高速水流第二部分_20130512課件

1、 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering一、概述v泄水建筑物是水利水電樞紐的重要組成部分。根據(jù)實際工程統(tǒng)計，其造價約占總工程造價的40%50%。所以合理地選擇泄水建筑物形式及消能措施，使關(guān)系到整個水利水電工程安全與經(jīng)濟(jì)的重要問題。v泄水建筑物是保證大壩的重要措施，必需有足夠的泄流能力，才能滿足及時泄掉水庫的多余洪水。v泄洪方式大體有三種：壩身泄洪、岸邊泄洪、壩身和岸邊聯(lián)合泄洪。v泄水建筑物的下泄水流具有很大能量，常招致下游河床的沖刷，甚至影響壩體安全。下泄水流的巨大能量耗損于兩個方面水流內(nèi)部的摩阻作用，如摩擦、沖擊、紊動

2、、旋渦等； 水流與固體邊界的相互作用，如撞擊、沖刷等。v消能防沖的設(shè)計原則是：通過一系列的工程措施是下泄水流的能量盡可能在短的范圍內(nèi)大部分消殺掉，是為消能；同時在此范圍及下游仍可能產(chǎn)生沖刷的部位加以適當(dāng)保護(hù)，是為防沖；兩者綜合起來經(jīng)濟(jì)合理地解決下游沖刷，以保護(hù)建筑物安全。v消能與防沖是一對相互協(xié)調(diào)的。下泄水流消能充分，則下游防沖任務(wù)較輕，否則，則需要加強(qiáng)防護(hù)。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering二、高水頭樞紐泄水建筑物布置v泄水建筑物在樞紐布置中的一項關(guān)鍵問題是要解決好大壩、廠房和泄水建筑物三者的關(guān)系。v高水頭樞紐的

3、泄水建筑物布置多采用多種措施、多層多孔、分散泄洪、分區(qū)消能。其主導(dǎo)思想是將下泄水流沿縱向、橫向分散，使入水處單位面積的流量盡量減小，充分利用水體消能，以減輕下游河床的沖刷。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering壩身泄洪v多用于混凝土壩樞紐。有表孔溢流和深孔（中孔、底孔）泄流兩種。下圖為鳳灘水電站。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering岸邊泄洪v多用于土石壩或輕型壩樞紐。有溢洪道和泄水隧洞。下圖為碧口水電站。 College of Water R

4、esources and Hydroelectric Engineering壩身和岸邊聯(lián)合泄洪v多用于河床寬度不夠的混凝土壩樞紐。下圖為二灘水電站。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering三、消能方式v消能方式分為體內(nèi)消能和體外消能。v體外消能方式有挑流、底流、面流、戽流。水舌對沖消能也屬于體外消能。v體內(nèi)消能方式有：寬尾墩消能工、壩面階梯式消能工、孔板式消能工、溢流面加糙、洞內(nèi)旋流消能工等。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering1. 研究手段v

5、水力學(xué)計算 由于高速水流運(yùn)動的復(fù)雜性，完全依靠數(shù)學(xué)分析目前還難以獲得準(zhǔn)確的計算成果，通常采用經(jīng)驗公式：有的先推導(dǎo)出近似的理論公式，在用經(jīng)驗系數(shù)加以修正；有的應(yīng)用半經(jīng)驗半理論公式；有的則先進(jìn)性定性分析，然后直接采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。v模型試驗 目前模型試驗仍然是水工水力學(xué)領(lǐng)域最可靠的研究手段。模型試驗比較容易模擬水工建筑物的水流情況，甚至可適用于比較復(fù)雜的條件，其結(jié)果往往比較接近實際。雖然依據(jù)水力學(xué)基本原理，模型與原型要達(dá)成完全相似是不可能的，但是只要模型比尺選擇適當(dāng)，模型與原型兩個水流系統(tǒng)一般滿足足夠的相似性。應(yīng)注意的是，有些問題（如沖刷問題）的相似準(zhǔn)則在模型中難以準(zhǔn)確體現(xiàn)的；另外模型試驗，還

6、存在縮尺效應(yīng)。v原型觀測 水工模型試驗及理論計算難以模擬一些工程上必須注意的問題（如水舌的摻氣與霧化、沖刷問題）等，只有依靠原形觀測的實測資料。從原型觀測所取得的實際資料以及據(jù)以獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或公式就具有特別重要的意義。v數(shù)值模擬 隨著數(shù)值計算技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究水工水力學(xué)問題是一種趨勢。主要采用的數(shù)值計算方法有：有限差分法（FDM）、有限單元法（FEM）、有限體積法（FVM)等等。雖然，離取代水工模型試驗還有很長的距離，但在目前看來數(shù)值模擬結(jié)合水工模型試驗及原型觀測也是一個非常有效手段。 College of Water Resources and Hydroelectric

7、 Engineeringt=0.7st=1.2s t=11s挑流消能水氣二相流模擬 （ FLUNT軟件） College of Water Resources and Hydroelectric Engineering2.基本原理v二維粘性水體的N-S方程 v粘性水體流動產(chǎn)生剪切應(yīng)力，由粘性切應(yīng)力1與雷諾切應(yīng)力2兩部分組成。v粘性切應(yīng)力1由水流層間流速梯度du/dy產(chǎn)生。雷諾切應(yīng)力2由水流流速紊動產(chǎn)生的。 xuuyuxuxpFxxxxx22221xuyudyduyx1yxuv2 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering3.

8、 泄水建筑物消能的原則v泄水建筑物消能的原則就是要盡量促使水流分離，形成渦漩，將下泄水流的能量消剎在水流漩滾紊動中。水流自身的通過漩滾、紊動、摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，消耗大量水能。v在天然河道中，底流速小。在底部，有較大的流速梯度。當(dāng)斷面平均水流流速增大到一定程度時，河床底部的流速梯度也增大，紊動增強(qiáng)。一方面通過壁面摩擦阻力消耗能量。另一方面產(chǎn)生渦體向上部水體傳輸，通過雷諾切應(yīng)力消耗能量。v泄水建筑物需要有特定的消能區(qū)域，如底流消能的消力池、挑流消能的水墊、豎井消能的豎井等。水流在此區(qū)域內(nèi)形成劇烈的水流漩滾和混摻。這時，水流內(nèi)部形成極大的流速梯度，增大剪切摩擦損失。同時，混摻作用極大地增加雷諾應(yīng)力損失

9、，能夠迅速地消耗大量的能量。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering4. 挑流消能v在泄水建筑物的末端設(shè)置挑流鼻坎，將水體挑起拋落到距建筑物較遠(yuǎn)的地方，大部分能量在下游水墊內(nèi)消散。v挑流消能工的結(jié)構(gòu)形式簡單，工程量小，設(shè)計施工方便，運(yùn)行也較安全可靠。在具有足夠水頭，能保證水舌挑距，下游河床地質(zhì)條件較好，沖坑不影響建筑物本身安全情況下，均可采用。v工程問題：霧化引起交通、輸電和操作問題；沖刷物堆積影響電站出力和通航；回流或波浪淘刷岸坡。溢洪道的空蝕問題。最大不起挑流量。溢洪道開始泄洪時，由于流量小，粘滯力起控制作用，水流不

10、能沿鼻坎起挑，只能在反弧段形成水躍，沿鼻坎坎頂?shù)拢瑳_刷鼻坎基腳及淘刷鼻坎基礎(chǔ)，影響鼻坎的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering4.1 挑流的水流現(xiàn)象和消能過程v在泄槽或溢流壩的末端以一定拋射角將下泄水流挑射到空中，水舌在空中擴(kuò)散、摻氣、消耗一部分能量（約20%40%）。v水舌進(jìn)入下游水面后，下泄的高速水流射入下游水體中，直沖巖石。在水舌邊緣處，存在很大的流速梯度。使水舌受兩側(cè)水體剪切摩擦，不斷擴(kuò)散，形成兩個大漩滾。漩滾區(qū)內(nèi)水流紊動劇烈，互相碰撞摩擦，從而大量消耗能量。水舌流速在擴(kuò)散過程中逐漸減小。v當(dāng)水舌沖

11、抵到巖石處時，水流受阻轉(zhuǎn)向兩側(cè)。水流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?。在水舌頂沖處，壓力和壓力脈動沿巖石的節(jié)理、裂隙傳遞，使巖石的裂隙擴(kuò)張、貫通，最終從原處拔起。被沖起的巖石在坑內(nèi)滾動、破碎、沖走。隨之形成的沖刷坑不斷擴(kuò)大。水舌的運(yùn)動距離加長，直致流速降低到不足拔起巖石，沖刷坑逐漸穩(wěn)定。(c )(b )(a ) College of Water Resources and Hydroelectric Engineeringv近年來挑流消能發(fā)展的主要特點(diǎn)是，改變了過去僅在平面上使水流擴(kuò)散，減小單寬流量來減弱下游沖刷的傳統(tǒng)觀念，利用建筑物體型的變化使水流在某一位置急劇收縮，從縱向和豎向使水流急劇擴(kuò)散，因大量摻氣而

12、加強(qiáng)了消能效果。v目前國內(nèi)外常采用的有窄縫式挑流消能工和寬尾墩挑流消能工兩種；還有在樞紐布置中將各泄水建筑物的挑坎在豎向及縱向位置錯開，使水流上下分散起挑，從而使水股落點(diǎn)縱向拉開，以避免對河床及河岸的集中沖刷；或利用高低坎上下對沖、左右對沖以達(dá)到消能的目的。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering常規(guī)挑流消能寬尾墩挑流消能常規(guī)挑流消能寬尾墩挑流消能 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering常規(guī)挑流消能寬尾墩挑流消能4.2 影響挑距的主要因素v1、挑角

13、：根據(jù)拋射理論，理論上在45 時獲得最大挑距，但相應(yīng)的射流入射角也最大，加重了河床局部沖刷。在實際工程中，常采用1525以獲得最大挑距。挑角直接影響入射角，挑角越大，入射角也越大，加重了河床局部沖刷。v2、鼻坎處出口過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲洳睿郝洳畲?，轉(zhuǎn)換的動能大，拋射水體獲得的初速度v1就大，挑距也大。 v3、反弧半徑：反弧的作用是引導(dǎo)水流轉(zhuǎn)向。水流通過反弧后，其水流結(jié)構(gòu)重新調(diào)整。反弧半徑過小，則水流紊亂，不能順利隨挑角出射，影響挑距。 以往的研究表明：其它不變的情況下，反弧半徑增大，挑距也增大；當(dāng)反弧半徑達(dá)到某個極限值時，反弧半徑對挑距的影響明顯變小。v4、空氣阻力：原形觀測表明，當(dāng)v11

14、320m/s時，空氣阻力甚微， v125m/s時，則比較明顯； v140m/s時，則非常顯著。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering4.3 沖坑深度 v影響沖坑基巖深度的主要影響因素是水力要素和巖體性質(zhì)兩個方面。基坑巖體性質(zhì)包括其力學(xué)特征和構(gòu)造特征。力學(xué)特征有基巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，基巖強(qiáng)度越高，抗沖能力越強(qiáng)。構(gòu)造特征有基巖的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育程度、斷層破碎帶等。結(jié)構(gòu)面呈陡傾、且傾向上游時抗沖能力強(qiáng)。裂隙、破碎帶越發(fā)育，抗沖能力越差。vTkqmHnv式中反映了影響沖坑最大深度的主要水力因素是單寬流量q和上

15、下游水位H。而巖體的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)，主要反映在系數(shù)k，巖石越破碎則k 越大。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering5. 底流消能v水躍是水流從急流向緩流過渡的一種水流現(xiàn)象。底流消能就是促使水流在消力池中產(chǎn)生的水躍，利用水躍的橫向漩滾消能，使絕大多數(shù)能量在水流的強(qiáng)烈紊動過程中被消剎。v底流水躍消能安全可靠，具有流態(tài)清楚，尾水平穩(wěn)，下游沖刷較輕，消能率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，高速水流緊貼河床底部流動，且要求下游水深滿足共軛要求，必需設(shè)置較深較長的消力池和工程費(fèi)用高的護(hù)坦。9.035.01:21:23.01:211.02.02.

16、5海 漫防 沖 槽27.76R10.699O1:1.928.5030.501:1052.50L0-010.022L0-035.0001:1032.0035.5011.05.0 6.022.015 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering5.1 底流消能的水流銜接條件1、入流條件：入流佛氏數(shù)Fr與底流消能效果及消能工的設(shè)置有十分密切的關(guān)系。 水流佛氏數(shù)Fr4.5屬于低佛氏數(shù)消能范圍，其共同特點(diǎn)是：水躍區(qū)旋滾發(fā)展不充分，消能不充分，躍后流速分布不均勻，有明顯的大尺度紊動，水面波動較大等問題。 水流佛氏數(shù)Fr=4.59.0屬于穩(wěn)

17、定水躍范圍，在消能工設(shè)計上困難不大，采用消力墩或消力坎等輔助消能工可以縮短消力池的長度。 當(dāng)Fr=8.010.0時，為了將水躍控制的消力池內(nèi)，尾水深度應(yīng)使其適度淹沒。 Fr10.0時，用底流消能很可能不是一種經(jīng)濟(jì)的方式。2、尾水條件 在各級流量下，均能滿足ht=hc。這是一種理想的情況，在實際工程中很少見。 在各級流量下，均為hthc，即尾水深度不足以形成正常水躍，是水閘中常見的情 況，需要設(shè)置消力池。 在各級流量下，均為hthc，即總是處于淹沒水躍狀態(tài)。當(dāng)淹沒度太大時，容易產(chǎn)生調(diào)整潛流，需要采取提高消力池底板高程、設(shè)置斜坡護(hù)坦以及輔助消能工等措施。 在小流量下hthc。這時，應(yīng)按小流量設(shè)計消

18、力池；輔以斜坡護(hù)坦或消力池。這種情況較常見。 在小流量下hthc，大流量下hthc。這種情況在實際工程中很少見，應(yīng)按大流量設(shè)計消力池。 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering5.2 消力池v消力池長度：水平段長度Lj=6.9(h-hc) 。v消力池深度：取決于躍后共軛水深，要有5%10%的淹沒度。一般為小流量泄流工況。v底板厚度： 要考慮抗沖和抗浮兩方面要求。v導(dǎo)水墻：盡量采用鉛直豎立墻。v輔助消能工：尾坎、消力墩、趾墩、小坎。v斜坡消力池：能夠適應(yīng)下游水位的較大變幅。 College of Water Resource

19、s and Hydroelectric Engineering5.3 底流消能實例 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering向家壩跌坎消力池底流消能5.3 底流消能實例 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering角木塘水電站：趾墩+消力墩+T型墩型綜合消力池 較大流量閘門全部開啟消力池流態(tài)較小流量下閘門局部開啟消力池流態(tài) 5.3 底流消能實例6. 面流v面流適用于下游水深較深且穩(wěn)定的情況，優(yōu)點(diǎn)是主流在表面，具有底部旋滾，河床加固費(fèi)用較少；缺點(diǎn)是下游流態(tài)不

20、易控制，下游有較大的波浪。v面流消能方式的主要流態(tài)四種：自由面流、自由面流、淹沒面流、淹沒面流。在體型不變的條件下，這四種流態(tài)是隨著下游水位上漲依次轉(zhuǎn)變的。當(dāng)水位過低時，流態(tài)為自由底流；當(dāng)下游水位過高時，流態(tài)為淹沒底流（這種轉(zhuǎn)變又稱為回復(fù)底流）。v為了保證面流流態(tài)，需要有一定坎高。坎高太小，容易轉(zhuǎn)變?yōu)闈摰椎琢鳌Ｃ媪鞯奶艨驳奶艚且话銥榱慊蚪咏诹恪Ｌ艚翘?，易形成底流。太大又易形成戽流或挑流?College of Water Resources and Hydroelectric Engineering7. 戽流v戽流消能效率高，對下游的水深要求較面流低，防沖措施也不高，一般適用于大單寬流量、

21、深尾水的情況。 。 v消力戽由一個較大的反弧半徑和挑角所形成的戽斗。在戽唇及下游一定尾水深度的作用下，使下泄的高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，并使出戽的高速水股在尾水中繼續(xù)發(fā)生旋滾、擴(kuò)散，以消殺能量。即利用三滾一浪消除能量，以減輕河床沖刷。v隨著下游水深從低向高抬升，流態(tài)發(fā)生變化，依次為 臨界戽流：底部有橫向漩輥，涌浪受尾水頂托而有足夠的高度和曲 率，涌浪上游表面開始出現(xiàn)浪花或小漩輥，下游表面有橫軸漩輥。 穩(wěn)定戽流：具有典型的三滾一浪。 淹沒戽流：戽斗內(nèi)橫軸漩的水體更大，涌浪的入水角減小，主流趨于表面，下游漩輥轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗斜砻娌ɡ?。v消力戽下游水深過小時，流態(tài)為挑流，過高又轉(zhuǎn)為淹沒底流。

22、College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8. 特殊消能形式v除了傳統(tǒng)的消能形式外，還可以根據(jù)特殊的情況采用特殊的消能形式。如：窄縫消能工、寬尾墩消能工、水墊塘消能工、對沖消能工、階梯狀溢流面消能工、孔板消能工、豎井消能工、溢流面消力墩消能工. College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8.1 窄縫消能工 Bb波前線LL水舌內(nèi)緣水舌外緣Lv在挑坎出流處收窄邊墻，水流于此急劇收縮，出射水舌沿縱向拉開、擴(kuò)散。縱向擴(kuò)散水舌進(jìn)入下游水墊后，形成橫向及縱向旋輥，使強(qiáng)

23、紊動區(qū)擴(kuò)大，大大提高了消能率。窄縫式消能工加劇水舌在空中的擴(kuò)散、紊動、摻氣，減小水舌入水的單位面積能量。v窄縫式消能工適用于狹窄河谷地區(qū)水利樞紐。v窄縫式消能工的水流特性決定于其水流參數(shù)和體型參數(shù)：挑角；收縮比B/b ；收縮長度L；水流佛氏數(shù)Fr 。( b )( a )( c )( d )( e ) College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8.2 寬尾墩消能工 v出口水流受寬尾的擠壓影響，水面壅高，使出射水流沿鉛直方向擴(kuò)展。在寬尾墩的后面，形成一個較大無水區(qū)。出射水流重新落入壩面，并沿程坦化，水流重新會合成一體。水流在壅高

24、和坦化的過程中，相互碰撞，加強(qiáng)水流的混摻作用，同時混摻入大量的氣體，大大增加了空中消能和壩面水流的擾動消能。壩面水流的大量摻氣有利于減輕壩面空蝕。v寬尾墩的主要作用是加強(qiáng)水股射流的縱向分散和摻氣。v寬尾墩體型的幾何參數(shù)有：閘孔收縮比 、墩尾折角 、墩尾始擴(kuò)點(diǎn)位置參數(shù)。 X型寬尾墩Y型寬尾墩 College of Water Resources and Hydroelectric Engineering異型寬尾墩消能工非對稱寬尾墩實例非對稱寬尾墩出閘、消力池流態(tài)異型寬尾墩消能工8.3 高拱壩的水墊塘消能v在大壩下游某一位置修建二道壩，在大壩和二道壩之間形成一個具有穩(wěn)定水深的區(qū)域。這個區(qū)域就是水墊

25、塘。適用于峽谷地區(qū)高拱壩。水墊塘的底部一般都要用混凝土底板進(jìn)行護(hù)砌。v表孔下泄的挑跌流水舌呈射流狀進(jìn)入水墊塘。一方面，水體阻止水舌運(yùn)動，使水舌外緣的流速減小，并向外擴(kuò)散。另一方面，水舌帶動外部水體運(yùn)動。在水舌的上下游兩側(cè)形成兩個巨大的漩滾。 v沿水舌射流方向水墊塘流態(tài)分為三個性質(zhì)不同的子區(qū)域： 區(qū)是由射流與水體的強(qiáng)切變流；區(qū)，動能轉(zhuǎn)換為壓能，對底板產(chǎn)生的沖擊力。區(qū)，呈壁射流，類似于淹沒水躍，上部漩滾是消能的主要區(qū)域。 。 二 道 壩H College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8.4 上下對沖式消能v適用于拱壩。使上下出流水

26、舌在空中碰撞消能。形成上下水舌可以是在不同的高程上挑流鼻坎，也可以是中孔和表孔水舌。采用這種方式的工程有：白山水電站、鳳灘水電站、二灘水電站、峽口水電站、洞坪水電站等。v水舌碰撞消能率：v式中k為流量比；為水舌交匯角。2sin21422kkk College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8.5 階梯溢流壩面消能工 隨著壩面單寬流量的變化，階梯式消能工有以下三種流態(tài)：v當(dāng)單寬流量較小時，水深不能完全覆蓋臺階，壩面水流呈舌狀跌流，圖(a)。由于水流逐級下跌，幾乎可以完全消剎每一級的能量，消能率極高。v隨著單寬流量加大，水流覆蓋臺階

27、。水面逐漸形成連續(xù)。過堰水流流經(jīng)階梯狀壩面時，水流自然分離。在每一個臺階面的三角形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一水平橫軸漩渦，形成強(qiáng)烈的紊動，達(dá)到耗散能量的效果，圖(b)。此時，壩面消能率高，水面容易摻氣。v單寬流量進(jìn)一步加大，水深增加，階梯上的水面逐漸趨于光滑平順。在臺階處，水體仍保持水平分離漩渦，通過強(qiáng)烈的紊動消能，圖(c)。總的消能量隨水面增加而有所增加。但是，階梯作用的影響范圍隨水深增加而趨于不變，壩面消能量也趨于定值。因此，總的壩面消能率卻下降。( c )( b )( a ) College of Water Resources and Hydroelectric Engineering8.6 孔板消能工v在有壓泄水隧洞的中部某一位置處設(shè)置一道直徑較小的孔板，形成孔板消能工。受孔板的作用，高速水流經(jīng)過孔口突然收縮，緊接著又突然擴(kuò)散。出孔口的水流呈射流狀。水流經(jīng)過收縮后，再次擴(kuò)