高台阶消能式溢洪道在碾压混凝土坝中的应用.pdf

2 0 1 4年第 3期 ( 第4 2卷) 黑龙江水利科技 He i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 3 2 01 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 1 7 40 3 高 台阶消能式溢洪道在碾压混凝 土坝 中的应 用 代彬， 曹骏， 陈章淼 ( 贵州省水利水 电勘测设计研 究院， 贵 阳 5 5 0 0 0 2 ) 推广应用 口口口口口口 摘要： 在过去的几十年里 ， 高台阶式溢洪道已经成为一种常用的安全泄洪方式。在高台阶式 溢洪道中， 水流沿着溢洪道表面的台阶流动 ， 明显地提高消能率 ； 因而， 减少了下游消力池的规 模和费用。文章论述了高台阶溢洪道在碾压混凝土坝上的应用 ， 并结合水力模型和工程实践 验证， 为台阶式溢洪道在碾压混凝土坝上推广应用提供了有益的经验。 关键词： 高台阶溢洪道； 水流流态； 掺气； 水深 ； 消能； 模型试验 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： A 1 台阶式溢洪道在碾压混凝土坝中的应用 现状 随着筑坝的迅速发展 ， 台阶式溢洪道在碾 压混 凝土坝( R C C ) 上得到了广泛应用。美 国的上静水坝 是世界上第一个采用 R C C台阶式溢洪道 的工程 ， 我 国的贵州索风营水 电站、 广东 乌石拦河闸工程、 湖南 江娅 R C C大坝都运用了台阶溢洪道 。表 1为台阶式 溢洪道在国内外 已建成投入运行的典型实例。 表 1 台阶式溢洪道典型实例 2 台阶溢 洪道水 流流态的理论分析 台阶式溢洪道 的水 流流态可分成 3类 ， 即滑行 水流 ， 过渡水流和跌落水流 。各 流况形成领域见 图 1 。 当水流流过 台阶表面时 ， 各 台阶 内全部被水充 填 ， 没有空腔存在， 并在各 台阶隅角和主流之间形成 一 个横轴旋 涡， 靠 近主流处旋涡旋转方 向和 主流流 动方向一致 ， 这种水流称为滑行水流 ， 见图 2 ( a ) ； 在 各 台阶隅角与主流之 间总是有一个近似三角形空腔 存在 ， 空腔下为一近似梯形静水池 ， 流股出现较大 的 弯曲， 称为跌落水流 ， 见图 2 ( C ) ； 处于滑行水流和跌 落水流之间 ， 在一些 台阶内总是有类似 跌落水流 的 三角形空腔形成 ， 而在另一些 台阶内总是有类似滑 行水流的横轴旋涡形成 ， 并且这两种形 态沿 台阶向 下游交替存在于台阶表面与主流之 间， 定义为过渡 水流 J ， 见图 2 ( b ) 。台阶式渠槽流况见 图 2 。 3 哮天龙高台阶溢洪道布置 哮天龙水库位于贵州省六盘水市盘县接长江支 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 8 作者简介 代彬( 1 9 8 1 一) ， 男， 贵 州福泉人 ， 工程师， 从事水工结构设计工作； 曹骏 ( 1 9 6 8一) ， 男， 贵州贵 阳 人， 研究员， 从事水工结构设计工作； 陈章淼( 1 9 8 2 一) ， 男， 贵州黔西人， 工程师， 从事水工结构 设计 工作 。 - 1 74 - 2 0 1 4年第 3期 ( 第4 2卷) 黑龙江水利科技 He i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 3 2 01 4 ( T o t M N o 4 2 ) 型试验分析可看 出， 由于溢流曲线较陡 ， 而 台阶的高 度又过大 ， 在小流量情况下 ， 水流在台梯面上形成各 种程度的挑流 ， 造成台阶段水深较高 ， 并且挑射水 流 越过多级阶梯 ， 未能在阶梯上形 成有效 的具横轴旋 涡的旋滚 ， 消能效果差。 表 2 原方案溢流表孔水深成果表 注 ： 以上水深均 为铅 垂水深 。 Q = 4 5 n l s 及 Q = 6 0 n l s 两级流量下 ， 下泄水 流挑射 ， 部 分阶梯 上是没有水流 的， 有水流的阶梯上流态混乱 ， 故上表 未记录 0 + 1 0 m以下的水深。 5 采用方案水 流流态研究分析 5 1 采用方案台阶布置 为避免小流量情况下原方案台阶布置造成的跌 落水流， 采用方 案为在与堰 面曲线 相接 的 2级高 台 阶上设置小 台阶， 其 中第 1阶梯上设为 5级小阶梯 ， 每级高度为0 6 n l 、 宽度 为0 4 5 n l ； 第 2级 阶梯上设 置 3个小 阶梯 ， 高度分别 为0 9 n l 、 0 9 I n 、 1 2 n l ， 宽 度均为0 7 5 I n 。 通过小台阶 的过渡 ， 采用方案对小流量水 流先 形成滑行水流流态 ， 通过 2级 台阶后 ， 水 流势能转化 为动能。具 有一定 动能 的水 流流 态在惯性 的作 用 下 ， 水流就很难改变其流态 ， 因而在余下的 8级 台阶 上继续保持其水流特性。通过水力模型和工程实践 证实 ， 采用方案是成功的。 5 2 采用方案水流流态模型试验 表 3 采用方案溢流表孔水深成果表 注 ： 以上水深均为铅垂水抹 采用方案水 深成 果 ( 表 3 ) 与原方 案水 深成 果 ( 表 2 ) 相 比较 ， 在 Q = 4 5 I n s 和 Q = 6 0 i n s 两个工 况下 ， 堰顶至台阶起始处水深相差不大 ， 原方案在第 一 级台阶后下 泄水 流出现挑射 ， 部分 阶梯上是 没有 水流的， 有水流 的阶梯上流态混乱 ； 在 Q =8 5 m s 和 Q =1 2 6 m s 两个工况下 ， 采用方 案相对于原方 案其水深起伏差较小 ， 最大水深1 8 4 m。 从水深对 比可看出， 采用方案水深起伏差较小 ， 水 流沿台阶平顺下泄 ， 最大水深较低， 导墙高度就能降低。 5 4 采用方案消能分析 当 下 泄 流 量 1 0 m s时 ，单 宽 流 量1 0 m。 s 时， 形成 的滑行水 流在 台 阶面上形成横轴漩涡 ， 一方 面翻滚 水流与 台阶混凝 土充分摩擦 ， 产生强烈的摩阻作用 ， 一方 面沿 台阶尖 角滑行 的水 流充分 掺气 ， 产生 了较好 的消 能效果 。 与非台阶 ( 直线形 ) 溢洪 道鼻坎处 流速计算成果 对 比， 采用方案 台阶水力模型试验测 出台阶式溢洪道 鼻坎处流速大幅度降低 ， 消能率达到了 3 5 4 0 。 水力模型试验中下泄流量 q ： 4 5 m ， 、 Q ： 6 结 语 8 5 I n s 、 Q =1 2 6 m s 时流态 。 5 3 采用方案掺气及水深 台阶式溢洪道上的滑行水流 ， 可分为非掺气 区、 掺气发展区和稳定掺气区。 水力模 型试 验 中， 当下泄流量 1 0 m s 时 ， 挑 射水流消失 ， 水流通过阶梯平顺下泄。在第一、 第二 阶梯上为非掺气区 ， 第三 、 四阶梯为掺气发展 区， 第 五一第十二阶梯为稳定掺气 区。泄流水面掺气后 ， 每一级阶梯下游面出现较明显的小漩涡 ， 陡槽 段水 流为水 、 气混合体 ， 主流仍在槽底 ， 表 面为水滴跃移 区。其水深成果见表 3 。 一 1 7 6 一 为实现混凝土大仓 面的碾 压施工 ， 哮天龙碾压 混凝土坝 台阶溢洪道首创采用 了高 台阶， 发挥 了碾 压混凝土筑坝快速施工的优势 。经水力模型和工程 实践证实， 高台阶溢洪道水流流态和消能效果好 ， 为 台阶式溢洪道在碾压混凝土坝上推广应用提供了成 功的经验。 参考文献 ： 1 田嘉宁， 大津岩夫 ， 李建中， 等 台阶式溢洪道各流况的 消能特性 J 水利学报， 2 0 0 3 ( 0 4 ) ： 3 53 9 2 杨志雄引子渡水电站枢纽布置及特点 J 贵州水力发 电 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 04 ) ： 4 3 4 6