消能建筑物（共9篇）
消能建筑物 篇1
1 前言
庆阳市区火巷沟排洪工程位于陇东黄土高原东部董志塬腹地的庆阳市西峰区, 海拔1400m, 地貌类型属典型的黄土残塬沟壑区, 第四系黄土层巨厚, 厚度可达200m左右。该区属温带半干旱气候, 多年平均气温8.3℃、极端最高气温39.6℃、极端最低气温-22.6℃;最大冻土深度82cm, 多年最大风速20m/s, 多年平均降水量552.1mm, 降雨年内分布极不均匀, 7、8、9三个月降水量占全年降水的70%, 时空分布差异大, 洪水过程呈暴涨暴落的尖廋型, 对城市排洪工程危害较大。市区老城排水系统主要为建于20世纪70、80年代的火巷沟排洪排污工程, 管道最大直径800mm, 近年来, 随着城市化进程的推进, 加之原有排洪设施老化失修, 其排洪能力远不能满足城市迅速发展的要求。排洪工程下沟段管道在强大的水流冲切下不断折毁, 蚕食着城区塬面和周围居民住宅小区, 沟头持续向后推移, 水土流失严重, 对居民生命安全造成巨大的威胁, 修建新的排洪工程刻不容缓。
该工程于2006年7月底开始动工修建, 管线全长1547m, 其中下沟段长500多m, 高差148m。2007年6月中旬, 塬面工程三个标段竣工。下沟段工程 (第四标段) 由于山体滑坡进行了重新勘察和论证, 确定工程变更设计方案:一是利用改建已建成的应急排洪导流工程作为永久工程的一部分, 在先期建成的三标段排洪箱涵上游与导流工程分水口处建分水堰, 并在该管道中间段施工营地平台增建暗箱式消能箱;二是重新布线, 在导流工程东侧新建一条排洪管道, 接三标段排洪箱涵末端, 建连接池, 铺设下沟排洪钢管至施工营地平台, 在平台东侧建暗箱式消能箱, 铺设下沟排洪钢管至沟底, 在沟底建消能池和泄水明渠, 两条泄洪管道联合运行, 总泄流量31.88m3/s。
2 工程方案和总体布置
2.1 工程方案
下沟段排洪工程变更设计在原设计方案无法实施的情况下, 进行了三个方案比较。各方案均由陡坡式消能竖井、陡坡管道、消能工等建筑物组成。由于前期施工开挖, 线路地层结构比较清楚, 建筑物地基除末端消能工坐落在午城黄土层外, 其余均坐落在上离石黄土层上, 基础稳定。
方案一和方案二在上段均布设消能竖井, 陡坡管段采用现浇箱涵结构, 可很好的解决高速水流的长流程、大落差水力消能问题, 缺点是陡坡与消能竖井水力衔接困难, 另外, 1∶3.5的陡坡坡比混凝土施工的支模、浇筑亦很困难, 加之工期紧, 工程质量很难保证。
方案三是首先利用已建成的应急排洪导流工程设施, 在不影响正常泄流的同时修建新的管道工程, 可合理安排施工组织, 有效缩短工期。另外, 由于使用采购钢管, 降低下沟施工难度, 节约工程造价。
根据管线地形地貌、地质构造、施工条件、技术经济等方面条件, 经反复论证, 选择方案三为工程变更设计的实施方案。
2.2 总体布置
下沟工程按合流～分流的方式布置。
合流:市区的雨污水来流在源面汇入汇流池, 然后通过2.6m×2.6m的箱涵与分流堰相接。
分流:来流通过分流堰, 分成东西两条支线, 分别通过箱涵、陡坡管道、消能箱、消力池等设施排入沟底。
1) 西侧应急导流工程:
西侧下沟管道与分水堰左侧的分流孔相接, 在1325.0m高程施工平台增建消能箱1座, 以消能箱为界, 分前后两段。前段管径为Dn=1420mm, 坡度为1∶13, 后段管道Dn=1220mm, 坡度1∶3。管道出口设有一消力池, 最大设计泄流量为12.0m3/s。
2) 东侧新建下沟管道工程:
其前端与箱涵相接, 在1325.0m高程施工平台建消能箱1座, 以消能箱为界, 前段管道直径Dn=1620mm, 坡度1∶3.5, 后段管道直径为Dn=1420mm, 坡度1∶3, 管道末端与沟底消力池相接, 管道最大设计过流量为19.88m3/s。
3 折冲式消能箱设计
排洪工程下沟段管线长500多m, 首、末端垂直高差148.0m, 最陡段坡比1∶3, 泄洪流量31.88m3/s, 属于特大陡坡建筑物, 在省内外尚属少见。工程设计参考国内外有关高水头水工建筑物设计和建设的资料以及国家、行业规范及标准, 主要建筑物根据水力计算参数和同类建筑物经验数据初拟管道规格及消能建筑物体型和结构尺寸, 再进行水工模型试验, 逐步修正设计参数, 使之符合实际工况。
消能箱为折冲式箱体结构, 是一种新型的消能功, 具有占地面积少、结构简单、消能效率高等优点, 但目前尚无成熟的设计方法, 需要通过试验确定其结构和体型。
东侧消能箱设在1325.0m高程施工营地平台上, 消能箱长28.15m, 宽5.0m, 高8.0m;池内前端距管道进口正前方5.0m, 距池底3.85m高处, 设直径为1.0m的半圆型消力球;后端设2道消能隔墙, 前一道消能墙距进口7.9m, 顶部开敞, 隔墙高5.0m, 厚1.0m, 墙顶设消能齿坎, 齿坎高1.0m, 宽45.5cm, 底部设消能格栅, 孔口高1.0m, 宽45.5cm;后一道消能墙距前一道消能墙2.85m, 为倒悬挂式, 底部开敞, 隔墙高4.5m, 厚1.0m, 底部设消能齿坎, 高1.5m, 消力齿间距45.5cm。后段为衔接消能明流段和渐变段, 明流段长14m, 渐变段长24m;渐变段进口由4×4m矩形断面渐变为直径1.42m的圆形断面, 末端与泄流钢管连接。消能箱采用C30钢筋砼结构, 池底板厚1.0～1.5m, 池壁厚1.0m, 池底板厚0.3m;基础设C15砼垫层厚10cm, 2∶8水泥土处理层厚30cm, 原土夯实层厚50cm。
西侧消能箱与东侧消能箱在同一高程平台平行布设, 消能箱长23.8m, 宽4m, 高8m;池内距管道进口正前方1.85m, 距池底3.5m高处, 设直径为1.0m的半圆型消力球;箱内消能隔板及齿坎, 基本同东侧消能箱设计。后端渐变段长24m, 渐变段进口由3m×2m矩形断面渐变为直径1.22m的圆形断面, 末端与泄流钢管连接。
4 水工模型试验
水工模型试验的主要目的是验证折冲式消能箱、下游陡坡收缩段设计体型和布置方案的合理性并观测消能效果, 提出能满足工程要求的最优体型方案。模型试验按小比尺 (1∶15) 、正态和重力相似准则设计、满足几何相似、糙率相似和边界条件相似等主要相似条件, 符合水工模型试验规程的要求。
原设计方案消能箱的内部结构是由三部分组成, 前部为一半球壳, 中后部设置了两个隔墙。东西两消能箱结构基本相同。试验通过2、7、12 (10) 、17 (12) 、20m3/s五个流量分级, 观察水位、压力和箱内的流速分布, 对原型消能箱内“半球壳”折冲体、前后消能隔板位置、高度及齿坎结构进行了两次修改, 三次试验。
经模型验证, 箱体结构优化后, 消能箱与出口相连的陡坡收缩段 (渐变段) 体型基本合理, 水流衔接平顺, 流速分布均匀。从消能箱前后各断面的压力测量结果看, 在各级流量情况下, 个别断面会出现负压现象, 但由于负压数值较小, 判断不会产生气蚀现象, 建议在消能箱前部和上游管道上设置足够面积的通气孔, 以保证管道和消能箱充气和排气的畅通。
5 消能效果分析
消能箱的消能效果好坏, 与消能箱内部特殊的水流结构有密切关系。消能率是反映消能效果的一个指标, 经过计算, 试验消能箱的消能效率在70%～90%之间, 较一般消力池的消能率 (45%～70%) 要高出20%。
根据消能箱内的水流结构和特征, 将消能箱分为三个区域:半球体周围的强烈掺气区、两个隔墙之间的能量耗散区, 后隔墙至消能箱出口的水流流态调整区。水流能量的消耗主要在掺混区和能量耗散区。
从试验观察看, 管道中的水流在管道末段和箱体进口处卷入大量空气, 挟带空气的水流撞击球体。
经球面发散后, 与周围水体产生强烈掺混, 并且带动水流在球体两侧与箱体之间形成竖向回流, 所以, 在强烈掺混区水流的消能是靠水流与球面和箱体边壁的摩擦及水流质点之间掺混剪切的方式进行的。
消能耗散区的水流大致可分为两层, 上层水流紊动强烈, 气泡快速向上逸出, 水流状态有面流消能的某些特征。下层水流的运动特征则主要是折冲和碰撞。在水流翻过前后隔墙时, 隔墙上的消能墩和窄缝增加了水体和固体边界的摩擦。总之, 在消能耗散区, 水流主要以掺混、紊动、破碎的方式消能, 表现的形式是水与水的质点之间, 水与气泡之间, 水、气泡与固体边界之间, 通过摩擦进行质量, 能量和动量的交换, 从而达到了能量的消散。当水流流出耗散区时, 大部分能量已消耗殆尽。
消能箱的水流流态调整区实际上就是消能箱的出口段, 调整区有两个功能, 一是通过出口段的调整, 使出口段的水流平稳、平顺, 减少波动;二是使水流从耗散区带出的气泡能在出口段逸出。试验要求从消能箱出来的水流能均匀、平稳, 这样可以改善陡坡收缩段的流态、对陡坡段与下游管道水流平顺衔接有益。另外, 修改后的隔墙的高度和出口段长度的增加, 加大了水流从耗散区到调整区的转弯半径, 使水流进入调整区的流速分布趋于均匀, 流速降低, 有利于气泡的逸出和水流平稳, 也对于进一步消耗掉水流的剩余能量有明显的作用。
根据水工模型试验成果, 施工设计时对消能箱体型、结构参数进行了部分修改。工程于2008年7月建成投入使用, 通过近几年的运行, 经受了多次暴雨洪水考验, 运行良好。实践证明, 水工模型试验是高水头水工建筑物设计合理性验证最有效的方法之一。它具有试验结果符合性高, 周期短, 造价低的优点, 在实际工程中有很好的指导意义。
摘要：高水头水工建筑物消能设计一直是水电、市政工程结构设计的重点, 其水力计算结果对建筑物体型及结构安全有很大的影响, 往往需要通过模型试验验证其原型设计的符合性。通过工程实例, 对工程方案、建筑物设计、模型试验、效能效果分析以及实际运行等方面进行了分析和论述。
关键词：工程水力学,高水头,消能箱,模型试验
参考文献
[1]C.M.斯里斯基.高水头水工建筑物的水力计算[M].水利电力出版社, 1984.
[2]杨邦柱, 焦爱萍.水工建筑物[M].中国水利水电出版社, 2005.
[3]西北农林科技大学, 水利部西北水利科学研究所实验中心.庆阳市火巷沟排洪工程水工模型试验报告 (2008西实字19号) [G].
浅谈水库溢洪道消能设计 篇2
关键词：水库；溢洪道；消能设计
前言
溢洪道的建设是为保证水库大坝的安全，宣泄超过规划库容的洪水，防止洪水溢坝，必须设置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不经妥善处理，必会导致下游河床受到严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大坝失事的灾难性后果，所以又必须设置消能设施。溢洪道消能设计主要基于能量转换原理，通过造成水流内部紊动漩滚、水股之间扩散碰撞、水流与固体边界摩擦撞击、水流与周围空气摩擦掺混等途径，消耗水流动能，减轻对下游河床的冲击和破坏。《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）在其条文说明5.5.1条中列出了4种消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水库溢洪道使用比较多的是挑流消能和底流消能，据统计两种型式比例分别达到85%和15%。随着水利水电工程实践的发展，近年来出现了一些新的消能型式，例如引入T型墩、宽尾墩、台阶式消能、多种消能型式复合等。水利工程与当地自然地理、气候条件、水文地质等关系很大，因势利导、因地制宜的特点非常突出，反映在溢洪道消能设计方面也是百花齐放、各具特色，因此如何选择溢洪道消能型式、怎样进行消能防冲设计是一个常讲常新的话题，本文就此进行了分析和探讨。
一、溢洪道消能型式选择
（一）消能型式选择原则
消能型式应满足技术经济原则。从技术上讲，应选择先进、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能虽具有消能效果好、体积小、工程量少、施工方便等优点，但国内几乎没有溢洪道戽流消能案例[1]，理论研究和工程实践都不成熟，所以不应成为首选。从经济角度考虑，工程量要小、造价适中。溢洪道是特定条件下使用的泄水建筑物，一般不会使用很频繁，因此在保证安全可靠的前提下，没有必要设计的过于复杂，为了提高经济效益，应选择简洁、高效的型式，这样有利于控制成本。
（二）消能工型式选择方法
4种主要消能型式的优缺点、适用范围如表1所示。
在考虑消能工型式时，主要从地形条件、地质条件、泄流条件以及运行方式、下游水深、河床抗冲能力、下游水流衔接、泄流雾化影响等方面综合考虑。由表1可见，面流消能和戽流消能适用于下游水深较大的场合，而挑流消能和底流消能对这方面的要求不高，所以通过水利计算得到的消能所需的下游水深-单宽流量的消能率定曲线，与根据下游水位流量关系绘制的下游水深-单宽流量的尾水率定曲线进行比较，可以判断选择哪一类消能型式更适合。
由于河道较宽，任何流量条件下溢洪道满足消能所需的下游水深始终大于尾水深度。由于尾水深度不足，显然不适合采用面流消能和戽流消能型式，所以应在挑流消能和底流消能之间进行选择。再结合地质情况，因为地表依次为耕作土层、粉土层、強风化岩层和中风化岩层，总厚度达8～15m，抗冲条件较差。再加上水头较小，其下泄校核标准流量的挑距为31m，冲刷坑深度达11.8m，存在严重安全隐患，所以选择挑流消能型式也不适合，只有选用底流消能型式了。
二、溢洪道消能防冲设计
（一）消能结构设计
仍以前述水库溢洪道为例。底流消能设计保证池内形成稳定的水跃是非常关键的环节。根据尾水深度与水跃跃后水深的关系，下泄水流可能出现远驱、临界和淹没水跃三种衔接流态。临界水跃消能效果最高，但状态不稳定，可能会产生远驱水跃，所以要设计成一定淹没度形态的水跃。当淹没度取σ=1.05～1.10时，流态稳定，消能效率也较高[2]。为了避免远驱水跃，又不希望增加护坦长度，可在护坦末端设置消力坎，也可通过降低护坦高程来形成坎前消力池，还可以将两种措施结合起来形成综合消力池。消力池横断面一般采用矩形，而且大多情况下采用等宽矩形断面。为了适应尾水位的变化，护坦前段可设计成斜坡形式。也可采用多级消力池形式，能较好适应下游河床与消力池之间的高度差。当跃前断面平均流速不超过15m/s时，可通过设置辅助消能工增强消能效果，并缩短池长。如设置趾墩、消力墩和尾坎。但跃前流速大于15m/s时，辅助消能工容易受到空蚀破坏，所以不适宜再采用这种型式。护坦是为了保护河床不受高速水流的冲刷破坏，所以护坦长度应能涵盖水跃跃尾，其厚度必须满足稳定要求，保证不会上浮。为了提高稳定性，可设置锚筋并插入基岩1.5～3m。护坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。为了防止护坦混凝土开裂，应设置温度伸缩缝。为了减轻护坦底部扬压力，可设置排水系统。水流速度较高时，护坦应采用抗蚀混凝土浇灌。
（二）消力池消能率复核
前述水库的设计洪水标准为30年一遇，其校核洪水标准是300年一遇。由于溢洪道为4级，也就是设计与校核洪水标准与水库大坝一致，这个标准对溢洪道来说有些偏高，会造成一定浪费，所以将消能防冲设计标准进行了调整，设计洪水标准30年一遇不变，校核洪水标准改为100年一遇。经过计算，溢洪道设置2.2m深消力池，在设计洪水标准状态下，下泄洪水流量是191m3/s，单宽流量是7.64 m3/s·m。由图2可见，此时尾水率定曲线都在消能率定曲线之上，说明水跃完全可以被淹没，消能效率达到100%。校核洪水状态下，下泄洪水流量为375 m3/s，单宽流量是15 m3/s·m，尾水率定曲线与消能率定曲线有交叉，小部分尾水率定曲线在消能率定曲线之下，消能效率达到93.6%。溢洪道校核洪水标准下，下泄洪水流量为552 m3/s，单宽流量为22.1 m3/s·m，此时有更多部分的尾水率定曲线在消能率定曲线之下，但消能效率仍可达到80%。按照国内外工程实践，消能效率达到80%以上一般就能满足安全需要，故此消力池消能率已达到设计要求。
三、结束语
水库溢洪道消能效果关系到水库大坝的安全，所以消能设计应达到消能效果好、结构可靠、方便检修等目标要求。合理选择消能型式是实现技术、经济统一性的前提，而结构设计是落实设计思想的重要环节，希望本文所作分析讨论能对读者有所启发和可提供参考。
参考文献：
[1] 李红艳，刘耀宗. 奈曼旗山区小型水库溢洪道及消能工型式选择[J]. 内蒙古水利，2014（2）：45-46.
建筑隔震和消能减震设计及应用 篇3
1 建筑隔震与消能减震技术
目前,随着国内外对建筑隔震与消能减震技术研究的不断深入,隔震与消能减震技术得到了很大的发展,隔震技术的种类较多,大致可分为:基础滚球隔震、基础弹簧隔震、橡胶垫隔震、悬吊结构隔震、基础砂石垫层隔震以及结构底层柔性柱隔震等,其原理基本都是利用这些隔震系统来减少地震能量向上部的输入,隔震系统的存在能够延长结构自身的基本自振周期,通过适当的阻尼使结构的加速度反应大大减少,地震传来的能量将由隔震装置转化和吸收,阻止了能量向上部结构的传输,从而减少了上部结构的相对变形。
消能减震技术是把建筑结构中的某些构件(如支撑、剪力墙等)设计成消能部件或者在结构物中的某些部位(连接或节点处)设计安装阻尼器,消能部件和阻尼器的作用在于当结构遭遇风或地震作用时,其会先于建筑结构由弹性工作状态进而转为塑性工作状态,通过消能部件的塑性变形和阻尼吸收输入的能量,以减少主体结构的塑性变形,保证结构的安全性,其中消能部件可由斜撑、剪力墙、梁或节点等构成,此外,在结构的缝隙或构件的连接处设置消能装置,也能够发挥很好的消能减震作用。采用消能减震设计,对建筑物的使用功能影响较小,减震较明显,且布置相对灵活,同时地震力下布置的消能元件传给与之相连构件的附加力较少,对结构不会造成不必要的破坏。
2 建筑隔震与消能减震概念设计和原理
2.1 建筑隔震的概念设计
概念设计在建筑抗震和隔震中占有非常重要的地位,在进行工程抗震设计时,首先应该做好概念设计阶段,然后才是严谨、合理的抗震或隔震计算,最后则为抗震措施的选用。
建筑物隔震通常需要在建筑物与基础之间设置隔震装置,在地震作用下建筑结构的水平变形大多集中在隔震装置中,通过隔震装置的变形吸收了地震传给上部结构的能量,以达到将地震作用隔离的目的,提高了建筑物的地震安全性。建筑物隔震的概念设计首要任务是确定隔震系统能够允许的最大地震反应、建筑物的结构参数、地震反应频谱特性等,通过这些参数的确定可大致得到隔震层的总体参数。
2.2 隔震结构的运动方程
由于建筑物在地震中的运动相对较小,且处于整体平动状态,因此在概念设计阶段,通常可只需确定结构在不同方向的一维平动运动模型(见图1)。
一维模型的运动方程:
其中,X为隔震后建筑物的位移;·Xg·为隔震计算的输入加速度;λ为隔震结构的阻尼比;ωn为隔震结构的固有频率,ωn=K和M分别为一维动力模型的刚度与质量。
将地面运动表达为傅里叶级数的形式:
在概念设计阶段可以主要考虑主频的影响,则输入地震的加速度可简化为:
其中,ω为输入加速度的主频率,一般取隔震结构所在处的特征频率;Ag为输入加速度等效位移峰值。
由式(1),式(3)可得建筑物位移是式(1)中系数的函数幅值函数为:
在一维模型下,隔震结构加速度反应衰减比η(隔震衰减比)可表达为:
在隔震设计时,隔震装置在不同方向的动力反应都可以用上述方法来估计,式(5)在隔震设计中起着重要的作用,由上面的式子可知,在概念设计阶段我们只需先确定结构的质量M,输入地面的加速度输入地面的加速度主频率ω,隔震层的阻尼比λ和要求隔震层上部结构的加速度反应等,通过式(5)计算出隔震层的固有频率ωn,从而估算出其总体刚度K,反之也可利用式(5)由隔震层的总体刚度K确定η,进而计算出隔震层的隔震效果。
由结构力学可知,是隔震结构与非隔震结构的分界线,当>1.414时,η<1,可知隔震层上部结构的地震加速度峰值小于地震输入的加速度峰值,故隔震层具有隔震效果,为隔震结构,但若<1.414时,则结构无隔震效果,相当于传统的抗震结构,所以一般结构在隔震设计时取频率比为≥2。
此外,在隔震设计过程中还需要估算出隔震层的总体刚度K的上限值:
其中,Dh为近场系数;Fek为隔震层以上总的水平地震作用力;uh为隔震层允许水平位移;α为作用于隔震层以上设计的设计水平地震加速度;M为隔震层以上总的质量。
在隔震层的总体刚度确定后,可根据建筑隔震设计将总体刚度分配到每个隔震支座上去,进行隔震设计。
2.3 隔震技术应用范围
国内外研究表明,硬土场地较适宜采用隔震结构的建筑,我国隔震结构可适用于Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类场地,以剪切变形为主的体型结构,建筑结构布置多为规则结构,一般不采用隔震措施时基本周期不宜大于1.0 s的建筑,此外,由于隔震层的存在,还应考虑软弱隔震层的抗倾覆能力,因此,在隔震设计中还应对风荷载以地震之外的其他水平荷载进行相应的限制。
2.4 建筑结构消能减震设计
消能减震建筑设计时,应根据罕遇地震或设防烈度下预期的结构位移控制要求进行设计,其原理从能量的角度可描述为:
传统的抗震结构:Ein=Ev+Ec+Ek+Eh。
消能减震结构:E'in=E'v+E'c+E'k+E'h+E'd。
其中,Ein,E'in均为地震过程中输入结构体系的能量;Ev,E'v均为结构体系的动能;Ec,E'c均为结构体系的粘滞阻尼耗能;Ek,E'k均为结构体系弹性应变能;Eh,E'h均为结构体系的滞回耗能;E'd为消能(阻尼)装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
从上式可以看出传统的抗震结构体系中,地震传来的能量主要通过Eh耗散,这就意味着地震输入的能量大部分由结构自身的塑性变形吸收,若地震输入结构的能量过大,则很可能会造成结构体系的严重破坏,失去承载能力,但在设计有消能部件的结构,则由于消能部件会先于结构构件而产生塑性变形,吸收地震能量,而后才是结构体系,有效地保护了主体结构。
消能减震结构在地震作用下起反应的关键是确定结构的总刚度和总阻尼比,即:
其中,Ks为原结构的刚度;Ka为消能部件附加给结构的有效刚度。
其中,ξs为原结构的刚度阻尼比;ξa为消能部件附加给结构的有效阻尼比,对于速度线性相关型的消能部件有:Wc=,对于位移相关型、速度非线性相关型和其他类型消能部件有:Wc=∑Aj。
其中,η2为阻尼调整系数,当小于0.55时,应取0.55;ξ为阻尼比。
消能减震结构的计算方法,与消能部件的类型、布置位置、数量及所提供的阻尼大小有关。一般情况下,大阻尼的阻尼矩阵不满足振型分解的正交性条件,需直接采用恢复力模型进行非线性静力分析或非线性时程分析,但若主体结构基本控制在弹性范围内时,可采用较为简单的线性计算方法估计,对于振型分解反应谱法,应采用振型阻尼比计算。
2.5 消能减震结构的使用范围
采用消能减震技术需要对建筑进行抗震设防分类,要弄清楚场地条件、抗震设防烈度、建筑的使用功能、结构选型及方案等情况,并结合安全和经济方面综合考虑。一般情况下,消能减震技术可用于钢结构、钢筋混凝土结构以及钢—混凝土组合结构等建筑,由于其可以减少结构的水平和竖向的地震作用,故使用范围较广,结构高度和类型均不受限制。
3 建筑减震措施
减震技术虽有许多种,但有些仍处于初步研究和设计阶段,不能直接用于实际建筑结构中,除过上面论述的在建筑结构中采用隔震和消能减震措施外,还有两种较为常用的减震措施,这两种减震措施分别为:1)采用高延性构件:结构的延性大就意味着结构具有良好的变形和耗能能力,但设计的同时也应该注意满足承载能力的要求,一般在设计中常采用强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件以及强梁柱塑性铰的方法以提高结构的延性和安全性。2)提高结构本身阻尼:理论研究表明,结构对地震的反应随着阻尼比的增大和自振周期的加长而减少,结构的阻尼随着结构类型、材料、地基情况等的不同而不同,尤其对于高层建筑设计时应尽量选用阻尼较大的材料和结构,同时也可以设置一定的阻尼器。
4 建筑减震技术当前存在的问题
隔震与消能减震技术虽然在建筑结构中得到了广泛的应用,但也存在一些不足之处,比如:
1)目前,大多数隔震装置在水平地震力作用下减震效果较好,但竖向地震荷载作用下的减震效果不明显,由于竖向地震作用对大跨度、高耸和悬臂结构的建筑影响较大,故对于这一方面的减震性能还需要进一步的深入研究。2)研制和开发新型的隔震装置、阻尼器和消能减震元件,设计出高性能的减震装置。3)研制出一种既减震又便宜的减震装置,由于当结构采用隔震装置时会加大结构的造价,这是业主不想看到的,所以这对隔震结构在建筑中的大量应用带来了困扰。4)扩展隔震结构的使用范围,加强研究对于软弱地基、高层以及超高层结构如何使用隔震装置,以更好地实现安全、适用、耐久和经济的要求。
5 结语
在结构中采用隔震和消能减震技术,对地震作用的降低具有非常明显的效果,隔震与减震体系相比传统的抗震体系更为安全、适用、可靠,在使用了隔震和消能减震的体系中,可以使结构保持在弹性工作状态,因此结构的受力更加明确、合理,可利用线弹性理论对结构进行分析,消能减震技术与传统的抗震技术相比,地震反应可以减少40%~60%左右,可以明显节约工程造价和结构加固造价,一般情况下,结构越高、越柔、跨度越大,则消能减震效果越是明显,所以消能减震装置在超高层结构、高耸结构、大跨度结构以及桥梁等结构中研究应用必将成为新的趋势。
参考文献
[1]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].
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消能建筑物 篇4
关键词：溢洪道；泄流；消能；模型试验
中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）04-0053-03
改革开放以来，我国不仅在经济建设方面成绩卓著，更在水利工程方面进行了大刀阔斧的改革。水电站、中小型水库、城市人工河道、橡胶坝、拦河闸等已经成为一些城市中重要的水工建筑物，其不仅承担供水及防洪任务，还发挥了一定的美化城市作用。溢洪道是一种高效的泄水建筑物，其泄洪能力强，泄下的高速水流具有很强的冲击力，曾因此发生过很多水工事故。经相关调查和统计，消能工程和运行管理问题占事故发生的1/4；泄中的不对称入流对消能建筑物造成了直接破坏。
溢洪道消能研究属于水工水力学领域，各种泄水建筑物消能研究一直是该领域的热点。水工建筑物消能的目的是通过水坝坝体的孔口、溢洪道等建筑物，将大量的洪水安全地宣泄到下游，减少对下游的冲击力，保障库区的安全。消能问题如果处理不善，其下泄的水流会对下游河床造成严重的破坏，并影响整个水利枢纽中其他建筑物的安全运行，严重的还会对大坝的安全造成影响。泄洪消能的重要性可想而知。溢洪道对水工建筑消能发挥着重要的作用，无论是大型水库还是一些中小型水库，在高水头和低水头的情况下，溢洪道都能较好地减少泄水对下游的冲击。根据目前我国已建的水利枢纽的统计，消能形式可以概括为挑流消能、底流消能、台阶式坝面消能等。
一般来说，溢洪道多为开敞式结构，由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段和水渠段等几部分组成。溢洪道的布置以岸边式侧槽溢洪道为主。在实际工程中，溢洪道会因地质、结构或充分利用地形在其平面上有一定角度的扭转，以曲线式的弯道为主，并在整个溢洪道中出现一定的收缩和扩散。
1 溢洪道消能的研究进展
挑流消能在水利工程中已有70 a的历史，其在高坝工程中应用非常广泛。据资料统计，在世界上已建成的泄洪建筑物中，坝高大于70 m且采用挑流消能方式的，国内占97.7%，国外占74.4%。挑流消能的效果主要受下游水深河床地质条件、上下游水位差、挑流鼻坎的几何尺寸、消能段的单宽流量等方面影响。挑流消能应根据一定的地质和水文条件进行优化，尤其是其形式和尺寸，通常以水工模型试验作为优化的基础。
底流消能作为一种常规的消能形式，广泛应用于水工建筑物，其原理是通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动来降低流速，以达到消能的目的。底流消能具有入池流态稳定、消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小的优点，但在高水头、大流量泄洪枢纽采用这种消能工时，消力池底板水流流速大，保护底板难度很大。为了克服底流消能的缺陷，有学者提出跌坎式底流消能工方案，并以水力学公式作为理论基础，为工程设计提供依据。对于大单宽流量的水跃，可根据工程实际情况采用一级或多级消力池消能，以达到圆满的消能效果。
台阶式结构的应用已有3 000 a的历史，其主要功能是河流防沙和降低渠道落差。RCC台阶式溢洪道具有良好的消能效果，位于美国的上静水坝首次采用了这种方式，而国内对这种消能方式还未进行广泛应用，对这种技术所带来的风险还没有进行全面的研究。但随着筑坝技术的发展，这种消能方式将会引起重视，并进一步得到发展
孔板消能是一种新型的消能方式，目前关于这种技术的研究还处于初级阶段，许多技术问题尚待开发。其研究方式以物理模型为主，但没有强有力的数学模型作为支撑，在这方面还需进一步加强。孔板消能主要靠压力降造成的脉动和水流之间的剪切力。水流通过板孔时，由于流线变化在板孔下游产生漩涡，使水流内部发生撞击，以达到消能的目的。经试验观察，孔板消能的流态比较稳定。
2 溢洪道的水力特性
溢洪道的水力特性主要包括过流能力、水面线、流速分布和堰面压力。通过长期的理论和试验研究，得到了一些经验公式、经验系数和水力特性的计算方法。但溢洪道的边界复杂多变，因此相关规范中规定大、中型水利工程的溢洪道必须做模型试验来验证其布置及水力设计的合理性。
2.1 过流能力特性
设计水位下的泄量不小于设计下泄流量，则认为满足过流能力要求；或者设计下泄流量下的水位不高于设计水位，也认为满足泄流能力的要求。溢洪道利用控制段的闸门控制流量，所以控制段决定了过流能力。为了进一步提高过流能力，可采用折线堰和实用堰方法。过流能力需要看堰流系数，以上两种方法可将堰流系数提高到0.42。溢洪道的下泄能力也是一项重要指标，下泄流量主要由闸门控制，泄流量可按照公式进行计算。
2.2 水面线特性
好的消能工不仅要满足泄流能力，还要求泄流稳定。不良的泄流状态会对溢洪道及附属建筑物产生不利影响，所以水面线也是溢洪道模型试验的重要内容。实际工程中常以堰下接槽过渡水流来保证泄流的稳定。利用公式计算水面线，确定边墙的高度，在高速水流中还应考虑掺气水深的影响。
2.3 流速分布特性
溢洪道堰面流速大或流速不均会对堰面造成冲刷、震动和空蚀，长此以往对堰面造成破坏，导致溢洪道的安全隐患。物理模型试验测流速困难，所以通常采用数学模型，量取某横断面或纵断面的流速资料，分析其流速分布。
2.4 堰面压力
堰面压力不出现负压即满足设计要求。物模试验中堰面压力的测量采用测压管来进行，测点数有限，不能良好地反映压力分布。而数模试验中堰面压力情况则可以一览无余。
3 水工模型
水工模型是将理论与实践相关联的媒介。利用模型仿制实物，根据一定的准则，将水工建筑物制成模型，通过试验重现实际工程所能出现的情况，评估建筑物所存在的安全隐患，论证其是否具有合理性
nlc202309090947
3.1 水工模型试验的目的
验证水库溢洪道的水力要素设计计算值，进行流态观测，研究各种水力现象及泄流设施对溢洪道布置的影响，将其与人工水力计算结果相互验证，确保工程的运行安全。
3.2 模型设计原理
水工模型试验是根据水流的力学规律，通过复制与原型相似的边界条件和动力学条件，建立起来的较原型小的模型。要使模型试验能够很好地模拟原型，必须满足几何相似、运动相似、动力相似这三方面的相似特征。
3.3 水工模型设计
根据试验任务要求，模型按重力相似准则设计，选几何比尺为1∶50的正态定床清水模型，相应的其他物理量比尺为：
流速比尺λv=λL0.5
流量比尺λQ=λL2.5
时间比尺λt=λL0.5
糙率比尺λn=λL1/6
式中：λL为长度比尺；λv为流速比尺；λQ为流量比尺；λt为时间比尺；λn为糙率比尺。
4 结语
关于溢洪道的消能问题，众多学者都提出了自己的研究方案。在实际工程中选择时，除了需要考虑工程的实际情况、水工建筑物的等级以及周围的地质条件、气候，还要根据不同消能方式所产生的问题进行逐一论证，提出一种比较有利的方案。新的溢洪道消能方法还亟待开发，更多的消能方式应该被挖掘出来并应用到水利工程中去，为我国的水利事业助力。
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消能建筑物 篇5
1 屈曲约束支撑的原理
屈曲支撑一般构成是由核芯单元、外约束单元和滑动机制组成的装置, 利用约束单元防止核芯单元在受压时产生屈曲, 从而保证核心单元在拉力和压力作用下都能耗散地震能量的减震装置, 其构成原理如图1所示。中间芯材又称受拉单元, 通常采用低屈服强度和延性较好的钢材, 一般情况下, 其截面可设计成“一”字型、“工”字型、“十”字型等。“一”字型板截面宽厚比取10~20, “十”字型截面宽厚比取5~10, 其它截面形式, 可按《建筑抗震设计规范》GB50011中同中心支撑的板件宽厚比的限值[3], 核心钢支撑截面宜采用“十”或“H”型, 钢板厚度宜为10~30mm。核芯钢支撑钢板与外围约束部分之间的间隙值不应小于核心钢支撑工作段截面边长的1/250, 一般情况下取1~2mm, 并宜采用无粘结材料隔离。当采用钢筋混凝土作为外约束单元时, 伸入钢筋混凝土部分的过渡段与外约束单元之间的间隙不宜小于5%的工作段长度, 并采用聚苯乙烯泡沫或海绵橡胶材料填充间隙。在外包约束段端部与支撑加强段端部斜面之间留不小于10mm的间距。核芯单元、外约束单元和滑动机制组成, 有防屈曲套管的约束, 芯材受压时不会发生整体屈曲, 所以中间的芯材在受拉和受压时都能达到屈服。由于芯材受压时因泊松效应而产生膨胀, 为加尼奥或消除芯材受力时将力传给套管, 在芯材与套管间设置一层无粘结材料或小小的空隙。通过支撑屈服耗能保护梁、柱构件不破坏, 减小了大震下的变形, 且因只发生支撑屈服, 震后易于更换。支撑刚度的强度完全发挥, 一般来说, 相同刚度下, 承载能力比普通支撑提高3~10倍。在地震作用或风的作用下, 支撑的内力在受拉和受压两种状态下往复变化, 当支撑由压屈状态逐渐变为受拉状态时, 支撑的内力以及刚度接近为零。屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比如图2所示。
2 屈曲约束支撑分类与适用范围
建筑工程中常用的屈曲约束支撑有三大类[4], 第一类即一般作为耗能构件使用的耗能型屈曲约束支撑、第二类即为拉压屈服型软钢阻尼器使用的屈曲约束支撑型阻尼器、最后一类为承载型屈曲约束支撑承载构件使用的承载型屈曲约束支撑三种。耗能型屈曲约束支撑, 其工作原理是在小震或中震阶段处于弹性阶段的支撑, 利用其全部芯板自身承载力来提高支撑的设计承载力, 在大震作用下, 处于弹塑性阶段的支撑, 利用支撑内芯板的拉压屈服滞回来消耗能量的消能减震结构构件;屈曲约束支撑型阻尼器, 其工作性能目标是在小、中及大震阶段均处于塑性阶段的支撑, 与粘滞型的阻尼器相比是基于位移型的, 通过拉压屈服耗能的消能减震结构构件;承载型屈曲约束支撑承载构件使用, 其工作性能目标是在小震阶段支撑处于弹性状态, 在中震简单支撑不屈服, 在大震作用下支撑不屈服或塑性的支撑, 指通过引入屈曲约束机制来提高支撑构件的设计承载力, 保证支撑在屈服前不会发生失稳破坏, 从而充分发挥钢材强度[5]。
3 屈曲约束支撑设计
屈曲支撑的主要设计过程:
1) 根据结构整体计算结果及支撑承载力按照等效截面法选择合适的计算截面。以整体结构计算指标满足要求为前提, 根据要达到的设计既定目标调整支撑大小、反复试算, 确定合适的截面, 保证支撑在所设定的目标地震作用下起到保护结构主体和构件的目的。
2) 整体稳定分析, 约束钢套管刚度的选取。外围约束钢套管单元应具有足够的抗弯刚度是保证内部芯板单元受压屈服而不丧失结构稳定性的首要条件, 从而防止支撑的整体失稳。考虑支撑在实际使用状态中存在芯板单元与间接参与抵抗弯曲变形的外围钢套管约束单元之间存在轴向变形位移差, 工程实际工程中, 支撑整体失稳的临界荷载采用能量计算方法, 计算公式根据欧拉理论, 建立微分平衡方程为
根据内核单元微分平衡方程
将式 (3) 代入式 (2) , 整理后得到
式 (4) 为四阶常微分方程, 求出通解和特解, 支撑两端铰接, 边界位移为0, 弯矩为0, 求得屈曲约束支撑整体失稳极限荷载为式 (5) 所示。
式中, E1、E2分别为内芯板单元和外围钢套管约束单元的弹性模量;l1、l2分别为内芯板单元和外围钢套管约束单元的面积惯性矩;l为支撑长度。
内芯板单元的本质是芯材通过发生弹塑性变形截面屈服消耗能量, 于是, 内芯板单元在支撑整体失稳之前发生自身全截面屈服。考虑到支撑内芯板单元的抗弯刚度远小于外围钢套筒单元的抗弯刚度及芯板屈服后的刚度减退甚至消失的影响, 此时可不考虑内芯板单元自身刚度的作用, 表示整体失稳极限荷载与内核构件屈服荷载之间的关系
一般取1.5左右, 如果S<1, 随轴力的增大, 轴向变形增加, 支撑内芯抗压承载力达不到屈服强度就退出工作。
将支撑内芯单元全截面屈服的必要条件简化如下
式中:———约束单元的相对刚度;
Fy———内芯单元全截面屈服荷载, 且满足Fy=AFy。
3) 内芯单元自身的稳定
式 (1) 、 (2) 给出了支撑单元整体屈服时的边界方程, 此方程确保了支撑单元整体失稳的可能性, 当内芯接触材料的弹性模量E值过小时, 外围约束单元不能提供足够的弹性约束刚度限制内芯单元变形, 此时内芯单元在理论上将发生连续约束条件下失稳的可能, 即内芯单元在约束区内存在稳定问题。
(1) 对约束构件填充材料的要求
填充材料应满足内芯变形四阶微分方程要求
式中, 求解上式, 可得填充材料的弹性模量EC应满足
“一”字型截面弹性模量EC满足
“十”字型截面弹性模量EC满足
钢材的弹性模量Es约比其屈服强度fy高700倍左右, 而普通混凝土弹性模量EC仅是钢材弹性模量的, 所以采用混凝土作为约束构件的填充材料很容易满足要求。
(2) 对约束构件刚度的要求[6]
分析表明, 随着接触点的增多, 对约束单元的刚度进行逐步衰减, 采取保守简化设计, 将采用单点接触所需刚度进行分析。
外围约束单元对内芯的弹性支撑条件简化为弹簧常数为C1的弹簧
由平衡条件, 可得荷载P与外围约束单元接触点位移δ的关系式
在正常使用极限状态下, 若以控制点位移δ≤δ0为目标位移, 则钢套筒的刚度须满足[7]
(3) 端部接触剪力
接触点个数n对应于内芯屈服半波数为n, 而对于两端铰接的轴心压杆, 发生n个半波弹性屈曲的临界荷载为
根据内芯板单元的塑性特征Pn≤fyA1, 可得
式中, El为支撑材料抵抗弯曲变形的能力, 因内芯单元的贡献很小可不考虑其作用, 仅取E2l2。
(4) 核心板单元杆端支撑节点板承载力分析[8]
端板连接构造具有一定的复杂性, 根据实验研究并结合有限元分析发现, 如果节点板平面外刚度不足, 在支撑压力作用下, 节点板会发生屈曲, 将影响支撑系统的承载能力, 实际工程设计过程中常采用简化的设计方法, 即偏于保守地取长柱稳定性分析结果, 当分析结果高于由内芯板段的屈曲荷载换算得到的连接段应力时, 连接板就会获得较高承载及变形能力, 且考虑到连接板因制作及安装误差等产生的不利因素影响, 扭转屈曲应力
化简为, 考虑制作误差等初始缺陷, 取宽厚比
4 算例
4.1 工程概况
某住宅建筑总层数为9层, 各层层高均为2.90m, 室内外高度差为0.45m, 不计入屋顶构架和出屋面楼电梯间, 房屋高度26.55m, 建筑平面布局呈矩形, 建筑结构的安全等级为Ⅱ级, 设计使用年限为50年, 建筑抗震设防类别为标准设防类, 抗震设防烈度为8度, 设计地震基本加速度为0.3g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅱ类, 设计特征周期小震为0.45s, 大震为0.50s, 阻尼比为小震0.05, 大震0.05, 标准层建筑平面图如图3所示。
4.2 设置屈曲约束支撑结构设计分析过程
在结构设计中, 支撑布置在能最大限度地发挥其耗能作用的平面位置, 并且不能影响建筑使用与效果, 为支撑结构发挥允许的最大承载功能的状态及结构达到使用功能极限状态, 支撑布置形式根据建筑柱距及层高一般可采用V形斜杆、人字形斜杆或单斜杆体系, 也可采用偏心支撑的布置形式, 当采用偏心支撑布置时候, 偏心支撑框架中的支撑斜杆可连接在梁与柱相交处, 分析结果应保证支撑先于框架梁屈服[5]。在本工程中, 经过对整体指标和支撑本身的验算, 定义了三种支撑截面, 支撑形式采用耗能型, 支撑布置方式中BRB1、BRB3均采用人字形, BRB2采用单斜杆形, 材料选用Q235。根据建筑功能及本工程特性, BRB屈曲支撑平面图如图4所示。模型建立先按一般结构建模方法完成、梁板柱的建模, 添加楼屋面恒活荷载, 梁上隔墙荷载, 按结构平面图中所示位置布置支撑, 并按常规结构设置结构分析参数, 模型输入完成后, 屈曲约束支撑需要在程序中将两端连接边界条件修改为铰接, 进行初步分析设计, 由于屈曲约束支撑不需要稳定性验算, 故只需满足承载力要求即可。
4.3 结构动力特性分析
由于支撑的布置, 解决了结构由扭转振型为第一振型的特性转化为平动振型为第一振型的特性, 支撑的设置避免了前期未设置支撑结构质心和刚心距离过大问题, 动力特性见表1。
4.4 地震作用下结构极限状态设计
多遇地震作用下结构分析结果表明, 布置屈曲约束支撑后, 结构各层梁、柱等主要受力构件的承载力均满足各极限状态受力要求, 各结构构件配筋减小, 消能减震效果明显, 达到抗震规范所给定的既定目标。因现行规范对采用消能技术的工程, 结构应在大震下, 进行罕遇地震作用下正常使用极限状态验算, 为此采用弹塑性静力时程分析法进行计算, 计算结果见表2, 由表2可知设置屈曲约束支撑, 整体结构的性能得到大幅提高, 结构在设置屈曲约束支撑框架中在小震作用下层间位移角1/795远小于规范限值1/550, 在大震作用下层间位移角1/89远小于规范限值1/50, 支撑的设置有效减小了结构层间位移角, 结构变形得到了有效控制, 控制率均达45%以上, 且增大了结构抗扭能力。由此可见在设置约束支撑情况下可适当削弱混凝土框架, 节约钢材。
5结束语
本文先介绍防屈曲约束支撑的基本原理, 并对防屈曲约束支撑的简要设计过程中一些常用参数做一介绍, 通过简单算例介绍带支撑结构设计方法的同时分析了设置屈曲约束支撑结构较传统结构优越性。以供设计人员在相似工程方案比选与消能减震工程设计时参考。
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消能建筑物 篇6
1 消能减震技术的概论
在发生地震时, 地震源向地表传递地震波, 建筑物受地震波的影响, 特别是对民用建筑物影响, 会出现建筑物摇动、结构发生振动、变形、甚至倒塌。所以, 消能减震技术在建筑物的应用是缓解地震灾害冲击的重要选择。消能减震技术简单的来说, 就是通过技术手段把地震灾害直接与建筑物的能量降低、减弱, 把建筑物基础结构支撑点、剪力墙等构件设计成耗能部件, 基础结构与建筑上部结构分离, 通过耗能杆和阻尼器, 防止地震能量向建筑物上部输入, 达到保护建筑安全的目的。
2 民用建筑结构设计的主要消能减震技术措施
民用建筑的消能减震措施非常之多, 有对地基进行特殊处理的, 有设置抗震装置的, 也有对建筑结构上层进行设计的等。但在实际运用中, 一个建筑物有可能都应用了以上几种措施, 有些会更多。但总的来说, 建筑物的消能减震设计关键还在于地基采用的特殊减震材料和建筑隔震层的设计。
2.1 建筑消能建筑材料的应用
消能减震材料的应用主要作用于建筑的地基, 地震对建筑物的直接作用也是地基, 所以建筑物要达到消能减震的最佳效果是在地基上做一些主要的设计, 这样也是最能达到效果, 也是最直接的处理手段。建筑地基的隔震, 通常是通过铺设一些特殊的材料来削弱地震时的地震波, 把地震产生的能量吸收一部分, 达到消除地震波对上层建筑的破坏。在民用建筑结构设计中, 消能减震措施都使用传统的施工工艺, 主要的材料是粘土和砂子, 或者在地基上直接使用粘土和砂子垫层。随着科学的发展进步, 国际上很多建筑物把沥青作为消能建筑的材料, 并且达到很好的效果, 现今已经得到了广泛的应用。
2.2 建筑基础设置减震装置和隔离层的应用
减震装置和隔离层这种消能减震措施主要应用于建筑物在地基与建筑上部连接之间, 减震装置的设置可以对地震能量降低2/3左右, 通常采用的办法有摩擦滑移隔震、粘弹性隔震等, 应用比较灵活, 对材料没有局限, 可根据具体情况进行选择。建筑隔离层与隔离装置相比效果不是非常明显, 它减震的效果在2/10左右, 它的作用无法参与到建筑设计的整体中去, 因此减震效果明显差一些。但它适用于旧房的减震改建, 施工简单、易操作。所以两者都是我们设计者值得关注的, 充分体现它们的区别和作用是关键。
3 对于建筑物消能减震技术的主要措施
3.1 消能减震技术应用的加固措施
近年来, 自然灾害对建筑的损坏受到大部分人的关注, 也是大家都关心的问题。随着这种安全意识的加强, 民用建筑抗震加固是人们迫切的需求。消能减震的应用也直接关系到人民生命财产的安全, 所以在设计的时候, 要在地基部分采用特殊材料处理之外, 还需要设计减震装置甚至是减震层来削弱地震对建筑物的作用力, 确保能有效的对抗地震等自然灾害。针对建筑物的抗震加固, 我们一定要根据建筑物的结构设计和基础条件等因素来完成相应的工作。
3.2 在建筑物性能和需求的消能减震措施
在建筑物的消能建筑设计方法上, 我们需要根据建筑物的基本性能和消能需求等作出有效的设计措施。而混合消能支撑系统 (VD-BRB系统) 是我们选择的最佳措施, 它的主要设计方法是在建筑物的底层配置防屈曲消能支撑, 并在其它的建筑层配置粘滞阻尼器。所以在我们对建筑物进行消能减震设计的过程中, 要精确进行结构验算, 在保证建筑物变形的最大限度、结构的最大承载力等是否符合规范要求, 用最有力的数据来判断消能减震技术的可行。如果可行, 就需要我们确定阻尼器的数量和最大优化它的布置方式, 保证结构达到预先验算的结果;如果不能满足建筑物性能和需求的, 需要我们及时调整方案, 增加阻尼器的数量和布置方式进行消能减震加固。所以混合消能支撑系统 (VD-BRB系统) 是建筑物面对不同的性能和需求时, 可以实现有效的管控, 因为它的变量只有阻尼器的变化, 可以根据实际需要进行设计和应用。所以它的有效主要体现在以下几个方面;
1) 混合消能支撑系统 (VD-BRB系统) 有比较高的性价比;
2) 对地震波能力可以第一时间反应和削弱消耗, 降低建筑本身对抗的风险;
3) 可配置子阻尼器合理的在各种自然灾害中发挥作用;
4) 采用改进的基于性能和需求的消能减震方法进行加固设计比较便捷。
5) 阻尼器的应用有利于改善结构薄弱层的抗震性能;
6) 能够有效减少结构加固的工作量, 且对建筑结构的影响小;
现在我们对于住房追求越来越高, 民用建筑日趋渐多, 尤其是一些超高层的建筑物, 如果地震一旦发生, 我们对建筑物没有加入消能减震的技术进去, 可想而知, 后果是怎样。建筑抗震中的消能减震技术能够很大的程度上降低地震对结构的损害, 并且消能减震技术是一个较为成熟、施工方便, 在高层建筑中的应用很广泛。同时对建筑物的抗震加固也有广泛的应用前景, 可以说是抗震加固技术的主流。
摘要：地震现在是一种比较突发性而且破坏性很强的一种自然灾害, 而且罕见的大地震给建筑物和我们的经济财产及人员伤亡造成极大的损失。结构被动控制中的耗能减震技术由于技术相对成熟, 施工方便, 减震效果明显等特点广泛用于多高层建筑抗震的设计和加固中。本文简单论述了消能减震的原理, 重点论述了消能减震的技术在民用建筑设计中的应用。
关键词：消能减震,民用建筑,技术,设计
参考文献
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转叶螺旋流消能装置消能过程分析 篇7
1 数值分析模型
1.1 计算假设
为减小数值模拟过程中的系统误差,得到理想的模拟结果,在此提出如下假设:水为不可压缩流体,且物理属性不随水温发生变化;忽略重力的影响;在有压流的作用下,管壁边界条件不发生变化,流体与管壁接触层无相对滑移[3];管道内外不发生热交换。
1.2 模型结构说明
转叶螺旋流消能装置是利用转叶孔板之间的相对扭转角度,迫使通过的水流在短距离内发生瞬间旋转,从而形成高强度螺旋流以达到消能目的。为便于比较数值模拟计算结果与试验结果,本文选取的压力模拟计算点与装置试验时测压点的布置一致,如图1所示,孔板片结构及其组合见图2,结构参数见表1。
1.3 三维计算模型
根据试验装置结构知,本次模拟计算模型的转叶孔板组合是将3片孔板以间距为0mm串联起来的,然后根据表1中装置的结构参数建立几何模型,把水流方向设为Z轴,过水断面设为X-Y平面,如图3所示。
其中装置主要部分的三维计算模型,见图4与图5。
2 数值模拟结果分析
文中通过对各特征断面上的压力进行数值分析,从微观上来探究转叶螺旋流消能装置的消能过程;将模拟计算所得压力与试验各测点所测压力进行比较来验证装置结构的合理性;将不同参数下模拟计算所得压力进行数值分析来探索雷诺数、扭转角度等参数对消能效率的影响。为便于比较分析,在数值模拟过程中沿管轴方向设置如下特征断面:Z=100,250,300,600,930,1 050,1 300,1 700,2 100,2 300。
2.1 数据收集
文中选取以开口角度为30°,扭转角度为6°时,不同雷诺数下通过模拟计算所得各测点的压力值以及开口角度为30°,雷诺数为192 595时,扭转角度为0°、3°、6°、9°下通过模拟计算所得各测点压力值,如表2和表3所示。
kPa
kPa
2.2 装置消能过程的探究
根据装置试验研究可知:转叶螺旋流消能装置消能的主力区在转叶孔板组合段[2],因为流经此处的水流在孔板组合的强制扭转作用下形成了流场复杂的螺旋流,而螺旋流的产生与消殁能够引起大量的水头损失。为从压力层面研究装置的消能过程及探究管道内水流复杂的流态,文中模拟并分析了装置在开口角度为15°,扭转角度为6°时,特征断面上的压力分布情况,如图6与图7所示。
由图6可知:当水流刚进入消能装置时,其流动状态符合传统湍流特性[4],即在贴近管壁处,因流体与管壁的黏滞力比流体内部之间的黏滞力稍大,所以压力稍大,管道内压力的分布状况是沿管径方向压力稍有增大,因此在管轴处水流的压力最小,但相差不大,此时断面的压力分布与传统无变径管道内湍流的压力分布情况一致,如图6中Z=100所示。当水流经过管径扩大段,流体内部结构急需调整,在管道拐角处产生了漩涡,导致管壁处压力有所降低,而此时管道主流在扩散过程中,流束不仅与管壁发生碰撞而且流束内部之间也产生较强的相互作用,所以管轴处压力比管壁处大些。如图6 中Z=250所示。由于拐角漩涡对水流的影响范围是一定的,随着水流往前流动,流态逐渐向稳定的湍流过渡,管轴附近的压力相对减少一些,如图6中Z=300所示。随着漩涡对流态影响的逐渐消失,水流最终转变为传统意义上的湍流模式[4],压力逐渐恢复到经典湍流压力分布状态,但由于转叶孔板组合的存在,总体压力急剧升高。如图6中Z=600所示。
由图7可知:当水流流经转叶孔板组合时,由于孔板结构的强制作用,管壁附近处水流速度变大,水流动能变大,根据能量守恒原理,管道内水流势能减小,所以管壁处压力会迅速减小,而管轴附近的水流速度未发生较大变化,因此压力大小变化不大。如图7 中Z=930 所示。在水流经过转叶孔板组合后,随着水流切向速度的急剧增大,产生了高强度的螺旋流,水流沿着管壁做螺旋运动,根据动量定理,管壁处所受压力较大,而管轴附近会产生小部分的空水区,压力稍有所降低。如图7中Z=1 000和Z=1 050所示。随着水流继续向前流动,孔板射流的影响衰减,水流逐渐形成了稳定的螺旋流,而管轴附近因产生回流,压力有所减小,但管壁附近的水流会继续沿着管壁做螺旋运动,压力较大。如图7中Z=1 300 所示。在螺旋流的作用下,流束与管壁之间以及流束内部之间的相互作用增强,水流的沿程水头损失增多。在此之后,随着水流继续向前流动,螺旋流的作用逐渐衰减,最后水流将会再次过渡到传统的湍流运动状态,压力分布也随之恢复到经典湍流分布状态,其分布规律如图7中Z=1 700~Z=2 300所示。
上述中根据模拟计算结果分析的消能过程与装置试验时构想的消能过程相一致,而且经过比较图6与图7后可知,尽管水流最终会恢复到传统意义的湍流模式,但在Z=2 300断面处的压力显然比Z=100处的压力减小很多,说明通过利用该消能装置确实能够达到消除有压管道内过剩水头的目的。
2.3 装置结构的合理性验证
为验证试验装置设计的合理性,需在雷诺数Re、孔板开口角度、扭转角度相同的情况下,将试验所测压力数值与模拟计算所得压力数值进行比较,现取4组有效数据,将其分别绘制在同一坐标系下进行比较分析,如图8所示。
由图8可看出:转叶螺旋流消能装置出水口的压力较入水口的压力降低很多,而且软件数值模拟所得的压力变化规律与装置试验研究所测得的压力变化规律是一致的,这验证了试验装置设计的合理性。
2.4 不同参数下压力数值分析
将测点1和测点7的压力差与测点1压力的比值定义为转叶螺旋流消能装置的消能效率,以此来描述不同参数对该装置消能效果的影响。
(1)不同雷诺数下压力数值分析。根据表2绘制模拟所得的不同雷诺数对应的测点压力图以及消能效率曲线,如图9所示。
将图9与前人试验研究[2]对比可知:当装置开口角度,扭转角度相同时,在不同雷诺数下,两者测压点的压力值变化规律是一致的,即:当水流经过管径扩大段时,由于过水断面增大,压力有所降低,但很不明显;当水流到达转叶孔板组合段前,由于孔板组合存在,压力有所升高;当水流经过孔板组合段时,由于在孔板组合的强制扭转下,形成高强度的螺旋流,而螺旋流的产生与消殁伴随着大量能量的损失,所以随着水流继续前进,压力大幅度减小。从图9中可清晰看出该装置的消能主力区在转叶孔板组合段,这与装置设计的目的一致。分析消能效率曲线可知:不同雷诺数的水流,经过同一转叶孔板方案下的螺旋流消能装置时,装置的消能效果不同,且随着雷诺数增大,装置消能效率提高,这与试验研究所得结论一致。
(2)不同扭转角度下压力数值分析。由表3可绘制模拟所得的不同扭转角度下对应测点压力图以及消能效率曲线,如图10所示。
将图10与前人试验研究[2]对比可知:在雷诺数一定时,随着装置孔板间扭转角度的变化,两者消能过程中的压力变化规律是一致的。分析消能效率曲线可知:扭转角度对转叶螺旋流消能装置的消能效果有很大的影响,且随着扭转角度的增加,消能效率增大,消能效果也就越好,使得通过调节扭转角度来控制该消能装置的消能效果成为可能。与此同时,经分析装置结构不难看出:当装置扭转角度为0°时,装置相当于孔板射流装置,由此验证了转叶螺旋流消能装置的消能效果优于同类孔板射流装置的消能效果。
3 结语
(1)模拟计算结果分析的压力变化规律与装置试验研究结果一致,转叶螺旋流消能装置的试验设计合理。
(2)装置的消能过程与试验的构想一致,符合实际情况。
(3)一定条件下,装置的消能效果随雷诺数和孔板间扭转角度的增大而增强,这表明通过调节扭转角度来控制转叶螺旋流消能装置的消能效果是可行的,可为装置结构的优化提供理论指导。
(4)试验研究结果验证了数值模拟的正确性,而数值模拟计算结果对消能装置进一步的试验研究具有指导意义。
参考文献
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[4]吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社,2008.
孔板(洞塞)消能研究综述 篇8
在我国坝高大于100 m的高坝中,有约80%建在峡谷中,其坝顶长度与坝高之比一般不大于5,属于所谓峡谷建坝。由于河床狭窄,在洞外布置泄洪建筑物相当困难,另外洞外布置泄洪建筑物泄洪引起的雾化和空蚀破坏问题也难以解决。相比之下,洞内消能工是将导流洞变成泄洪消能隧洞,可以达到节约成本、减少空蚀破坏和保护环境的目的。内消能工主要有旋流消能工和孔板(洞塞)消能工两大类。旋流消能具有空化数大、消能效率高等优点,但其结构较复杂。孔板(洞塞)消能目前应用不多,但相关的研究实践和表明,孔板(洞塞)消能具有布置简单、经济、消能效率高、空化空蚀破坏较小等有点。因此可以说,孔板消能工的发展方兴未艾,具有广阔的发展前景。
1 孔板(洞塞)消能工的分类
孔板(洞塞)内消能工都是依靠水流的突缩和突扩来消煞水流的能量,减少对下游河床的冲刷,实现与下游水流的顺利对接。洞塞消能工又可以分为顺直洞塞、台阶洞塞、收缩洞塞和组合洞塞。孔板消能工有单级孔板消能工和多级孔板消能工。我国小浪底工程就是应用三级孔板来消能的。孔板结构还有很多变形,如增加消涡环、改变孔板锐缘和改变孔板顶部的夹角等(如下图)。孔板消能工有单级孔板消能工和多级孔板消能工。我国小浪底工程就是应用三级孔板来消能的。孔板结构还有很多变形,如增加消涡环、改变孔板锐缘和改变孔板顶部的夹角等(如图1-7)。
2 孔板(洞塞)消能工的现实应用
目前孔板(洞塞)消能的应用还比较少。美国格兰峡坝的临时一泄水孔和加拿大麦加坝的泄水底孔曾先后采用洞塞消能方案,虽然其泄洪规模相对较小,但其开辟了洞塞类消能工从理论到实践的先河,其成功经验具有很高的参考价值。麦加泄水底孔于1973年首次投入运行,至1976年4月,泄水底孔共使用了75个星期,最大运用水头达167 m。运行情况与设计和模型试验情况相符,效果令人满意。我国小浪底工程施行孔板消能,它于1999年10月下闸蓄水后,泄洪、引水建筑物陆续投入运用。黄河小浪底采用在压力洞内设置薄孔板环后,不仅压力洞段的流速得到了有效控制,而且水流经孔板环消煞了部分能量,压力洞后的流速降到35 m/s左右,减缓了高速含沙水流对衬砌的磨蚀,延长了隧洞的安全运用期和检修周期。截至2002年7月31日,小浪底最大下泄流量3 100 m3/s,历时7小时。其中孔板洞累计过流时间35 h,最高运用水位235.34 m 。每次过流后,都对各孔板洞性个流道进行了认真、细致的检查。经检查,各孔板洞流道内均没有发现冲刷、磨蚀、气蚀和损坏现象[1]。
3 孔板(洞塞)消能的研究情况
关于突扩(缩)水流的消能研究,可追溯到波达(Borda)的计算突扩水流水头损失的公式。在突扩(缩)式消能工应用于工程实践之前,国外的M. Fossa、Joseph Katz、、 B.C. Kim、Guohui Gan Keiichi Sato以及M. Stieglmeier等人都对孔板消能工的雷诺数影响、消能效率和空化特性进行过研究。虽然W.Ball, H.Rouse等人早在五十年代就对突扩式压力消能工进行过试验研究,我国南京水科院也曾经于1956年对两个泄水洞压力消能工进行过试验研究,但真正对孔板泄洪洞进行全面系统研究还是在我国黄河小浪底工程提出采用之后,国内许多科研院校和工程设计单位相继对孔板泄洪洞的体型、水力特性及结构振动等问题进行了大量的研究。如倪汉根、才君眉、向桐、李中义、陈霞、陈美法、赵慧琴、刘善均、杨永全、许唯临、王德昌和乐培九等人或通过水工模型试验和理论分析的方法,或通过数值模拟的方法,都对孔板(洞塞)消能工的水力特性进行过研究。
3.1 孔板(洞塞)消能机理研究
对于洞塞类内消能工的消能机理,普遍的观点认为是因为水流通过洞塞(孔板)的突缩和突扩,水流之间形成很强的剪切、紊动和摩擦,使水流的动能最终以热能的形式耗散掉。Kalinsk[2]早在1946年便开始研究管道渐变流及突扩流的能量转化过程,试验段管道直径从2.75 in扩散到4.7 5in,扩散角度为7.5°、15°、30°和180°,试验研究了两种流量下的水流特性,通过对时均流速分布、突扩前后压力的变化以及紊动参数的分析,认为能量损失的大部分都因为水体的强剪切作用而转化为热能。文献[3]为了进一步研究突扩水流的能量耗散过程,将突扩后的水流分为势流核区、混合区、回流区、附着区和恢复区以及二次回流区。S.S.Pan[4]认为孔板泄洪洞主要通过两种方式消能,其一是通过孔板环附近的压力骤降以及压力的强烈脉动,其二是通过孔板剪力流处的大量的漩涡以及孔板下游的漩涡消能,两者都与孔板的孔径比、孔板的几何形状及洞内流速有关。
3.2 孔板(洞塞)消能效率研究
M. Fossa、Joseph Katz、、 B.C. Kim以及Guohui Gan等人通过试验认为:在雷诺数较高的情况下,雷诺数对洞塞类消能工的消能效率的影响不显著。文献[5,6]对孔板的形状与阻力系数之间的关系也进行过较系统的研究。他们通过对试验数据分析认为:孔径比越小,阻力系数就越大,消能效果也就越好,但其过水能力也相应减小;刃形斜面向下游的孔板阻力系数最大,孔板上游侧顶部倒角使阻力系数下降,圆弧半径越大,阻力系数下降越多。文献[7]认为:在t/d小于0.2的范围内,消能率的变化小于5%;在t/d在0.2到0.6的范围内,改变孔板厚度,消能率的变化较大;对于在t/d大于0.6的厚孔板而言,改变孔板厚度,消能率的变化也不大。文献还指出,顶部削角可以从0度到90度变化,但阻力系数变化不大。孔板内缘削角越大,消能系数越大,但这亦只在一定范围内突出,当内缘削角大于30度时,这种影响稳定下来,不再有较大的发展。考虑到结构安全,工程设计时一般取30度。文献[8]指出,只要求孔板前角隅空化不先于孔板后的剪切空化,在此条件下寻求阻力系数的最大。消涡环的效果显然与孔径d,洞径D及消涡环尺寸b有关。阻力系数与无量纲数2b/(D-d)有关。最佳消涡环的尺寸是使得2b/(D-d)在0.55到0.62之间。试验还表明,加消涡环不仅可以使得阻力系数增加10%,还可以减少空化和增加建筑物的结构强度。如果是多级孔板,孔板间距也是影响消能系数的一个因数。文献[9]对孔板的间距研究认为:孔板的消能效率随x/D的增加而趋近于常数;孔板间距一般达到3D时,孔板之间的相互影响比较小,这主要与水流的恢复长度有关,孔径比越小,则恢复长度越大。
关于孔板(洞塞)内消能工的消能系数,很多文献还给出了经验公式,如文献[10]给出的洞塞消能工的经验公式为:
式中:AT、Ai、v分别指泄洪洞截面积、洞塞截面积、泄洪洞平均流速。
文献[11]给出的孔板消能系数的经验公式为:
式中:A0、Ap、η分别是空口面积、管道面积、孔径比。
各种文献由于实验条件不同,给出的经验公式形式不同。只有在条件相似时,计算的结果才比较接近。由于问题的复杂性,想通过理论分析得出比较精确的普遍适用公式还存在一定的困难。
3.3 孔板(洞塞)消能空蚀空化特性研究
孔板的主要空化源有两个,一个为孔板上游角隅处的漩涡空化,到下游后立即溃灭;另一个为孔板下游射流的剪切层。孔板前角隅处漩涡空化可以通过加消涡环予以解决。对于下游剪切层形成的空化,不仅与射流形成的强剪切流空化有关,还应考虑收缩断面所形成的低压区影响,更应考虑孔板后的实际流态。文献[8] 认为孔板初生空化数主要取决于孔板的体型,同一孔径比的孔板,阻力系数越大,消能率越高,孔板后的紊动也越强烈,因而也就越容易空化。对同一阻力系数的孔板,孔径比越大,要求孔口顶部越尖,也就越容易发生空化。因此,初生空化数是孔径比和阻力系数的函数。文献[12]分析指出,孔板的初生空化数受到孔板的几何尺寸、孔径比、比尺效应和上游的来水状态等因素影响。并认为孔板的初生空化数随孔径比的增大而减小。对于多级孔板,越到下游的孔板空化数越小,文献[13]提出了等空化的原则。所谓等空化原则,就是多级孔板系列中某一级孔板发生初生空化时,其他孔板也同时发生空化,这要求各级孔板的水流空化数同时达到其初生空化数,二者双双相等,依等空化原则可找到各级孔板孔径比之间的关系。
3.4孔板(洞塞)消能脉动压力和回流区的长度研究
脉动压强的产生不仅可能引起建筑物的振动,而且增加了发生空化的可能性。脉动压强的成因有两种说法。一种说法是涡成因说,即脉动压强是紊流边界层中多级旋涡随机性地混掺运动所引起的;另一种学说认为水流的脉动现象是分子作不规则的运动所产生的。而水分子的不规则运动是由于以下几种因素所造成:水的粘滞力、雷诺应力、边界阻力、边界条件的改变、掺气等。文献[14] 紊流的压强脉动来源于流速的脉动,而且影响流体运动的一些参数。文献[15]根据一般流体力学的概念将水流分为三大区,即内区(含粘性底层)、外区即自山流区。经分析认为内区及外区的脉动压强是由于垂直水流的脉动流速引起的,自由流区的则是由于惯性作用所引起的。脉动压强引起的原因比较负杂,目前完全靠理论还不能完全解决实际问题,主要还是依靠模型试验再结合理论分析来处理问题。文献[15,16]较系统研究了多级孔板的脉动压力特性认为:孔板(洞塞)消能工脉动压力与空化有密切关系,脉动大时发生严重空化的可能性就大。脉动压力强度分布都是紧靠孔板下游附近数值最大,然后呈下降趋势,并逐渐在全断面均化,待接近下一级孔板时又突然增加。影响脉动压力的主要因素有孔径比、孔板体型、孔板间距等。孔径比越大、孔板顶角越圆对减小脉动有利。在一定的孔径比范围内,脉动压力有峰值。为减小脉动,孔径比不宜大于0.75。
回流区长度也是洞塞类内消能工的一个重要特性之一,它与消能工的空化特性和消能效率密切相关,它同样也受到孔径比、洞塞形状和压力水头的影响。关于回流区长度的研究也很多。M.Stieglmeier、L.F.Moon和Chaturve等的研究表明:在高雷诺数条件下,雷诺数对回流区长度的影响不大。文献[11]在关于回流区的长度问题上进行了水工模型试验。试验是在管径D=178.6mm的管道中进行的。首先观测孔径比不变时,孔板下游回流区长度随孔口雷诺数的变化。观测表明,回流区长度随的增大而增大,但当孔口雷诺数大于5×104以后回流区长度不再变化。孔板下游回流区的稳定长度是孔径比及进口流速分布的函数,孔径比愈小,该长度愈大。
4 结 语
进入21世纪以来,我国的水电开发逐渐向中西部转移,在中西部建设水电枢纽泄洪时具有深峡谷、高水头、大流量、大单宽流量和泄洪功率巨大等特点。而孔板(洞塞)消能工只需要将临时导流动经简单改造便可建成,且孔板(洞塞)消能具有消能效率高、空蚀破坏小等优点。因而孔板(洞塞)消能具有很强的适用价值和广阔的发展空间。很多科研单位和科研人员对孔板(洞塞)消能展开了深入的研究,取得了丰硕的成果,也取得了一些共识,普遍认为孔板(洞塞)消能的消能效果、空蚀空化特性、脉动压力和回流区长度均与洞塞的体型和孔径比有密切的关系。但孔板(洞塞)消能的水力特性非常复杂,对孔板(洞塞)消能的研究还远未停止。如孔板(洞塞)的消能效果和空化数是一对矛盾,如何在提高空化数的条件下提高消能效果,实现孔板(洞塞)体型的优化设计;如何研究孔板(洞塞)空化发生区域与边壁的距离,使得孔板(洞塞)的空化远离边壁发生;如何开发洞塞和孔板联合消能工等等。总而言之,不断研究和开发新型的经济、高效、空化少的孔板(洞塞)消能工具有重大的适用价值和现实意义。
摘要：孔板(洞塞)消能具有消能效率高和空化数大等优点。通过详细总结孔板(洞塞)消能的研究成果,认为如何优化孔板(洞塞)体型来提高消能效果和空化数,减少脉动压力,是个值得继续研究的问题。
电站泄洪消能设计浅析 篇9
1 泄水建筑物布置
泄水建筑物布置的基本原则是:
1) 确保枢纽各建筑物在施工和长期运行中的安全。
2) 技术可行和经济合理。
从可持续发展和与生态环境友好的观点出发, 今后建设的水利水电枢纽工程还要考虑建设具有河流生态环境功能的水工建筑物。由于修建水电站的地形地貌的差异, 坝址地形、地质、水文、环境等条件的不同, 虽然枢纽布置没有一个固定模式, 但是许多学者还是根据长期的实践经验进行了总结与归纳。对于这—类达到世界最高水平的高水头大泄量工程, 多数都是采用几种泄洪方式的组合。陈椿庭在总结了国内外200余个大型工程枢纽布置经验, 开展了对泄水建筑物的分类研究。在溢流前沿小足以泄放最大洪水时, 配合岸边式溢洪道或泄洪洞。在二滩高拱坝首次采用坝身表孔、中孔与大型水垫塘配合大型泄洪洞的泄洪消能布置后, 小湾、溪洛渡等水电工程都采用这种三套泄洪设施的组合。土白坝多采用岸边式泄洪, 以泄洪洞和岸边溢洪道为主, 典型的工程如小浪底采用了多种岸边式泄洪设施, 下游配合大型水垫塘进行消能, 糯扎渡和水布垭则用大型岸边溢洪道, 承担主要泄洪任务, 其规模已达到和超过了巴西著名的伊泰普溢洪道的设计水平。
2 水电站泄洪消能方式
传统的消能方式分为挑流、底流、面流三种, 从总结过去的实践经验看, 绝大部分工程还是以挑流消能工为主, 但由于地形和地质条件的限制、或者是水流条件的限制, 传统的挑流消能难以满足工程要求, 因此发展了一些新型消能工, 如窄缝式消能工, 宽尾墩式联合消能工, 拱坝挑流+水垫塘联合消能工, 洞内消能等。通过几十年不断地探索和研究, 不断地完善了这些新型消能工的设计理论, 在工程应用中也取得了非常可喜实践经验。
中区、右区泄洪表孔的消能型式。中区泄洪表孔左邻中隔墙, 右接下游纵向围堰, 左右建筑物的建基面高程在175 m左右。右区泄洪表孔左邻下游纵向围堰, 右接船闸坝段, 为满足施工期通航和导流的需要, 导流明渠开挖至高程176.50 m。水电站在流量5500 m3/s以下需要通航, 船舶运行对通航水流条件要求较高, 如采用面流或戽流消能方式, 下游波浪较大, 对下游通航水流条件不利。采用底流消能方式, 在下泄流量5500m3/s以下时, 中区、右区能产生稳定水跃, 消能效果较好, 有利于改善下游通航水流条件。因此推荐中区、右区表孔采用底流消能型式。
3 电站泄洪消能设计
在进行枢纽布置时, 如何妥善布置泄洪建筑物并做好下游消能防冲设计往往是关键问题之一。当然, 如果河道短小, 水量不大, 或坝的高度较低, 落差很小, 或是坝前水库很大, 通过调节作用下泄流量很小, 则泄洪建筑物的布置及设计就比较简单。但是我国大部分地区位于温带, 水量丰沛, 特别是年内的分布很不均匀。大部分径流都在汛期下泄, 不少河道洪水暴涨暴落, 峰尖量大。有的河道洪水过程线较乎缓但绝对流量很大。在这种水文条件下, 如果再加上河道狭窄, 下游地质条件较差和坝体较高时, 泄洪消能就成为一个困难问题。布置泄洪建筑物常会与其它建筑物发生矛盾。但一般讲来, 不妥善解决好泄洪汛能问题, 坝体的安全就不能保证, 所以应把泄洪建筑物的要求放在首位, 同时照顾其它处筑物的要求。重力坝的断面较大, 有利于通过坝体泄水, 所以一般总是尽量利用坝顶或通过坝体泄永孔宣泄洪水, 以收到经济之效 (当然也有例外的, 详以后所举实例) 。在泄洪问题比较重要的工程中, 我们应将泄洪坝段布置在最合适的部位, 一般是在原河道主流部位, 以使泄放的洪水大体上沿原河道主流方向平顺地与下游衔接。
如河道很窄, 泄洪水流基本上已古满河床全宽时, 我们要妥善控制泄流的边界, 既不使水流直接冲刷撞击两岸岸坡, 也不使主流和岸坡间留下大的空间, 以致主流的流量太集中形成强烈的回流, 两岸岸坡和坝的下游面。如果河道较宽, 泄流段只占了主河道的一部分, 在两侧还布置有发电厂等建筑时, 要研究泄洪时下游的流态, 防止在两侧造成淤积、冲刷或剧烈波动等不利后果。倘若山于布置或施工上的要求, 须将泄洪段设置在河床的非主流段时, 过坝下泄的水流流态将和原来的河势有很大区别, 必须详细研究流态长期改变后将产生的一系列后果, 并采取必要的措施, 例如用扭曲坎等异形挑坎将主流挑至主河道并使射流沿水流方向拉开。通航建筑物的布置除需满足通过能力的要求外, 还要满足上下游船舶能顺利进航道的要求, 对水深、流速、流向、淤积条件和引航道长度等方面有较严格的要求, 往往需经过反复布置和试验后才能确定。这是一项很细致的工作, 需要有关的设计、运行部门共同协作努力才能解决好。有些河流有流放木材的要求, 为此要设置木材过坝的设施, 通常采用的措施有:
1) 整个木筏和船舶同样过坝, 或者专为过木修建筏闸。
2) 设置水筏道, 泄放少量水流将木材从筏道中放下, 一般都是单根漂木, 也可整排漂放。大型的筏道可称为漂木道。
3) 利用机械将木材传送过坝, 如链式传送机等, 或用机械将整个木筏吊运过狐。
4) 利用泄洪将木材通过溢洪道下泄, 一般也是单漂。
5) 改变流向或流送方式, 例如在水库区将木材起岸, 改由铁路或公路运输。或就近设置木材加工厂, 将加工成品由陆路运输。
参考文献
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