第五章混凝土溢流坝和坝身泄水孔4

第五章混凝土溢流坝和坝身泄水孔第四节消能与防冲通过坝体的下泄水流具有很大的能量，当水位差为40m时，单宽流量q=50秒立方米，一米宽河床内的水流动能可达24000匹马力，如此巨大的能量主要消耗于两个方面：1、水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；2、水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全；消能设计原则：1°尽量增加水流的内部紊动,2°限制水流对河床的冲刷范围消能方式：(底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能)1、底流消能1°工作原理在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。见图5.62°产生底流消能的条件3°岩基上护坦的构造要求：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。荷载：①水重集度②平均脉动压强③动水压力(比较复杂，由试验确定)④扬压力强度(设排水时，仅有浮托力，不设排水时,除考虑浮托力外还有渗透压力).图5.6底流消能措施图5.7所示为设计底流消能时,水跃第二共轭水深与下游水深的关系.2、挑流消能1°工作原理利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20％。起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。见图5.8.图5.7水跃第二共轭水深与下游水深的关系.图5.8挑流消能示意图2°设计内容选择鼻坎型式,反弧半径,鼻坎高程,挑射角度.3°连续式挑坎R增加水流转向容易，但鼻坎向下游延伸较长，工程量增加；减小水流转向困难，一般取(8～10)hc；θ↑挑射距离远，入水角大，冲坑深；θ↓挑射距离近，入水角小，冲坑浅；θ=20～35°,鼻坎高程一般高出下游最高水位1～2m。4°对坝体安全的评估挑距:L,冲坑:tk5°差动式挑坎使水流通过高低坎分为两股射出，在垂直方向有较大的扩散，水舌入水宽度增加，减少了单位面积上的冲刷能量，两股水流在空中互相撞击、掺气加剧。因此冲坑较连续式的浅，约减少35％，但挑距将有所减小。主要缺点：高坎侧面极易形成负压而产生空蚀。3、面流消能工作原理：利用鼻坎将水流挑至水面(不是空中)，在主流下面形成旋滚，从而达到消能的目的。结构尺寸：同挑流鼻坎不同之处：鼻坎低一些(下游水位附近)；θ小一些(=0).适用场合：①下游水位较深，单宽流量变化范围小，水位变幅不大；②有排冰和漂木要求；缺点：消能效率不高；下游水面波动大；影响电站稳定运行和通航。4、消力戽消能工作原理：利用戽坎在水下的特点，使水流分别在戽内和戽后漩滚，形成“三滚一浪”，进而达到消能目的。见图5.9.图5.9消力戽消能设计内容：确定反弧半径R:R↑坎上水流出流条件好，戽内漩滚水体相应加大，对消能有利，但R太大，效果不显著，且戽体工程量加大。戽坎高度a:戽坎应高于河床，以防泥沙杂物卷入戽内，一般取尾水深的1/9，a=R(1-COSθ)挑射角度θ:大部分工程采用45°，也有采用37°～40°.θ增大易产生戽流，但涌浪高冲坑深.θ减小戽内漩滚易超出戽外，最好由试验确定。戽底高程:一般取与河床同高，原则上保证在各级流量和下游水位条件下均能发生稳定戽流。消力戽消能优点：工程量比消力池省，冲刷坑比挑流消能小，不存在雾化问题。消力戽消能缺点：下游水位波动较大，延绵范围较长，易冲刷河岸，对航运不利，底部漩滚会把河床砂石带入戽内，磨损戽面，增加维修费用。5、宽尾墩与挑流联合消能6、不利流态----折冲水流的产生及其防止折冲水流：闸坝泄向下游的水流，主流在平面上不能均匀扩散，两侧形成回流，使主流受挤压，单宽流量增加，当两侧回流强度不同、水位不同时，可能将主流压向一侧，并沿下游河道或左或右摆动的现象。