導語：溢洪道設計應用論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

***水電站位于云南省***上，是***中下游梯級規劃二庫八級電站的第五級，也是梯級中的兩大水庫之一，水庫總庫容約237×108m3，電站裝機容量約5850MW。***水電站左岸為開敞式溢洪道，泄槽水平長850m，設兩個底坡：樁號0+50.810~0+178.000，底坡=0.1332；樁號0+178.000~0+820.000，底坡=0.23。泄槽總寬151.5m，用隔墻分為左、中、右三槽，左槽寬54.75m，中槽寬45.40m，右槽寬45.40m。溢洪道最大泄量為31673m3/s，相應泄洪水頭181.5m，最大流速達53m/s，泄洪功率巨大，居國內同類工程岸邊溢洪道之首。

在設計過程中進行分別進行了溢洪道整體水工模型試驗和坎槽式摻氣減蝕措施的斷面模型。

2已有的工程設計經驗

根據有關資料，溢洪道中摻氣減蝕設施以坎槽組合式為較好，挑坎可以把水流挑射出去，對空腔的形成比較有利，而摻氣槽對進氣有利，摻氣比較充分。

空腔負壓決定摻氣量的多少，空腔負壓較小時，摻氣不充分，摻氣效果不好。但并非空腔負壓越大越好，空腔負壓較大時，會使摻氣大量溢出，同時造成邊墻水翅過大，再則，空腔負壓過大，空腔被壓縮，水舌不穩，摻氣量也會減少。造成空腔負壓過大的原因，一則是因為水流流速、坎高的原因，二則是因為通氣不暢。因此，一個良好的摻氣坎槽要有足夠的空腔長度，一定的空腔負壓和充分的通氣量。

工程上一般以空腔負壓-0.53~-1.0m水柱作為設計依據。

3分析研究成果

3.1空腔負壓與坎高的一般規律

結合***水電站溢洪道的工程布置形式，即兩個底坡：=0.1332過渡到=0.23，中間用渦曲曲線平滑連接，在研究中分別研究了流速為25m/s、30m/s、35m/s、40m/s、42m/s時的空腔負壓的關系，得出如下規律：

1）相同坎高，單寬流量小，則空腔負壓大；

見表1（流速25m/s）中，序號1與序號3、序號4與序號5；表2（流速30m/s）中序號3與序號7；表3（流速35m/s）中序號1與序號3、序號4與序號6。上述數據均很好的反應了坎高相同，當單款流量小時，空腔負壓偏大的規律性。

2）單寬流量相同或者接近，坎高較大，則空腔負壓較大。

見表表1（流速25m/s）中，序號2與序號4；表2（流速30m/s）中序號2與序號3、序號6與序號7；表3（流速35m/s）中序號1與序號4。從表中數據可看到，上述規律反映的比較好。

當然上述規律為本次研究所顯示的一般規律，空腔負壓的大小不單取決于坎高還與來流流速、單寬流量、坎面坡度等因素有關。表2（流速30m/s）中，由序號1與7比較，單寬流量相同，坎面坡度較陡，雖然坎低，空腔負壓則不小。表4（流速為40m/s和流速為42m/s）中的實驗數據與前面數據相比，其坎高已不小，但空腔負壓不大，是因為流量大、坎面坡度緩的緣故，空腔負壓也在一般設計范圍（-0.53~-1.0m水柱）。

3.2實驗數據資料

表1坎高與空腔負壓的關系（模擬流速25m/s）

序號

單寬流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔負壓(m)

空腔

狀況

1

61.75

25

0.99

5.0

-0.67

好

2

91.25

25

1.10

6.67

-0.64

好

3

65.5

25

0.98

6.67

-0.56

好

4

94.5

25

0.59

6.25

-0.42

5

68.75

25

0.54

6.25

-0.56

好

表2坎高與空腔負壓的關系（模擬流速30m/s）

序號

單寬流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔負壓(m)

空腔狀況

1

106.5

30

0.71

5

-0.96

好

2

157.8

30

1.56

6.67

-0.93

好

3

113.1

30

1.41

6.67

-0.80

好

4

118.0

30

0.78

6.25

-0.86

好

5

163.5

30

0.85

6.25

-0.61

好

6

134.0

30

0.68

12.5

-0.92

好

7

106.5

30

1.42

12.5

-0.96

好

表3坎高與空腔負壓的關系（模擬流速35m/s）

序號

單寬流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔負壓

(m)

空腔

狀況

1

169.0

35

1.93

5.0

-1.30

2

187.0

35

1.06

6.25

-1.10

3

179.5

35

1.92

6.67

-1.09

4

169.0

35

0.97

12.5

-1.27

5

126.4

35

0.89

12.5

-0.78

好

6

141.4

35

0.99

6.25

-0.59

好

表4坎高與空腔負壓的關系（模擬流速40m/s、42m/s）

序號

單寬流量(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△（m）

坎面坡度

m

空腔負壓(m)

空腔

狀況

1

188.9

40

1.16

12.5

-0.53

好

2

220.0

42

1.30

12.5

-0.78

好

3

211.18

40

1.29

6.25

-0.77

好

4坎面坡度對空腔淹沒程度的影響的一般規律總結

在單寬流量相差不大的前提下，當坎面坡度較緩，空腔長度較短，空腔淹沒程度較小，反之，當坎面坡度較陡，空腔長度也較大，但其空腔淹沒程度較大。這是因為坎面坡度較陡時，水流挑射遠，入射角大，容易形成反向旋輥，造成淹沒空腔。

4.1實驗數據資料及分析

表6坎面坡度對空腔淹沒程度的影響分析（流速為25m/s、30m/s）

序號

單寬

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△(m)

坎面坡度

m

空腔

長度

(m)

空腔淹沒程度

空腔程度

空腔狀況

1

91.25

25

1.1

6.67

21.91

0.641

0.833

0.359

0.167

2

65.5

25

0.98

6.67

19.63

0.500

0.733

0.500

0.267

好

3

94.5

25

0.59

6.25

16.61

0.666

0.888

0.334

0.112

4

68.75

25

0.54

6.25

22.05

0.500

0.769

0.500

0.231

好

5

61.75

25

0.493

5.00

19.73

0.70

0.875

0.300

0.125

6

77.5

25

0.47

12.5

16.27

0.636

0.818

0.364

0.172

7

157.8

30

1.578

6.67

31.56

0.641

0.833

0.359

0.167

8

113.1

30

1.41

6.67

28.27

0.500

0.733

0.500

0.267

好

9

163.5

30

0.85

6.25

23.9

0.666

0.888

0.334

0.112

10

118.0

30

0.780

6.25

22.05

0.500

0.769

0.500

0.231

好

11

106.5

30

0.71

5

15.23

0.70

0.875

0.300

0.125

12

134.0

30

0.682

12.5

23.43

0.636

0.818

0.364

0.172

13

106.5

30

1.420

12.5

28.4

0.670

0.875

0.330

0.125

注：---反向旋滾穩定點至挑坎的距離，---反向旋滾上沖點至挑坎的距離

表中，序號2、4較好，坎面坡度為1:6.25~6.67，空腔長度在20m左右；序號12、13，坎面坡度為1:12.5，空腔長度在25m左右，空腔淹沒程度較大，達65%左右。

表7坎面坡度對空腔淹沒程度的影響分析（流速為25m/s）

序號

單寬

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△

(m)

坎面坡度

m

空腔

長度

(m)

空腔淹沒程度

空腔程度

空腔狀況

1

169.0

35

1.93

5.00

38.66

0.70

0.875

0.300

0.125

2

187.0

35

1.06

6.25

43.20

0.500

0.769

0.300

0.231

3

179.5

35

1.92

6.67

38.48

0.500

0.733

0.500

0.267

好

4

169.0

35

0.97

12.5

21.13

0.70

0.875

0.300

0.700

5

126.35

35

0.89

12.5

16.67

0.25

1.000

0.75

好

6

141.4

35

0.99

6.25

29.3

0.47

0.68

0.530

0.320

好

表中序號1、3坎面坡度較陡，分別為1:5和1:6.67，淹沒程度大；序號5最好，為自由空腔；其次是序號6空腔程度為53%，坎面坡度1:6.25。

表8坎面坡度對空腔淹沒程度的影響（流速為40m/s、42m/s）

序號

單寬

流量

(m3/s.m)

流速

(m/s)

坎高

△(m)

坎面坡度

m

空腔

長度

(m)

空腔淹沒程度

空腔程度

空腔狀況

1

188.9

40

1.16

12.5

21.77

0.00

0.25

1.00

0.75

好

2

211.18

40

1.29

6.25

38.28

0.47

0.68

0.53

0.32

3

220.0

42

1.29

12.5

24.18

0.00

0.25

1.00

0.75

好

表8中序號1、3最好，為自由空腔，坎面坡度為1:12.5。

4.3坎面坡度對挑射水流落點及沖擊力的影響

坎面坡度的大小直接關系到挑射水流的入射角，入射角的大小又影響到水流落點以及落點處的沖擊力與動水壓力，入射水流的動水壓力及其波動值過大，將影響到溢洪道底板的穩定以及邊墻、中隔墻的穩定。

一般規律：坎面坡度大，挑射水流落點壓強也相應增大。

4.4摻氣減蝕試驗綜合分析比較表

表9摻氣減蝕試驗綜合分析比較表

序號

單寬流量

qw

(m3/s.m)

流速

v

(m/s)

坎高

△

(m)

坎坡

m

空腔長度

L(m)

空腔負壓

p(m)

單寬

摻氣量

qa(m3/s.m)

氣水比

空腔

淹沒程度

%

1

91.25

25

1.10

6.67

21.91

-0.64

4.86

0.053

64

2

68.75

25

0.54

6.25

22.05

-0.56

2.26

0.033

50

3

113.1

30

1.41

6.67

28.27

-0.80

5.23

0.049

50

4

163.5

30

0.85

6.25

23.90

-0.61

4.96

0.030

50

5

126.4

35

0.89

12.5

16.67

-0.78

7.00

0.039

6

141.4

35

0.99

6.25

29.30

-0.59

9.90

0.058

47

7

188.9

40

1.16

12.5

21.79

-0.53

7.40

0.039

8

211.2

40

1.29

5.25

24.18

-0.77

12.3

0.058

47

9

220.0

42

1.30

12.5

24.00

-1.12

8.56

0.039

5***水電站坎槽式摻氣減蝕措施的設置分析與應用

根據表9的綜合分析比較，及結合目前已建工程的成功經驗，如：烏江渡水電站、東江水電站等，***水電站摻氣坎槽沿程設5級。

5.1溢洪道各級坎槽設置分析

第一級坎槽：根據表9，序號1、2試驗結果，坎高在1.10m，有足夠的空腔長度，為20m，空腔負壓值較好，為0.60m水柱，單寬摻氣量較?。╭a=4.86m3/s.m），空腔淹沒程度較大。對于***水電站溢洪道，在流速25m/s處設坎槽，應提高坎的高度，坡度略緩，為△=1.6m，坎坡為1:8，槽寬、槽深均為1.25m，槽底與溢洪道底坡以450斜面相接；

第二級坎槽：由表9序號3、4試驗結果看，坎高在1.41m，有足夠的空腔長度（28.27m），空腔負壓較好，其值為-0.80m水柱，但單寬摻氣量不足，qa=5.23m3/s.m。對于***水電站溢洪道，在流速31m/s處設坎槽，坎的高度取為△=1.4m，坡度略緩，坎坡為1:8，槽寬、槽深均為1.25m，槽底與溢洪道底坡以450斜面相接；

第三級坎槽：根據表9序號5、6試驗結果看，坎高在0.85m，空腔長度足夠，為23.90m，空腔負壓尚好，為-0.61m水柱，單寬摻氣量不足，為4.96m3/s.m。對于***水電站溢洪道，在流速36.5m/s處設坎槽，坎的高度可略高一些，取△=1.0m，坡度略緩，坎坡為1:10，槽寬、槽深均為1.25m，槽底與溢洪道底坡以450斜面相接；

第四級坎槽：由表15序號7、8試驗結果看，坎高在0.89m,空腔長度足夠，為24.18m，空腔負壓尚好，為-0.77m水柱，單寬摻氣量充足，為12.24m3/s.m。對于***水利樞紐溢洪道，在流速41m/s處設坎槽，坎的高度可略低一些，取△=0.8m，坡度略緩，坎坡為1:10，槽寬、槽深均為1.25m，槽底與溢洪道底坡以450斜面相接；

第五級坎槽：由表15序號9試驗結果看，坎高在1.30m,空腔長度足夠，為24.0m，空腔負壓較大，為-1.12m水柱，單寬摻氣量尚可，為8.56m3/s.m。對于***水利樞紐溢洪道，在流速42.9m/s處設坎槽，坎的高度可略低一些，取坎高△=0.6m，坡度略緩，坎坡為1:12，槽寬、槽深均為1.25m，槽底與溢洪道底坡以450斜面相接。

5.2溢洪道各級坎槽設置實踐

根據上述分析，***水電站摻氣坎的設置如表10，見附圖1：

表10***水電站摻氣坎槽設計表

坎級

樁號

坎槽結構

保護長度

（m）

流速

(m/s)

坎高(m)

坎坡(m)

槽寬(m)

槽深(m)

1

0+250

1.60

1:8

1.25

1.25

103.0m

25.08

2

0+350

1.40

1:8

1.25

1.25

123.2m

31.0

3

0+470

1.00

1:10

1.25

1.25

153.9m

36.5

4

0+620

0.80

1:10

1.25

1.25

133.4m

41.0

5

0+750

0.60

1:12

1.25

1.25

70.0m

42.9

6結語

摻氣減蝕工程措施的設置在解決高速水流的危害方面有明顯的作用，但是摻氣減蝕的影響因素較多，且復雜，本文從摻氣坎的角度：坎高、坎坡兩方面作了分析，而如通氣量等其他因素，對摻氣坎的設計也有很大的影響，本文沒有做進一步的分析。另外，水利水電工程的運行條件復雜多變，運行環境亦不穩定。

要很好的解決高速水流的摻氣減蝕問題，應該全面的考慮上述各種因素及具體工程的實際情況。

參考文獻：

吳持恭編著，《水力學（第二版）》，高等教育出版社，1996年。

《***水電站溢洪道泄槽摻氣減蝕模型試驗報告》，天津大學，2003年。

《***水電站可行性研究報告（第五篇）》，昆明勘測設計研究院，2003年。

《***水電站可行性研究階段泄洪消能與防沖專題報告》，昆明勘測設計研究院，2003年。