溢流孔分流齿坎对水舌形状及水垫塘底板冲击压力的影响

溢流孔分流齿坎对水舌形状及水垫塘底板冲击压力的影响 关键词 :分流齿坎 ; 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 孔 ;中孔 ;消能 ;泄洪 ;水垫塘底板 ;脉动压力 中图分类号 : TV13512 文献标识码 :A 1 研究背景 对于流量大 、水头高且位于狭窄河谷之中的 300m 级高拱坝 ,其泄洪建筑物的布置和消能问题十 突出 。多孔多层坝身孔口泄洪与水垫塘消能相结合是该类工程首选的泄洪消能方式 ,如二滩 、小湾和 皮滩等高拱坝都采用了这种泄洪消能方式 。对于这种泄洪消能的布置 ,如何充分利用水舌的碰撞消 作用以及减小水垫塘底板承受的冲击压力是泄洪消能需解决的关键技术之一 。许多学者就泄洪水舌 1 态和水垫塘底板冲击压力问题展开了研究 ,崔广涛等的研究表明 ,跌落水舌对河床或岸坡破坏的主 2 3 原因是动水压力和脉动荷载 ;孙建等研究了水舌碰撞后对岩基的冲刷作用 ;刁明军等通过模型试 4 研究高拱坝坝身泄洪水舌碰撞消能作用 ;杨家卫等等对小湾工程的泄洪消能优化布置进行了研究 ; 5 6 玉芝对二滩水电站表孔采用俯角坝面加分流齿坎的布置进行研究 ; 还有许多学者对构皮滩 78 ,9 湾、溪洛渡等高拱坝工程进行了系统研究 。 由于坝身孔口的布置形式 、水舌碰撞角度 、水垫塘水深等都会对泄洪消能效果及水垫塘底板承受 冲击压力产生很大影响 ,因此 ,对于同样的工程 ,孔口的数量 、相对位置和齿坎布置采用不同的组合 产生的碰撞和消能效果也各不一样 。对于大型拱坝的坝身表孔泄洪 ,在表孔出口设置分流齿坎可以 变水舌的形状和落水范围 ,从而改变水舌碰撞特性 ,控制水垫塘底板承受的冲击压力 。其中大差动俯 结合分流齿坎的表孔 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 理念在构皮滩 、小湾和二滩工程中得到了成功应用 ,正在建设的溪洛渡水电 程也将采用这种形式 。本文通过模型试验 ,对多种齿坎的形式和有无齿坎情况进行测试和比较 ,研究 坎对水舌空中碰撞效果以及水垫塘底板冲击压力的影响 ,提出泄洪消能布置的优化建议 。 2 分流齿坎的基本布置形式 分流齿坎在表孔布置中的相对位置如图 1 所示 ,表孔出口处设置的齿状挑坎即为分流齿坎 。分 收稿日期 :2006206201 ()基金项目 :国家自然科学基金资助项目 50539070 () 作者简介 :万五一 1976 - ,男 ,湖南安乡人 ,博士 ,主要从事水力学及河流动力学研究 。E2mail : Wanwuyi @tsinghua . org. cn 齿坎通过改变出口部分水流的方向和流速 ,从而改变水舌的形状和落水范围 。表孔的体形 、分流齿坎的数量和位置都会对水舌的形状和水垫塘底板承受的冲击压力造成较大影响 。如图 2 所示 ,根据齿坎的 () 数量和位置 ,工程中广泛采用的分流齿坎主要有以下 3 种 : 1边侧单齿坎 ,这种齿坎形式通常设置在左 右边侧表孔的外侧 ,每个齿坎都有一个侧面与表孔边壁相接 ,它使水舌落水区靠近水垫塘中间 ,有利于 () 落水归槽 ; 2边侧双齿坎 ,这种齿坎形式通常设置在中间表孔的两侧 ,每个齿坎都有一个侧面与表孔边 () 壁相接 ,它使出口水舌两边上挑 ,水舌中间部分水体增厚 ; 3中间双齿坎 ,这种齿坎形式通常设置在中 间表孔的中间 ,它使出口形成 3 道深槽 ,将水舌分成 3 股水流 ,从而使水舌在空中扩散 。 图 1 溢流表孔上的分流齿坎图 2 分流齿的常见布置形式 边侧单齿坎的形式通常布置在拱坝左右两边表孔的外侧 ,其它表孔则通常设置双齿坎 ,如果齿坎设置在表孔出口两侧 ,简称边齿坎 ,如果齿坎设置在表孔出口中间 ,简称中齿坎 。是否采用齿坎 ,采用何种 形式的齿坎 ,以及齿坎的组合形式都对水舌的形状和水垫塘底板承受的冲击压力有较大影响 。 3 单孔泄洪试验 分流齿坎的数量和位置是影响表孔水舌形状的主要因素 ,为研究表孔出口的齿坎布置对水舌形状及落水区域的影响 ,首先对设置齿坎的单孔水舌形状以及落水形状进行观察和测试 ,并且将测试结果与 无齿坎情况下的水舌进行比较 。 不同分流齿坎形式对水舌形状及落水区域分布影响的模型试验结果如图 3 所示 。 图 3 不同齿坎布置的水舌落水形状与相对位置 表孔设置分流齿坎后 ,单表孔泄洪情况下的落水形状与不设齿坎的水舌特性相比 ,具有如下显著特 () ( ) 点 : 1边侧单齿坎布置的水舌落水区域的形状如图 3 a所示 。有齿坎的部位水流上挑 ,坎上水深变 浅 ,无齿坎部位则形成较深的水槽 ;单齿坎使水流纵向得到扩散 ,水流落水区主体部分偏向无齿坎侧 ,挑 () 距增加 ;落水区域总面积大于无齿坎情况 ,单孔泄洪时对底板的冲击压力小于无齿坎情况 。2边侧双 ( ) 齿坎布置的水舌落水区域的形状如图 3 b所示 。有齿坎的部位水舌上挑 ,无齿坎的中间形成一道较深 的水槽 ;水舌两翼挑距增加 ,中间落水区域纵向拉长 ,水流主体向中间和下游移动 ,水舌中间的纵向分布 () 有明显扩大 ,落水区域的总面积大于无齿坎情况 ,单孔泄洪时对底板的冲击压力小于无齿坎情况 。3 ( ) 中间双齿坎布置的水舌落水区域的形状如图 3 c所示 。从出口形状来看 ,有齿坎的部位水流上挑 ,坎 上水深变浅 ,齿坎将水舌分成 3 股较深的水流 ;从落水区域来看 ,齿坎的设置使水流纵向和横向都得到 扩散 ,水流落水区主体偏向下游 ,挑距增大 ,落水区域面积大于无齿坎情况 ,单孔泄洪时对底板的冲击压 411 无齿坎情况水舌落水区域与碰撞特性 通常情况下 ,如果水舌能满足归槽要求 ,水垫塘内的水 落水范围应尽量分散 ,从而达到分散消能和减小水垫塘底板所受冲击压力的目的 。联合泄洪的水舌 中碰撞特性和落水范围是影响消能效果和水垫塘底板所受冲击压力的重要影响因素 。通过对表孔和 孔联合泄洪进行试验 ,得到深孔泄洪 、表孔泄洪 、表孔与深孔联合泄洪的水范围分布如图 4 所示 ,图 D1 至 D8 为从左至右各个深孔落水区域 ,S1 至 S7 为从左至右各个表孔落水区域 。 图 4 水舌落水范围示意 深孔落水区域 。由于深孔水舌具有较大的水平速度 ,只需将深孔的出口挑角做适当调节就能改 落水区的纵向位置 ,为了使水舌落水纵向拉开 ,深孔的挑角从中间往两边逐渐减小 ,落水区域呈横向 称分布 ,水舌的落水区域如图 4 所示 ,中间深孔的挑距最大 ,落水区离坝身最远 ,边孔挑距最小 ,落水 离坝身最近 。 (表孔落水区域 。与深孔相比 ,表孔出口流速较小 ,落水区离坝身较近 ,虽然相邻表孔的出口挑 角可以错开 ,但纵向扩散幅度不大 ,水舌落水主要呈横向分布 ,为保证水舌归槽良好 ,相邻水舌通常 加 ,水舌的落水区域如图 4 所示 。 表孔 、深孔碰撞后落水区域 。如图 4 所示 ,单独泄洪时表孔的落水区域在深孔的落水区域上游 , 此同时泄洪时 ,表孔和深孔的水舌在空中碰撞 ,中间表孔水舌与中间深孔水舌碰撞 ,边侧表孔水舌与 侧深孔水舌碰撞 。碰撞后的整体落水区域靠近边侧深孔的单独落水位置 ,这样导致了大部分水体落 边侧深孔的落水位置 ,试验证实 ,联合泄洪时底板的最大冲击压力也往往发生在这个位置 。 412 不同齿坎 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对比性试验测试 在高坝坝身泄洪表孔布置齿坎 ,其主要目的是扩散水流 ,改善 洪水舌空中碰撞效果和落水范围 ,从而减小水舌对水垫塘底板的冲击压力 。事实上 ,在表孔上加设齿 既有可能减小水垫塘底板的冲击压力 ,也有可能增大水垫塘底板的冲击压力 。因此 ,如何正确布置齿 是改善消能效果的关键技术之一 。为了分析不同分流齿坎的布置形式对水舌碰撞和水垫塘底板冲击 力的影响 ,对多种齿坎布置方案的水舌形状 、落水范围和水垫塘底板冲击压力进行了测试 ,分析齿坎 置对水舌碰撞和冲击压力的影响 。 41211 齿坎的布置方式 通过改变齿坎的布置位置和数量 ,得到 5 种典型的齿坎布置方案 。齿坎的布 置方式如表 1 所示 。其中方案一为最初的齿坎布置方案 ,方案二为优化后的齿坎布置方案 。 表 1 齿坎设置的形式 # # # # 方案 1 表孔2 ,6 表孔7 表孔 ( ) 一 初始方案外侧边齿坎双中齿坎外侧边齿坎 ( )无齿坎 外侧双中齿坎 无齿坎 外侧二 优化方案 三 边齿坎 双边齿坎 边齿坎 无齿坎 双边齿坎 无齿坎 四 无齿坎 无齿坎 无齿坎 五 41212 联合泄洪水舌交叉碰撞特性 () 1表孔无齿坎 :表孔不设置齿坎时 ,水舌形状为矩形 ,水舌挑距较小 ,与深孔碰撞的角度较大 ,这有 利于水舌在空中的碰撞消能 ,但是表孔的水舌扩散程度不高 ,表孔落水区过于集中 ,这不利于分散消能 , 特别是表孔单独泄洪时会对水垫塘底板造成较大的冲击压力 。 () 2全部设置齿坎 :由表孔水舌单孔试验的成果表明 ,增设表孔分流齿坎后 ,表孔水舌的主体向前移 动 ,如果所有表孔都设置分流齿坎 ,那么联合泄洪时的表孔水流整体前移 。表孔水舌与深孔水舌碰撞位 置前移 ,虽然碰撞的区域加大 ,但纵向扩散不充分 ,且碰撞角度有所减小 。 () 3部分表孔设置齿坎 :如果只对部分表孔设置分流齿坎 ,并且依据深孔水舌纵向分散的规律 ,使挑 距较远的深孔水舌与挑距较远的表孔水舌碰撞 ,挑距较近的深孔水舌与挑距较近的表孔水舌碰撞 ,这样 可以改善水舌碰撞后落水区域的纵向扩散 。 从试验观测和水垫塘底板承受的冲击压力测试表明 ,只在部分表孔上设置齿坎可能具有更好的消 能效果 。当所有表孔均采用齿坎时 ,相邻表孔之间的水舌并没有纵向拉开 ,所有表孔的水舌纵向集中 ; 而去掉表孔边孔的齿坎时 ,减小了边孔的水舌挑距 ,其水舌与其它表孔的水舌在纵向拉开 ,从而改变与 深孔水舌的碰撞位置 ,使碰撞后的水舌在纵向上得到充分扩散 ,改善了水舌在空中的分布 ,有利于扩大 落水范围和分散消能 。 41213 联合泄洪水垫塘底板冲击压力测试 对以上 5 种方案联合泄洪的水垫塘底板受到的冲击压力 Δγ进行测试 ,测试的结果见表 2 ,其中pΠ为时均冲击压力 。表 2 数据表明 ,增设分流齿坎 ,既有可能增 加水垫塘底板承受的冲击压力 ,也可能减小底板承受的冲击压力 。 在初始方案的基础上 ,通过去掉左右两侧表孔的齿坎后 ,水垫塘底板的冲击压力得到了有效控制 。 优化前后的水垫塘底板最大脉动压力过程分别如图 5 和图 6 所示 。由图 5 、图 6 结果表明 ,优化后的脉 动压力的平均值和脉动幅度均小于优化前的齿坎布置方案 。 从测试的冲击压力的分布情况来看 ,水垫塘底板最大压力发生在水垫塘中心线上 ,呈中心向两边逐 渐减小 。方案优化后的水垫塘底板的冲击压力分布如图 7 所示 。 () 表 2不同齿坎布置方案的时均冲击压力比较 单位 :m 方案一方案二方案三方案四方案五HΠm ( ) 上游水位 位置 X , YΔγΔγΔγΔγΔγpΠ pΠ pΠ pΠ pΠ () 268 . 0 26 . 8 12. 6 32 . 3 21. 0 28 . 0 185 ,0 ()185 ,0 266 . 0 16 . 3 9. 7 20 . 5 16. 0 18 . 1 ()264 . 0 10 . 3 7. 4 11 . 9 12. 0 12 . 2 190 ,0 () 262 . 0 6 . 7 5 . 4 6 . 8 8 . 8 9 . 1 190 ,0 () 413 试验结果对比分析 从测试结果可知 ,水垫塘底板最大冲击压力发生点位于 185 ,0附近 ,这与单 独泄洪时边侧深孔水舌落水位置相近 。高水位情况下 ,水垫塘底板承受的冲击压力随水位的增加而迅 速增加 ,这是由于表孔流量随着水位的增加而急剧增加的原因 。以上变化规律是各方案的共同之处 ,除 此之外 ,以上对比性测试结果有如下特点 : () 1对于俯角较大的左右两侧表孔 ,通过去掉边侧齿坎有利于边侧表孔和边侧深孔的对撞 ,边侧表 、# # 深孔水舌碰撞后的落水区域远离最大冲击点 。尽管 1 和 7 边表孔设置齿坎可以改善水舌的扩散 ,但 图 7 水垫塘底板冲击压力分布 () 2对于设置双齿坎的情况 ,中间双齿坎比边侧双齿坎具有更好的扩散水流的效果 。本试验方案 和方案二的水垫塘冲击压力分别小于方案三和方案四的水垫塘冲击压力 ,这表明中间双齿坎的形式 # # 过将水舌分成 3 股水体后 ,使水舌扩散更加充分 ,因此 2 ,6 溢流表孔采用中间齿坎的形式可能更 利于水流扩散 。 () 3通过调整齿坎的布置扩大水舌碰撞后的落水区域有利于减小水垫塘底板的最大冲击压力 。 水垫塘的落水区域来看 ,由于方案二和方案四边侧表 、深孔碰撞后的落水区向上游偏移 ,碰撞后的落 区域在纵向长度上略大于方案一和方案二的落水区域 ,这是水垫塘冲击压力减少的原因之一 。 () 4利用分流齿坎改变水舌形状与位置 ,能够增强水舌空中碰撞效果 ,减小水垫塘底板冲击压 在中间表孔设置齿坎后可以增加表孔水舌的挑距 ,使其与中间深孔的碰撞落水区域向下游扩散 ;边侧 孔去掉齿坎后 ,水舌的挑距减小 ,它与深孔碰撞后的落水区域向上游扩散 ;采用中间设置齿坎 ,而边侧 设置齿坎的组合方案 ,可以改善水舌在空中碰撞效果和增大水舌落水范围 ,从而达到更好的分散消能 效果 。 以上分析表明 ,分流齿坎的设置对水舌碰撞和水垫塘底板冲击压力有较大影响 ,它既有可能减小 垫塘底板的冲击压力 ,也有可能增大底板的冲击压力 。在多孔双层水舌碰撞情况下 ,如果去掉边侧表 的齿坎 ,边侧表孔的落水挑距减小 ,并且直接与边侧深孔水舌充分碰撞 ,这样有可能使边侧水舌的落 远离最大冲击点 ,并且使碰撞后的整体落水范围在纵向更进一步扩散 ,从而减小水垫塘底板承受的最 冲击压力 。虽然以上特点是在特定条件下成立的 ,齿坎的具体 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 和布置需要在试验研究中不断优 但它为齿坎的布置提供了一种思路 。 5 结论 在水力学模型中研究了分流齿坎对水舌形状和水垫塘底板冲击压力的影响 ,包括单孔水舌泄洪 联合泄洪的工况 。试验结果表明 :通过增设表孔出口齿坎 ,可以增加单表孔主流部分的挑距 ,增加水舌的落水区域面积 ,减小单孔泄洪时水舌对水垫塘的底板冲击压力 ;中间双齿坎比边侧双齿坎的扩散效果 更为明显 ,对于坝身采用多孔大差动形式泄洪表孔 ,中间表孔采用中间双齿坎有利于水流的扩散和减小 水垫塘底板冲击压力 ;边侧表孔不设置分流齿坎可能更有利于水舌的整体碰撞 ,增大碰撞后的纵向落水 范围 ;采用中间表孔设置齿坎和边侧表孔不设置齿坎的整体布置形式 ,有可能提高碰撞消能效果 ,减小 水垫塘底板承受的最大冲击压力 。 参 考 文 献 : () 1 崔广涛 ,林继镛 ,梁兴蓉 . 拱坝溢流水舌对河床作用力及其影响的研究 J . 水利学报 ,1985 , 8:58 - 63.( 孙建 ,李玉柱 ,余常昭 . 高拱坝表孔及中孔挑流水舌上下碰撞作用下基岩冲刷 J . 清华大学学报 自然科学 2 ) () 版,2002 ,42 4:564 - 568. () () 刁明军 ,杨永全 . 表中孔水舌空中碰撞消能试验研究 J . 四川大学学报 工程科学版,2002 ,34 2:13 - 15. 3 () 杨家卫 ,薛芝龙 ,马麟. 小湾水电站泄洪建筑物布置优化研究 J . 水力发电 ,2004 ,30 10:24 - 26. 4 () 秦玉芝 . 二滩水电站表孔溢洪道俯角坝面分流齿坎体型的优化研究 J . 水电站设计 ,1998 ,14 1:92 - 97. () 程子兵 ,韩继斌 ,黄国兵 . 构皮滩水电站泄洪消能试验研究 J . 人民长江 ,2006 ,37 3:84 - 86. 5 () 李玉柱 ,孙建. 小湾工程水垫塘优化布置的试验研究 J . 云南水力发电 ,2000 ,16 1:40 - 44. 6 () 肖白云 . 溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能技术研究 J . 水力发电 ,2001 ,27 8:69 - 71. 周7 () 钟 ,沈文莉 ,黄庆. 溪洛渡水电站坝身泄洪消能布置 J . 水电站设计 ,1999 ,15 2:5 - 13. 8 9 Effect of dentated bucket on na ppe sha pe and impact pressure acting on plunge pool floor WAN Wu2yi , J IANG Chun2bo , L I Yu2zhu , ZHANG Shi2yan ( )Tsinghua University , Beijing 100084 , China Abstract : The effect of dentated bucket on nappe shape and impact pressure acting on plunge pool floor downstream of the arch dam is studied in model test . The flood discharging structures of the dam to be studied include 7 openings of spillways and 8 midlevel outlets. The hydraulic characteristics of the nappe affected by different shapes of dentated bucket during flood releasing of single spillway opening are studied . It is found that the dentated bucket is effective in increasing the trajectory length of nappe and is helpful in enhancing the spreading of the nappe so that the impact pressure can be mitigated. Furthermore study shows that the reasonable operation combination of spillways and midlevel outlets is effective in enhancing the interactive impact of nappes in air resulted in the improvement of energy dissipation. The arrangement of flood releasing structure with dentated bucket spillway openings located at the central position and non2dentated bucket openings located on both sides is in favor of improving the energy dissipation of the project . Key words : dentated bucket ; spillway ; midlevel outlet ; energy dissipation ; flood discharge ; floor of plunge pool ; impact pressure ()责任编辑 :韩昆