亭子口水利枢纽底孔泄洪消能体型设计研究.pdf

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1、第42卷第15期人民长江Vo1．42，No．152011年8月YangtzeRiverAug．，2011文章编号：1001—4179(2011)15—0018一O3亭子口水利枢纽底孔泄洪消能体型设计研究职承杰，洪启田，薛维成，曾令华(1．长江勘测规划设计研究院枢纽设计处，湖北武汉430010；2．武警水电三峡工程指挥部，湖北宜昌430223)摘要：亭子口大坝底孔设计运行水头为国内最高，底孔有压段出口处存在高水头弧形闸门止水问题，明流段及消力池内也存在高速水流下的空化空蚀问题。为解决上述问题，对底孔体型及消能工型式进行了深入研究，弧形工作闸门区采用突扩突跌掺气体型以满

2、足闸门止水和掺气减蚀要求；消能工采用跌坎式消力池，以降低闸墩尾部立轴漩涡对跌坎立面和消力池底板的空蚀破坏，同时消力池内临底流速得以大幅降低，使底板发生冲蚀破坏的可能性大大减小。经模型试验验证，底孔泄洪消能体型设计能够满足工程运用要求。关键词：底孔；突扩突跌；跌坎式；体型；亭子口水利枢纽中图法分类号：TV135文献标志码：A亭子口水利枢纽底孑L设计运行水头国内领先。5亭子口水利枢纽泄洪底孔弧形工作门区存在高速个永久性泄洪底孔布置于河床中部，承担着泄洪、排沙水流下的空化空蚀问题和高水头弧形闸门止水问等工程任务，孑L口尺寸为6m×9m(宽×高)，底孔设题¨，所以出口弧形工

3、作闸门区采用突扩突跌掺气体计工况下水头87．30m，总泄量9700m／s；校核工况型，既达到掺气减蚀的目的，同时也能够适应高水下水头89．07m，总泄量达9800m／s。孔口尺寸大、头弧形闸门布设偏心铰或液压伸缩式止水的要求。水头高、流速大、闸门调度频繁、运行时间长等特点给1．2突扩突跌掺气体型设计带来较大困难。弧形工作闸门开启时，水流出有压段后，向左右两侧及底部扩散，在两侧突扩边墙后形成侧空腔，在底板1底孔孔口体型研究突跌后形成底空腔。理想的突扩突跌掺气体型是两侧1．1基本布置空腔和底空腔内的流态均稳定且相互贯通，可同时对底孔进口有压段分有压短管和有压长管两种型边

4、墙及底板起到掺气减蚀保护作用。式，从工程布置、造价、工期和简化施工等方面进行了(1)突扩宽度。突扩宽度一方面要满足弧形工作比较分析，确定底孔进口采用有压短管型式，见图1。闸门止水布置要求，同时又要能保证形成稳定的侧空有压段长度29．50m，布置3道闸门，即进口反钩检修腔，达到理想的掺气效果。突扩宽度直接影响到侧空门、中部平板事故检修门、出口弧形工作门。底孑L采用腔特性，一般来说突扩宽度大，侧空腔特性稳定，掺气平进口，孔口尺寸6m×9m(宽×高)，共5孔。进口减蚀效果就好。根据国内外工程采用的突扩体型，其顶曲线及侧曲线均采用1／4椭圆线，顶曲线长轴12．3突扩宽度一般

5、在0．4～0．8m，结合工程具体情况综m，短轴4．1m；侧曲线长轴4．5m，短轴1．5m，后设孔合考虑，本工程底孔突扩宽度采用0．5m。模型试验顶压坡段，与出口明流段相接。事故检修门前孔顶压成果表明：水流出有压段后，左右侧约束消失，产生横坡坡比1：5，事故检修门与弧形工作门间孔顶压坡坡向扩散，形成了稳定的侧空腔流态，水流撞击侧墙后，比1：4。向上形成水翅，其最高点距离弧门支铰尚有3．3m，弧收稿日期：2011—04—07作者简介：职承杰，男，工程师，主要从事水利工程坝工设计工作。E—mail：zhichengjie@cjwsjy．COB．en第15期职承杰，等：亭子

6、口水利枢纽底孔泄洪消能体型设计研究19门支铰安全有保障。证，亭子口水利枢纽泄洪底孔最终确定为底流消能型(2)突跌高度。突跌高度同样要满足弧形闸门止式。水布置要求，但更为重要的是要形成稳定的底空腔流(1)平底消力池。所谓平底消力池，即是底孑L出态，与两侧空腔相互贯通，便于通气孔布置，满足掺气口明流泄槽段经一段圆弧与消力池底板平顺相接。亭减蚀要求。通常情况下，突跌高度越大，底空腔特性越子口水利枢纽泄洪底孑L孔口采用突扩突跌体型，有压稳定，掺气减蚀效果越理想。但随着突跌高度的增加，段出口两侧各突扩0．5In，底部突跌1．6m，跌坎下接水流在重力作用下，与明流泄槽段底板撞击

7、角度变大，2．0m平台，后接明流泄槽段，并通过一段反弧再与消回溯水流增强，影响底空腔的稳定和有效长度，同时泄力池护坦底板平顺连接，泄槽坡比1：4．5，反弧段半径T●引1槽底板上水流冲击力增大，水流流态变差，因此突跌高75m。根据水力学消能设计计算成果，本工程底孑L消度不宜过大。借鉴已建工程经验，本工程底孑L突跌高力池结构尺寸：底板高程354．0m，池长170m，尾坎高度采用1．6m，后经模型试验验证，各种运行工况下明程367．0m，详见图2。流泄槽段的掺气浓度在2．5％～59．1％，能够显著减通过水力学模型试验，发现平底消力池存在如下轻甚至完全消除混凝土的空蚀破