl o w d i r e c t i o n；o f w h i c h t h e r a t i o o f t h e s p a n b e t w e e n t h e c e n t e r a n d the e d g e l e n g t h i s 2： 1 a n d fiv e I O WS a r e a rra n g e d I n t h i s w a y ，b o t h t h e b a c k w a t e r e f f e c t a n d t h e s t a b i l i t y C an fi n a l l y me e t the r e l e v a n t r e q u i r e me n t Ke y wo r d s ：Q i n g c a o s h a S l u i c e ； e n e r g y d i s s i p a t i o n a n d e r o s i o n c o n t r o l ； a p ro n r o u g h n e s s i m p rov e m e n t 青草沙水库位于长江口北港进 口以下 ，长兴岛北 沿 ，是蓄淡避咸型水库( 见图 1 ) ，非咸潮期 自流引水 入库供水， 咸潮期通过预蓄水量来满足受水区域的原 水供应。青草沙水库主要通过西北端的上游水 闸引水， 通过东北端的下游水闸排水。排水闸总净宽 2 0 m，排 水控制流量为 1 5 0 IT I 。 s ，在长江 口潮位低于水库内水 位时排水 ，每天可排水时间约为 1 01 2 h 。为缩短水 库换排水周期 ，进一步降低水库水质恶化的风险 ，有 关部门决定充分利用排水闸现有排水能力 ，将排水闸 控制流量 1 5 0 m 。 s提高到 3 0 0 n l 。 s 。排水 闸加大泄 量后 ，水闸下游 的水流衔接形态发生变化 ，将导致长 江侧现有的消能防冲设施无法满足消能要求 ，需要开 展排水闸加大泄量后的消能防冲措施研究 。本文拟通 Wa t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o w e rEn g i n e e r i n g V o 1 4 4 No 1 2 过水力计算和水槽试验 ，探索一种经济高效的消能防 冲措施 ，确保水库的安全运行。 1 加大泄量后闸下水流衔接形态 排水闸下游长江侧现有消力池采用扩 散式消力 池 ，其布置形式如图2和图 3所示 。消能设计水位组 合上游侧水位 ( 库水 位) 为 4 0 m，下游 长江侧水位 0 8 9 m。水闸泄量加大后闸下水流衔接形态的判别可 以用闸下水跃跃后水深与下游水深进行 比较 ，具体计 算如下 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 9 1 0 作者简介 ：丁星星( 1 9 8 7 一 ) ，男 ，硕士研究生。 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 丁星星， 等青草沙水库排水闸加大泄量后的消能防 中 研究 图 1 青草沙水 库泵 闸工程位置示意 r o=h + ， at l l ( 1 ) = 等 【豫一 消力池中跃前水深 h 由式 ( 1 ) 试算得到，跃后水 深由式 ( 2 ) 计算 ，其 中 a为水 流动能校正 系数 ，取 0 1 。经试算可得 h =1 2 7 3 m，h ” = 4 2 5 7 m，此时 消力池末端水深 t =3 9 9 m，由此可知跃后水深大于 消力池末端水深 ，加大泄量后闸下将发生远驱式水 跃 ，需要采取相应的消能加固措施 。 图2 长江侧消力池平面( 高程单位：m；尺寸单位：mm) 2 消能防冲加固方案分析 水闸泄量加大后 ，下游长江侧现有的消能设施 已 5 2 图 3 长江侧消力池剖面( 高程单位 ：m；尺寸单位 ：m m) 无法满足加大排水流量后的消能要求 ，因此需要采取 工程措施来提高消能效率。青草沙水库作为已建成投 入使用的水利工程 ，新的消能方案应在不破坏水闸原 有结构的条件下制定 ，归纳起来有三种主要措施 ：筑 堰壅水、海漫衬垫和海漫加糙。 2 1 筑堰壅水 基于堰顶水头与流量的关系 ，在海漫始端或海漫 末端筑堰壅水 ，抬高池后水深，使之大于跃后水深。 海漫始端筑堰可与原有 的消力池共同构成综合式消力 池 ，根据水力计算 ，在消力池末端筑高度为 0 5 m的 梯形堰 ，消力池末端水深壅高到 4 6 m，可保证消力 池 内形成淹没水跃。海漫末端筑堰与海漫始端筑堰壅 水过程有所不 同：其一 ，后者堰体位于急流区，水流 遇堰向上跃起 ，产生壅水 ；前者堰体位于缓流区，水 流遇堰水面降落 ，在 同一泄量下 ，随堰体 高度增加 ， 水面降落至临界水深不再降落 ，此时堰体再增加 ，上 游开始壅水。其二 ，海 漫末 端筑堰壅水有一滞后过 程 ，因而存在初始泄流时段。在初始泄流时段 ，只能 按原设计安全泄量 1 5 0 m s开始泄放 ，待海漫始端 壅水达到相应高度方可增大泄量至 3 0 0 m s 。根据试 算 ，满足海漫始端水深要求 的堰高为 2 9 3 m，由于 堰过高 ，堰后发生水面跌落。计算表明，海漫末端筑 堰要求的堰高较大 ，这是因为海漫段无论是平面上 ， 还是垂向上均呈扩散形态 ，槽蓄能力较大，要在海漫 末端筑堰壅水就需要较高的堰体。 2 2海漫加糙 海漫加糙可以提高海漫床面阻力 ，水流为克服阻 力需要消耗一定的能量 ，当水流所具有的能量不足以 克服水流阻力时 ，水面就会壅高 ，水面坡降增大 ，以 增加水流重力沿流动方向的分量。因此 ，海漫加糙一 方面促使池后水深增加 ，使之大于跃后水深 ；另一方 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第1 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 面，加速水流扩散 ，调整垂线流速分布 ，减少水流冲 刷 力 。 2 3海漫 衬垫 海漫衬垫是在原有海漫上加设护底结构 ，加设海 漫衬砌后可以提高海漫的抗冲刷能力。文献 1 介绍 了在海漫表面黏附一层塑胶 防滑垫 ，海漫冲坑减少 1 2 ，文献 2 介绍 了葛洲坝枢纽下游河床护底结构 形式 比选的试验成果 ，参 与 比选的护底 结构形式有 三种 ：混凝 土系结块软体排 、土工织物充填袋 和块 石 ，汛期期 间混凝 土系结 块软体 排 区域基 本稳 定 ， 对河床有较好 的保护作用 ，护底后基本不 冲，稳定 性 较 好 。 2 4小结 上述三种方案 中，海 漫衬 垫施工 复杂，造价较 高；海漫始端筑堰可保证消力池 内形成稍许淹没的水 跃，但过堰水流仍存在一定的余能，需要进一步的消 能措施 ；相 比之下 ，海漫加糙施工较为简便 ，造价相 对较低 ，但海漫加糙效果与加糙体材料 、形态 、阻水 面积和抛投密度有关 ，理论求解还存在一定困难 ，需 要通过水槽试验进一步论证 。 3 海漫加糙块体壅水试验 3 1 试验装置与方法 试验设备为 自循 环变坡水槽 ，水槽长 1 0 m，宽 0 3 m，高 0 4 5 m。水槽 两侧 为透 明玻 璃 ，底 部为 P V C有机玻璃板 。加糙块体选用 四面体块体 和立方 体块体 ，棱长均为 5 c m。加糙段位于水槽前半部分 ， 糙体呈梅花状布置 ，顺水流和垂直水流方 向，中心点 间距与棱长之比为 2： 1 。试验时先将水槽 中水流调成 均匀流 ，然后铺 上糙体 ，量测 水槽水面线 的变 化情 况。水面线 由测针量测 ，流量采用三角堰量测 。 3 2试 验成 果与分 析 试验表明，铺人糙体后 ，加糙段上游水位抬高 ， 形成壅水 曲线，加糙段下游水 位跌落 ，形成 降水 曲 线 ，因此取加糙段首端水深计算水位的壅高值 。对于 一 定形态的糙体和布置方式 ，水位壅高值通过 因次分 析 ，可得到以下无因次表达形式 h h - f ( A h 。 ，F r ，n ) ( 3 ) ， 0 式中，为糙体高度 ；h为加糙段首端水深；h 。 为未 加糙时均匀流水 深；F r = 。 为未加糙时水流佛 汝德数 ，其中 u为未加糙时均匀流平均流速 ，g为重 力加速度 ，凡为加糙段糙体排数 ，实验成果分别见 图 4图 7 。 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 1 2期 S S 丁星星， 等青草沙水库排水闸加大泄量后的消能防冲研究 图 4不同排数四面体 糙体 水位雍高 图 5 不 同排数立方体糙体 水位 雍高 以 图 6 n= 5排四面体 糙体 不同相对水深情况下水位雍高 S A I h 图7 几= 5排立方体糙体不同相对水深情况下水位雍高 图4和图 5分别为以糙体相对高度 A h 。和佛汝 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 丁星星， 等青草沙水库排水闸加大泄量后的消能防冲研究 德数 F ， 为参数 ，点绘糙体排数 n与相对壅水高度 ( h h 。 ) h 。的相关曲线 ，其中图 4为四面体相关 曲线 ， 图 5为正方体相关曲线 。可以看出，随加糙体排数的 增加 ，加糙段首端相对壅水高度逐渐增加 ，但 当加糙 体排数增加至 5排时，相对壅水高度增加 幅度变缓 。 同时 ，对比图 4和图 5 ，立方体糙体的相对壅水高度 略大于 四面体糙体。 对给定排数 凡= 5 ，图 6和图 7分别表示 以佛汝 德数 n 为参数 ，两种糙体相对高度 A h 。与相对壅水 高度( hh 。 ) h 。的相关曲线 。可知 ，当水流佛汝德 数一定时 ，随糙体相对高度 A h 。 增加 ，相对壅水高 度也增大。当糙体相对高度 一定时，相对壅水 高度随佛汝德数增大而增大。 上述试验成果分析表 明，对给定 的糙体布置方 式 ，只要水流佛汝德数大于 0 6，糙体相对高度大于 0 3 5 ，糙体排数大于 5，则加糙块体无论是正方体还 是 四面体 ，其相对壅水高度均大于 0 2 ，满足青草沙 水库排水闸加大排水流量后消力池内形成淹没水跃的 要求。但四面体较正方体节省混凝土方量 ，自重相对 较小 ，在水流作用下的稳定性需要复核。 4 加糙块体的稳定性分析 单个块体失稳 的起动流速可利用力 的平衡计算。 在水流的作用下 ，块体所受作用力有 水流推力 = A p C ( 4 ) 上举力 P = A r p C ( 5 ) 块体浮重力 G=v ( p - p ) g ( 6 ) 摩擦力 F = GP ) ( 7 ) 式 中，u为水流速度( m s ) ；A 为块体顺流 向投影面 积( m ) ；A 为块体底部面积 ( m ) ；P 为水 的密度 ， 取P =1 01 0 k g m ；P 为块体 密度 ，P =2 4 1 0 k g m ；C 为推力系数 ，一般 取 0 4 ；C 为上举 力系数 ，一般取 0 1 ； f为摩擦 系数 ；V为块体体积 ( m ) ；g为重力加速度 ，取 9 8 1 m s 。 当 P =F 时 ，流速 u为块体的起动流速 ，即 ( 8 ) 假设抛投块体为正四面体 ，棱长为 口 ，则 四面体 顺流向投影面积、底面积 、体积分别为 譬 。 2 ， 字 n 2 ， 1 17 9 。 3 则 ( 9 ) r f_- 0 1 “=1 6 4 4 m s = 0 2 5，M=2 5 3 1 6 m s t f= 0 5 = 3 4 2 m s 5 结论与建议 参考文献 ： 1 史国庆 ，文恒 ，等 闸下海 漫柔性 加糙体 消能防 冲机理试 验 J 水利水 电科技进展 ，2 0 1 1 ( 5 ) 2 牛兰花，张小峰，李云中葛洲坝枢纽下游河床护底结构型式 比选试验 J 武汉 大学学报 ，2 0 0 8 ( 1 ) 3 华东水利学院 水 闸设计 M 上海 ：上海科 学技术 出版社 ， 1 9 8 3 4 王世夏 水工设计的理论 和方法 M 北 京：中国水 利水电出 版社 ，2 0 0 0 5 河海大学 芦潮港水闸水工模型试验研究报告 R 南京 ：河 海大学 ，2 0 0 3 ( 责任编辑陈小敏) 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第l 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m