挑流消能工的應(yīng)用歷史

挑流消能工的應(yīng)用歷史

1國外溢洪道的研究水流消耗工藝是在建筑物末端通過鼻板將高速水流導(dǎo)向至建筑物的較遠(yuǎn)下游，使水流能量在較低的水墊和空中消耗。這種消能工已有近70年的應(yīng)用歷史,它首先于1933年被應(yīng)用于西班牙的里科拜約(Ricobayo)重力拱壩的溢洪道出口。滑雪道式溢洪道則由法國工程師可因(A.Coyne)首創(chuàng)并于1936年首次用于法國的馬瑞格斯(Mareeges)拱壩上。1952年由底流消能改為低鼻坎挑流的豐滿水電站溢流壩則是我國最早采用挑流消能的工程之一,我國首先采用擴(kuò)散式挑流鼻坎的工程是1953年建成的佛子嶺水庫的泄洪洞。由于挑流消能工一般不需在下游河床修建保護(hù)工程,因而工程量少,節(jié)省投資;同時(shí)設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)便,運(yùn)行也可靠,因此在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。2計(jì)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在下游水體內(nèi)的挑坎挑角對(duì)圖1所示的挑流水舌,假設(shè)y坐標(biāo)方向向下,根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的拋射體理論,有L1=u21sin2θ2g(1+√1+2gyu21sin2θ)(1)式中:計(jì)算水舌內(nèi)緣挑距時(shí),y=p;計(jì)算水舌外緣挑距時(shí),y=Z-Zc+hcosθ;計(jì)算中線挑距時(shí),y=Ζ-Ζc+12hcosθ;當(dāng)Zc》h時(shí),u1=φ√2gΖc,故式(1)可變?yōu)?L1=φ2Ζc(1+√1+yΖcφ2sin2θ)sin2θ(2)挑流鼻坎泄出水舌在下游水體內(nèi)淹沒射流段的水平距離有兩種計(jì)算方法,若假設(shè)水舌入水后仍按拋射體軌跡運(yùn)動(dòng),則挑坎至最大沖深點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1=φ2Ζc(1+√1+y+ΤΖcφ2sin2θ)sin2θ(3)若在式(1)中令y=0,即假設(shè)下游水位與挑坎頂相近,則L1=2φ2Ζcsin2θ(4)假設(shè)在下游水體內(nèi)水流質(zhì)點(diǎn)按水舌入水處的切線方向運(yùn)動(dòng),則:L=T/tgβ(5)在式(1)～(4)中,φ為流速系數(shù);u1和h分別為挑坎出口斷面流速和水深;g為重力加速度;θ為挑坎挑角;β為水舌入水角,其它符號(hào)見圖1。3反弧鼻板固極角和水舌出血角3.1確定挑角挑角選擇的原則是當(dāng)工程布置確定以后,選定的挑角θ應(yīng)獲得最大的挑距。假設(shè)反弧鼻坎挑角與水舌出射角相同,則可以對(duì)挑距計(jì)算式求導(dǎo),以獲得θ的表達(dá)式。3.1.1射距最大的規(guī)則略去流速系數(shù)的影響,對(duì)式(4)求導(dǎo),有dL1dθ=4Ζccos2θ(6)令上式為零,得θ=45°,故當(dāng)θ=45°時(shí)射距最大。這是符合拋射體理論的,同時(shí)在下游水位與挑坎相近時(shí),也是比較接近實(shí)際的。3.1.2坎高和的取值當(dāng)坎高較大時(shí),即在高挑坎和中挑坎的情況下,坎高明顯影響挑距,同時(shí)對(duì)θ的取值也有影響。若仍根據(jù)挑距極大的原則,有下列確定最優(yōu)挑角的公式。(1)日本人提出的規(guī)則θ=arctg√1+η(7)式中:η=p/Zc。(2)湖南省水利勘察設(shè)計(jì)院的文件由于式(7)沒有考慮壩面能量損失的影響,湖南省水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院在引入流速系數(shù)φ以后,建議θ=arctg√1+(η/φ2)(8)(3)最優(yōu)挑角與挑流系數(shù)對(duì)式(1)微分,并令dL1dθ=0,有最優(yōu)挑角計(jì)算式為θ=arcsin√φ21Ζ′c2φ21Ζ+α(9)式中:φ1為挑流系數(shù),反映了水舌在壩面與空中的能量損失。上述關(guān)于最優(yōu)挑角的概念是建立在挑距最大的基礎(chǔ)上,但當(dāng)挑角為較大值時(shí)水舌入水角又會(huì)增大,會(huì)使沖深加大,文獻(xiàn)的試驗(yàn)認(rèn)為考慮了射距與沖坑深度兩因素后,最優(yōu)挑角為10°～15°,并認(rèn)為小挑角不僅對(duì)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利,而且可減少鼻坎處的起挑流量。文獻(xiàn)通過優(yōu)選法確定連續(xù)挑坎的最優(yōu)挑角為14°～17°。3.2角s，舌頭水提取物3.2.1石郎公式日本儀三郎通過模型試驗(yàn)得θS/θ=1-0.28×3.9hc/R(10)式中:R為反弧半徑,hc為反弧水深。3.2.2r/hc的r/hc根據(jù)試驗(yàn)建議θS/θ=2.5-1.08(R/hc)1.25-1.04(R/hc)R/hc＜10θS/θ=(2-1.48×0.975R/hc)10≤R/hc＜18θS/θ=1.0418≤R/hc(11)4流系數(shù)和反弧流的坦化4.1各參數(shù)之間的關(guān)系流速系數(shù)的大小直接反映了溢流面上的能量損失,決定了反弧鼻坎上平均流速的大小,從而影響著水舌挑距的計(jì)算結(jié)果。另外在計(jì)算反弧水深、空化數(shù)、佛氏數(shù)及消能等許多問題時(shí),也與流速系數(shù)有關(guān)。對(duì)于這個(gè)重要的問題,國內(nèi)外專家已進(jìn)行過不少研究,提出了許多經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式,但由于量測(cè)手段、試驗(yàn)條件的限制及建筑物體形的不同,各式之間差別較大,表1列舉出一些前人的成果。由表1可以看出:(1)這些公式雖然形式各異,但大多數(shù)公式所取的因素,可分為:①單寬流量、水位差或流程;②堰上水頭、水位差或流程。實(shí)際上,對(duì)于堰流q=m2gΗ3/2,可見q與H可以相互轉(zhuǎn)化,而計(jì)算點(diǎn)的水位差和流程往往也存在一定的關(guān)系,因此,就本質(zhì)而言,均選用流量和水位差作為基本要素。(2)表1中公式①、②、③、④看起來量綱不合諧,實(shí)際上參數(shù)q2/3/H是q2/3Ηg1/3的簡(jiǎn)化。我們很容易把表1中式①改成φ=1.164(Ηg1/3q2/3)-0.2。(3)表中的φ為壩面流速系數(shù),φ1為挑流系數(shù),即根據(jù)水舌挑距反算而得。故理論上講φ1<φ。(4)就表中公式的形式而言,可概括為3種(a)φ=f(q2/3/S)(12)(b)φ=f[q/(g)Η1.5](13)(c)φ=f(h/Η)(14)4.2挑流鼻坎安全判別式及其特征對(duì)于具有挑流鼻坎的溢流壩,當(dāng)來流與反弧段體形配合不當(dāng)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)反弧最低點(diǎn)水深突然增大,而流速系數(shù)降低的現(xiàn)象。文獻(xiàn)稱這種現(xiàn)象為流線坦化。并在流線為同心圓的假設(shè)下,得到流線坦化的判別式Frc=-48.51Η/Ρ+13.97Η/Ρ≤0.112Frc=-16.81Η/Ρ+10.37Η/Ρ＞0.112}(15)式中:P為壩高;H為壩上水頭。基于上述分析,文獻(xiàn)根據(jù)大量試驗(yàn)資料建議挑流鼻坎最低點(diǎn)水深突然增大,流速系數(shù)突然降低的臨界條件為R=3.771q/gΖc(16)式(16)還可表示為Rh=3.77Κ1-1-1.6Κ(17)式中:Zc為挑坎以上水頭;K為流能比。文獻(xiàn)將Dressler方程應(yīng)用于反弧流動(dòng)分析中,建立了流線坦化的判別式,該式以h2/h1為坦化判據(jù),并與反弧半徑相聯(lián)系,從而限制了反弧半徑的取值,與式(16)具有相同的性質(zhì),其表達(dá)式為cosα+0.5Fr12-Rh1cosα=-Rh1+h2h1+0.5Fr12(R/h1)2?[(1-h2h1/Rh1)?ln(1-h2h1/Rh1)]-2(18)式中:α為挑坎反弧起點(diǎn)與垂線的夾角,h1、Fr1為反弧起點(diǎn)處水力參數(shù),h2為反弧水深。當(dāng)h2/h1>1.02～1.05時(shí),文獻(xiàn)認(rèn)為水流處于坦化區(qū)。5反弧半徑r5.1對(duì)各變量的分析對(duì)于挑流鼻坎,已有的反弧半徑選擇方法可為三類,即規(guī)范規(guī)定的方法,R=Ch或R=D(P+H),其中,C,D為常數(shù)。第二類為因次不和諧的經(jīng)驗(yàn)公式,較早的有ChowVT的經(jīng)驗(yàn)式,但該式形式復(fù)雜,且已有研究表明其結(jié)構(gòu)也不合理。第三類公式,即根據(jù)某一方面理論分析建立的無因次經(jīng)驗(yàn)式。主要有:(1)張宗惠公式在分析離心力對(duì)坎頂流速及挑距影響的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程資料,提出了挑流反弧半徑的經(jīng)驗(yàn)式,即Rh=A[(2+3ΖcΗ)/Fr13](19)式中:A=1.5;H為堰上水頭;Fr1為坎頂處佛氏數(shù),Fr1=u/gh1。(2)郭子中公式根據(jù)收集的工程資料,經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)式Rh=0.656Fr13/2(20)(3)K.N.Rao的公式Rh={11.534Fr1-9.133Fr11/4-5.1233≤Fr1≤5.54.037Fr1-15.19065.5≤Fr1≤10(21)(4)瓦西內(nèi)和貝亞伊公式Rh=13(50Fr1-98)(22)(5)作者公式根據(jù)明流反弧段水力特性的分析,認(rèn)為在明流反弧段,重力和慣性力是影響水流特性的主要因素,而水流佛氏數(shù)恰是這兩種作用力的綜合反映。據(jù)此,相對(duì)反弧半徑可以表示為Rh=AFr1n(23)根據(jù)大量資料建議0.140Fr12≤R/h≤0.35Fr12(24)一般選Rh=0.225Fr12(25)5.2流鼻溝的臨界反弧半徑(1)流速系數(shù)計(jì)算式對(duì)反弧段水力特性的分析表明,當(dāng)反弧半徑減小到某一臨界值時(shí),反弧水深突然增大,流速系數(shù)突然減小,根據(jù)上述條件,文獻(xiàn)建議臨界反弧半徑的計(jì)算式為Rh=3.77Κ1-1-1.6Κ(26)或R/Zc=3.77K(26′)式中:Zc為挑坎以上水頭;K為流能比,Κ=q/gΖc3。當(dāng)0.01≤K≤0.3時(shí),由式(26)可得臨界條件Rh=4~5(27)式(26)還可用Fr1表示為Rh=4.7(φ2+Fr12)2φ2+Fr12(28)譚新賢根據(jù)流線的同心圓理論分析并加修正后得到流速系數(shù)計(jì)算式為φ=2.88R/h-1(R/h)0.1lgR/hR/h-1(29)對(duì)上式分析表明,φ的極大值在R/h=5～6之間。但當(dāng)R/h<4.0后,φ值迅速減小,射流出射角也急劇減小,由此可以看出,使流速系數(shù)不明顯減小的反弧半徑的臨界條件為Rh＞4.0~5.0(30)(2)計(jì)算極限關(guān)系的法定化根據(jù)試驗(yàn),當(dāng)其它量不變時(shí),挑距隨反弧半徑R的增大而增大,但當(dāng)R大于某一極值后,挑距隨R正變的影響明顯減小,且在q<30m3/s·m時(shí),挑距隨反弧半徑R增大反而減小。文獻(xiàn)作者對(duì)上述資料及極限關(guān)系分析后建議Rh≥23Fr1(3.3≤Fr1≤6)(31)此式改進(jìn)了以往認(rèn)為R/h=C成線性關(guān)系的作法,但由于受資料范圍的限制,其結(jié)構(gòu)并不合理。羅納(Rhone)等人認(rèn)為Rmin≥4h,否則挑坎的挑流作用不能得到充分發(fā)揮。若Rmin<4h,則水舌不能挑起。蘇聯(lián)有人認(rèn)為Rmin<6h時(shí)水舌不能挑起。我國的涔天河溢洪道就是由于反弧半徑過小(u=22m/s,R=2h)使得水流挑射不夠理想。從這方面的分析可以看出臨界反弧半徑R/h=4～6。(3)高壩挑流鼻坎反弧半徑臨界條件文獻(xiàn)根據(jù)反弧離心壓力計(jì)算式繪制了R～u～R/h關(guān)系曲線圖。給出了壓力突增分界線,并推薦以此作為選擇臨界反弧半徑的準(zhǔn)則,在點(diǎn)繪原型工程資料比較后認(rèn)為,當(dāng)流速較大(u>20m/s),R/h≥4.0。否則,R/h過小時(shí),壓力隨R/h的減小而急劇增大,由此導(dǎo)致流速沿水深分布不均而影響挑距。綜上所述,對(duì)于高壩挑流鼻坎反弧半徑的臨界條件,盡管研究者考慮的極限條件不同,采用的分析方法不同,選擇的因素也不盡相同,但大多數(shù)作者得出的結(jié)論是一致的。即對(duì)高壩或高流速泄水建筑物挑流鼻坎的反弧半徑必須滿足:R/h≥4～5。5.3單寬流量不能沖壓對(duì)于低水頭泄水建筑物,已有研究表明,不能用R>4h或上述的臨界條件限制反弧半徑,而應(yīng)根據(jù)坎上水頭、單寬流量綜合選擇挑角、挑高及反弧半徑。否則可能使挑坎過大,從而加大單寬流量并增加起挑流量及終挑流量,不利于基礎(chǔ)安全。文獻(xiàn)根據(jù)p-u=R/h圖及點(diǎn)繪的實(shí)際工程資料也指出,當(dāng)u<20m/s時(shí)應(yīng)允許R/h<4,因此,對(duì)于低水頭泄水建筑物的反弧半徑仍需進(jìn)一步研究。6空氣阻力的計(jì)算公式空氣阻力對(duì)挑距的影響,在計(jì)算中有兩種處理方法,一種是在拋射體公式中引入空氣阻力系數(shù),而另一種則是設(shè)法獲得理論挑距和實(shí)測(cè)資料之比,從而得到修正系數(shù),下面是考慮空氣阻力的幾個(gè)具體計(jì)算公式。(1)摻氣水舌影響系數(shù)fr1根據(jù)空氣阻力、重力作用下的水舌微元體的平衡,最后導(dǎo)得水平挑距的計(jì)算式為L(zhǎng)a=φ2Ζcsin2θk(1+1+kyΖcφ2sin2θ)(32)摻氣水舌影響系數(shù)為k=0.765+0.05Fr1式中:Fr1為挑坎出口佛氏數(shù)。在文獻(xiàn)中建議k=[1+ρa(bǔ)CfFr13.67η(θ)ρw(3.30Fr1-4.75)]2/5.5式中:空氣阻力系數(shù)Cf,參數(shù)η(θ)由供給的曲線確定,ρa(bǔ),ρw分別為空氣和水的密度,La為挑距。(2)空氣阻力的影響水利部第五工程局和西北水利科學(xué)研究所通過碧口水電站溢洪道原型觀測(cè)認(rèn)為當(dāng)挑坎頂斷面平均流速u<20m/s,空氣阻力的影響甚微;當(dāng)u=25m/s,空氣阻力的影響開始明顯,約為10%;當(dāng)u=40m/s,估計(jì)可達(dá)33%。空氣阻力影響的程度可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:LaL1=1.27-0.015u(33)式中:L1為不考慮空氣阻力時(shí)的理論計(jì)算射距。日本川上廉太郎根據(jù)原型觀測(cè)資料也得到類似結(jié)論,即當(dāng)u<13m/s,可按拋物線軌跡確定水舌射距。而當(dāng)u>13m/s,水舌的水平射距比不考慮空氣阻力影響的水平射距要減小很多,且隨速度的增加,射距的減少亦增大,當(dāng)出射流速接近40m/s,射距縮短30%以上。(3)元水流的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系吳持恭教授曾進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)表明,由于水流摻氣,其起始流速增加,從而使射距增加。當(dāng)挑角θ≤35°時(shí),對(duì)于二元水流存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系LaL1=[hc(1-β′)ha]10.