防洪坝地下消力池的设计与有效性分析.pdf
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1、第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,刘涛防洪坝地下消力池的设计与有效性分析J水利科学与寒区工程,():防洪坝地下消力池的设计与有效性分析刘涛(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局,新疆 乌鲁木齐 )摘要:本文通过物理模型,利用K R方法对阿勒泰防洪坝原消力池进行了重新设计,形成非棱柱形消力池地下消力池.结果发现:重新设计的地下消力池使能量消耗增加了 倍,端槛高度降低.并且可以将洪水重现期作为主要的设计标准之一,在短期洪水重现期可
2、以降低端槛高度.关键词:地下消力池;K R方法;防洪坝;端槛;水跃中图分类号:T V ;T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:刘涛(),男,新疆库尔勒人,高级工程师,主要从事水利工程建设管理工作.E m a i l:q q c o m.地下消力池(I S B)作为传统消力池的替代方案,是一种底部出水口后同时截面增大和突然下降的消力池.目前,已有学者对消力池(S B)中的水跃进行了大量研究 ,但对I S B内的水跃研究还很少.本文以位于额尔齐斯河流域阿勒泰防洪坝及其消力池为研究对象,此消力池采用水力经典跳跃法设计,为了获得所需的尾水深度,在消力池下游安装了一个端槛.在端槛上安装
3、了两个狭缝,用于冲洗泥沙并实现鱼类通过功能.本文应用K R方法(K a t a k a m和R a m a在 年对一个仅扩大消力池的水跃进行了理论和试验研究,本文将此研究方法简称K R法)提出了所研究消力池的更新设计,即地下消力池和主要控制参数.并从阿勒泰防洪坝出口尺寸和消力池尺寸的角度对消力池的新设计和现有设计进行了比较.地下消力池传统消力池由棱柱形、矩形和接近水平的水池组成,该水池采用经典水力跳跃法设计.这种消力池需要相对较高的下游尾水深度,以确保从超临界流过渡到亚临界流,并减少下游河床的侵蚀.通过将突然增大和突然下降相结合,形成了类似于阿勒泰防洪坝的非棱柱形消力池.主要参数定义当突然下降
4、与突然扩大相结合时,每个测量值的典型水力现象相互重叠,相互影响,并产生整体特征非常复杂的水力跳跃.本文在塔里木大学水利实验室开展了这项研究,旨在研究I S B中的水跃流动模式.清水相中I S B的能量损失(HL)可能取决于以下参数,如式()所示.HLf(U,b,h,s,B,L,h,D,w,g)()式中:HL为能量损失,m;U为底部出口的出口速度,m/s;b为出口宽度,c m;h为出口高度,c m;s为台阶深度,c m;B为I S B宽度,c m;L为S B长度,c m;h为后续深度,c m;D为端槛高度,c m;w为水密度,g/c m;g为重力加速度,m/s.因此,相对能量损失R E L可以写
5、成以下无量纲参数的函数,如式()所示.R E LHLHsf(F r,y,S,)()式中:H和F r分别为底部出口与消力池的总能量和弗劳德数;y为后续深度与出口高度的比值(h/h);为出口宽度与出口高度的比值(b/h);为膨胀比(B/b);S为跌落数或阶跃深度与底部出口高度的比值(s/h);为I S B的长宽比(B/L);为相对端梁高度(D/B).此外,后续深度(h)可以在式()中定义.hsDhc()式中:h为后续深度,c m;s为台阶深度,c m;D为底槛高度,c m;hc为端槛上的临界水深(F r),c m.基于K R方法的消力池设计在K R方法中应用动量守恒定理及能量方程如式()和式(),
6、以计算I S B的后续深度与出口高度的比值y和相对能量损失R E L.该等式的输出可以作为确定I S B最佳设计的可靠准则之一.yF r(y)y(S)()()R E L(yF ry)/(SF r)()阿勒泰防洪坝和消力池阿勒泰防洪坝设计为额尔齐斯河 a一遇的可能流量(Q洪峰 m/s),并安装了两个无闸门底部出口(m m个)和溢流溢洪道.为了消散能量,设计了一个带有端槛(Dm)的传统水跃式消力池,其中安装了两个狭缝,用于从消力池中进行自泥沙冲洗,如图所示.此消力池的设计非常接近所提出的I S B概念;因为阿勒泰防洪坝的河床高度比其底部出口的高度低m,在该底部出口处形成了一个水池.但是,阿勒泰防洪
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