泄水系统

泄水系统（精选7篇）

泄水系统 篇1

1 工程背景概况

本泄水闸在旧闸上原址重建。泄水闸的河道两岸均为农田或林地, 周围地势平坦且无较高建筑物, 经常容易受到雷击。旧闸启闭机室的装饰屋面亭角曾被雷击击中。

旧水闸 (启闭形式为卷扬机) 在2003年对泄水闸的自动化控制系统进行升级改造。在闸门两侧加装行程检测及位置控制装置, 更换继电器式控制方式, 采用小型PLC模块控制, 通过双绞线与管理房的控制室计算机联络。但系统升级改造后一直未投入正常使用。出现下列问题:1) 控制信号稳定性差, 时好时坏。由于闸门的行程检测信号不能准确反映真实数据, 导致管理人员不敢远程操作泄水闸闸门的启闭。2) 启闭机室现地控制箱内PLC的电源模块在雷雨天 (尤其是雷闪电鸣过后) 被烧坏, 一年需要更换几次。3) 室外新装的监视摄像机容易被雷击击中。同时视频信号畸变严重, 传回至控制室的图像受干扰较大, 清晰度很差。

2 问题分析

针对上述问题与结合当地自然情况, 分析出现问题原因可能有:

2.1 结构原因

旧闸坝于1966年开始修建, 1970年7月建成投入使用。旧闸共设有36个闸孔。闸顶设有双曲拱工作桥。闸坝建筑采用重力式浆砌石结构, 由于地质条件好, 基础为天然基础。闸室上游设有粘土铺盖, 铺盖面厚砂石垫层。

旧闸的土建结构内部较少钢筋或金属构件, 自身电阻率较高, 无法利用自身的自然接地体组成接地网络。特别是在闸室底板水下部分, 均为纯沙石材料, 电阻率极高。因为建设时期条件受限, 原设计并未考虑在闸室底板铺设人工接地体, 即在旧闸的闸室基础没有接地网。闸门启闭机室采用砖混结构, 基础圈梁架在浆砌石的闸顶上。卷扬启闭机在室内地板安装地角螺栓。在水上部分闸门启闭机室的墙壁四周, 布置有一圈人工接地线 (热镀锌扁钢) , 与底板圈梁连通, 并与电机地角螺栓连接, 构成旧闸的接地网。

启闭机室屋面为中式仿古型式, 布置琉璃瓦、屋脊及挑檐。在屋脊布置接闪带, 利用扁钢作引下线与室内人工接地电气连通。

事实上, 旧闸的防雷接地措施未能起到相应的作用。首先, 接地极是指埋入地中并直接与大地接触的金属导体, 接地网是有垂直和水平接地极组成兼有散流和均压作用的水平网状接地装置。旧闸从严格意义上没有接地网格, 启闭机室底板的自然接地体圈梁与人工接地体组成的网格均在地面以上, 悬空在闸坝顶, 只能作为辅助接地的均压环 (作等电位联结) 。其次, 屋面上防雷装置接闪带 (避雷带) 没有完全覆盖易受雷击的部位, 如挑檐、斜屋脊等。又因接地网欠缺, 引下线不畅通, 接地电阻大, 致使雷电流、雷击电磁脉冲涣散速度慢, 致使闪电雷击很容易击中屋面尖端部位。

旧闸接地网的缺失是导致一系列问题发生的主要原因。

2.2 其它原因

只要不发生接地故障, 电阻大、接地效果差对配电系统的影响没有对控制系统的大。控制核心元件PLC模块、闸门行程检测传感器对感应电磁脉冲、对电压波动非常敏感, 尤其是模拟量信号 (0~5V或4~20m A) 容易失真。

旧闸启闭机室与管理楼有一定距离 (超过90米) , 采用普通双绞线通信, 信号容易衰减。室外竖立的摄像头有金属导体, 容易引雷, 加上接地不畅电阻较大, 常被雷击击坏。

室外的电缆及控制线, 线芯均为金属铜材料, 埋设在浅层地下。当雷电天气时, 雷击电磁波脉冲沿着金属导体进入室内控制或配电单元, 对相关设备进行冲击, 造成设备故障。

3 泄水闸及建筑物的接地设计

3.1 重建泄水闸概况

泄水闸采用开敞式宽顶堰结构, 共设19孔闸门, 总宽276.5m, 两端各2孔为东、西电站进水闸, 每孔净宽为9.5m, 中间的15孔为泄水闸, 单孔净宽12.5m, 单孔净宽12.5m, 总净宽225.5m (泄水闸总净宽187.5m) 。

3.2 接地方法要求

19孔泄水闸及上部廊桥的电气装置属于A类电气装置。接地装置充分利用自然接地体, 包括:常年与水接触的钢筋混凝土水工建筑物的表层钢筋;压力钢管及闸门、拦污栅的金属埋件;留在地下或水中的金属体。接地按用途分为:工作 (系统) 接地、保护接地、雷电保护接地、防静电接地。

本工程的380V配电系统工作接地为变压器低压侧中性点直接接地。保护接地涉及的电气装置和设施的金属部分包括:泄压启闭电机机座及外壳;柴油发电机外壳;配电、控制、保护用的柜 (箱) 等金属框架;铠装电力电缆及控制电缆的外皮等。雷电保护接地须与防雷措施相配合设计。防静电保护主要在监控中控室及控制设备房内实施。

泄水闸供电由东电站站用变压器 (1000k VA, 0.4/10k V) 提供, 变压器中性点直接接地。泄水闸设备配电采用TN-C-S系统, 接地装置的接地电阻不大于4Ω。

3.3 泄水闸接地装置的布置

(1) 泄水闸结构概况

重建泄水闸闸室采用钢筋砼整体坞式结构, 共有19孔。其中两侧东、西电站进水口的边孔尺寸宽×高为9.50×3.01 (m) , 15孔中孔尺寸宽×高为12.50×3.01 (m) 。闸室顶高程不低于12.27m。结合交通桥的板厚布置、两侧通道净空的要求、闸门检修运行的需要, 以及与现状地形的衔接, 拟定闸顶高程为15.0m。

墩长按闸顶布置、闸室抗滑稳定等需要与底板同长为14.5m。结合闸门槽的尺寸, 拟定中墩厚2.5m, 缝墩厚3.0m, 边墩厚1.25m。

闸墩上设置检修门槽, 检修门槽宽0.6m、深0.4m;闸墩墩头和尾部均采用圆型, 以改善出入流条件。

采用混凝土防渗墙作为垂直防渗设计。

底板一期混凝土采用C30, 二期混凝土采用C50。底板厚1.5m, 底层钢筋网为纵向Φ22@140, 横向Φ28@140, 面层钢筋网为纵向Φ22@140, 横向Φ28@140。15孔泄水闸的中墩外层钢筋网为纵向Φ25@150, 横向Φ25@150, 4孔电站进水口工作闸门边墩外层钢筋网为纵向Φ25@150, 横向Φ25@150。

(2) 泄水闸底板接地网格

根据泄水闸水工建筑结构, 在19孔的闸室底板面层钢筋网, 按照一孔一圈将底板底层的Φ25横纵钢筋连接成接地网孔, 约15×15 (m) 。Φ25钢筋交叉之处须电焊连接。共19孔。水平接地网络的总尺寸为278×14.5 (m) 。其中, 水工结构设置的泄水闸闸底板为30.5×14.5 (m) 为一块, 共9块, 闸底板厚度为1.1m。

泄水闸接地网利用建筑物基础结构钢筋等自然接地体, 使用结构柱内钢筋做防雷引下线, 将屋面防雷接闪器与接地网良好连通。水闸接地网利用闸室底板底层钢筋, 焊接成若干接地网格, 利用闸墩钢筋作地网上引线, 在边墩适当位置设置连接卡。利用5×50热镀锌扁钢将廊道、闸墩内闸门各钢埋件、设备金属外壳等及室内金属管、构件与其附近接地网相连, 作等电位联结。

3.4 理论计算接地电阻

泄水闸区域散流介质分布较单一, 电导特性近一致, 用常规接地计算方法的地网的接地参数。泄水闸水下部分的接地装置使用闸底板面层钢筋网等自然接地体, 近似看成一水平接地体为主边缘闭合的复合接地极 (接地网) 。

3.4.1 工频接地电阻

泄水闸底板接地网属于自然接地装置, 接地极型式为钢筋混凝土基础。其工频接地电阻的计算有下列几种计算式。

(1) 简易估算式:

V为基础所包含的体积, 且V的值在1000m3左右时, 该公式才有实际意义。因此按照泄水闸两块底板作为计算的单元, 即:30.5×14.5×1.1×2=973 (m3) ≈1000 (m3) 。按此划分按照4块单元计算接地电阻, 1.001÷4=0.25Ω。

(2) 单个基础接地极的接地电阻计算。按照一块闸底板30.5×14.5 (m) 矩形条状基础作为计算单元。

形状系统K2查表得, K2约为0.53, L1为钢筋体长边 (m) 。

(3) 钢筋体互相连通在一起时, 总接地电阻按照:

其中, K1、K2的值由特征值C决定。第n个基础的平面积为An, 整个建筑的基底平面积为A, 特征值为:

通过上述几种简易计算接地电阻值的结果, 得到本工程泄水闸利用自身结构钢筋网络等自然接地体做接地网, 接地电阻满足设计要求。

3.4.2 冲击接地电阻

计算防雷接地装置所采用的电阻率, 应取雷季中最大可能的数值, 泄水闸的底板属于水下的混凝土, 不受气候季节变化, 取值为50 (Ω.m) 。

本工程的泄水闸接地网络属于大型水平接地网, 其冲击接地电阻按下列公式计算。

4 结束语

接地设置看似简单, 却容易因细节而出现问题, 影响电气供电、控制等方面的质量。一般在利用建筑物自身结构钢筋的情况下, 接地好坏关键在于引雷通路连接是否通畅。其次, 等电位的联结好坏, 降低电位差, 使设备、人员避免受到感应雷的侵害。再次, 弱电信号的感扰解决重点在于屏蔽, 尽快让干扰源经接地网涣散。

摘要：本文针对某拦河坝泄水闸的工作特点及出现的问题, 分析原因, 并论述防雷接地的重要性及难点。结合泄水闸的布置及水工建筑结构情况, 根据国家相关工程规范的要求, 确定接地电阻值 (限值) , 设计泄水闸接地网并计算接地电阻的数值。

关键词：接地,接地电阻,自然接地体,人工接地体

参考文献

[1]工业与民用配电设计手册/中国航空工业规划设计研究院等编.北京:中国电力出版社, 2005 ISBN 7-5083-3034-X.

[2]GB 50057-2010, 建筑物防雷设计规范.北京:中国计划出版社出版, 2011.

[3]建筑物电气装置500问/王厚余编著.北京:中国电力出版社, 2008.

[4]全国民用建筑工程技术措施.电气/建设部工程质量安全监督与行业发展司, 中国建筑标准设计研究所编.北京:中国计划出版社出版, 2003.2

2112泄水巷改造支护工艺 篇2

12112泄水巷概况

常村煤矿主要开采侏罗纪中统义马组2-1号、2-3号煤层, 煤种属长焰煤。煤为黑色, 具沥青质光泽, 多为立方节理, 呈块状或小块状产出。该区2112工作面一分层采煤时工作面有大量淋水, 2112工作面结束后, 直接用管子将水导入水仓, 经过扩修改造后, 现在是一条泄水联络巷, 承担三水平通风、行人、运输任务。2112泄水巷位于21采区西翼下山煤柱中, 东距2111反风巷15 m, 巷道顶部有21121运输巷、21141回风巷, 底部为21 区底部水仓, 上部与28轨道相通, 下部与2118回风上山相通。对应地表位于土家沟以东农田, 地表起伏不大, 且不易积水。

(1) 工程地质条件。

该区煤岩层走向115～135°, 倾向SW, 倾角9～12°, 一般10.5°。该巷道地质构造简单, 开掘过程中不会遇到断层, 地表无威胁性水源。煤岩分层情况:①2-3煤顶板为厚29.2～42.5 m的泥岩, 呈深灰色, 致密, 局部性脆, 隐水平层理发育。②2-3煤, 厚14.5～16.2 m, 上半部以半亮型块状硬质煤为主, 下半部为半暗型煤, 煤质较差。③直接底为炭质泥岩, 厚1.5～6.0 m, 灰黑色, 质软, 遇水易膨胀。④基本底为细砂岩、泥岩, 厚22.2～26.3 m, 灰—深灰色, 较硬, 为泥岩时, 遇水易膨胀。⑤砾岩, 厚2.9～4.1 m, 浅灰色, 砾石成分以石英岩、石英砂岩为主。

(2) 水文地质条件。

该区地表无威胁性水源, 所掘岩层均为弱含水层, 如砾岩、细砂岩均为弱含水层, 掘进过程中会有少量淋水现象。2-3煤直接底为炭质泥岩, 遇水易膨胀、底鼓, 使巷道变形。此区最大涌水量10 m3/h, 正常涌水量3 m3/h。

22112泄水巷巷道布置

2112泄水巷改造巷全长220 m, 自2118回风上山上部开口, 开口十字头中心推算坐标:x=868.854, y=3 278.353, z=-43.265 (底板高程) , 方位308°, 坡度-3‰掘进35 m;然后打设十字头, 十字头中心推算坐标:x=890.402, y=3 250.773, z=-43.370 (底板高程) , 以方位38°、坡度-3‰掘进15 m, 再沿此方位坡度调整为-5°07′掘进68.264 m, 然后坡度调整为-3‰掘进15 m, 最后以方位248°、坡度-3‰掘进78.289 m, 与原2112泄水巷车场贯通。

32112泄水巷巷道支护工艺

3.1煤层段

2112泄水巷改造巷煤层段, 采用斜墙半圆拱断面, 全断面锚网 (索) 、架拱型可缩性支架复合支护, 支架后顶帮空帮让压距0.5 m, 支架拱顶空顶壁后背网充填。

锚网最大控顶距为1.2 m, 最小控顶距为0.2 m, 严禁随意扩大控顶距。顶、帮全断面铺菱形金属网, 拱顶打7根Ø22 mm×2 250 mm钢筋锚杆, 间排距均为0.6 m, 每根顶锚杆配2390树脂药卷1支, 加长锚固。两帮各打6根Ø18 mm×2 000 mm的钢筋锚杆, 间排距均为0.6 m, 底角锚杆与帮呈75°夹角向底板下扎, 其余锚杆垂直巷道轮廓线布置, 每根帮锚杆配Z3550树脂药卷1支, 加长锚固。拱顶加打Ø17.8 mm×8 000 mm锚索加固, 每排3根;两帮加打Ø17.8 mm×6 000 mm锚索加固, 每帮每排2根。顶帮锚索间排距均为1.5 m, 所有锚索要垂直巷道轮廓线打设, 锚索托梁与巷道支架平行布置, 每根锚索配3支树脂药卷, 锚索锚固张拉后预紧力不小于100 kN, 锚索紧跟掘进面施工。

锚网 (索) 后, 架拱型可缩性支架永久支护, 棚距0.5 m。支架滞后掘进面距离不超过3 m, 拱顶背网充填滞后支架不超过3 m。支架后拱顶及两肩窝空顶部分必须及时背网充填, 即在支架梁上先铺钢筋网、再铺塑料网。背网充填高度为与两端梁腿搭接最上面卡缆齐, 背网以上空间用编织袋装粉煤配合黄土充填接顶, 黄土∶粉煤=1∶3, 黄土和煤必须搅拌均匀。

3.2煤矸互叠层段

煤矸互叠层段巷道采用斜墙半圆拱断面, 采用锚网 (索) 、喷浆、架拱形支架、注浆复合支护形式。

锚网最大控顶距1.2 m, 最小控顶距0.2 m, 严禁随意扩大控顶距。顶帮全断面挂冷拔丝网, 拱顶打7根Ø22 mm×2 250 mm钢筋锚杆, 间排距均为0.6 m, 每根顶锚杆配2390树脂药卷1支。两帮各打6根Ø18 mm×2 000 mm钢筋锚杆, 间排距均为0.6 m, 底角锚杆与帮呈75°夹角向底板下扎, 其余锚杆垂直巷道轮廓线布置, 每根帮锚杆配Z3550树脂药卷一支。拱顶打Ø17.8 mm×8 000 mm锚索加固, 每排3根;两帮打Ø17.8 mm×6 000 mm锚索加固, 每帮每排2根。顶帮锚索间排距均为1.5 m, 所有锚索要垂直巷道轮廓线打设, 锚索托梁与巷道支架平行布置。

锚网后进行第1次喷浆支护, 喷厚50 mm, 滞后掘进面2 m。然后挂冷拔丝网打顶帮锚杆, 进行第2次锚网支护。顶打Ø22 mm×2 250 mm钢筋锚杆, 每根锚杆配2390树脂药卷1支, 两帮打Ø18 mm×2 000 mm钢筋锚杆, 每根配Z3550树脂药卷1支, 顶帮锚杆间排距均为0.6 m, 顶帮锚杆均配铁托盘和木托盘各1块, 两帮顶角锚杆与水平呈15°夹角向上打设, 底角锚杆与水平呈30°夹角向下打设, 其余全部垂直煤壁打设。第2次锚网滞后第1次喷浆1.5 m。

第2次锚网支护后, 进行第2次喷浆, 喷厚100 mm, 滞后第2次锚网1 m。第2次喷浆后顶、帮全断面打Ø20 mm×2 000 mm注浆锚杆, 间排距均为2 m。注浆管 (锚杆) 外露长度为50 mm。然后架拱型可缩性支架永久支护, 棚距0.5 m。支架滞后掘进面距离不超过5 m, 注浆后及时背网充填。喷浆要求均为全断面喷浆, 喷浆料必须搅拌均匀。注浆液必须按比例配制, 搅拌均匀。

3.3岩层段

岩层段巷道采用斜墙半圆拱断面, 支护形式为2次锚网、3次喷浆注浆联合支护。

巷道断面掘出后, 随即进行第1次喷浆临时支护, 喷厚50 mm。然后顶帮全断面挂钢丝绳锚网, 钢丝绳紧贴岩面, 绳与绳搭接长度250～400 mm, 并用铁丝捆绑牢固。横向钢丝绳每根长度为巷道轮廓线全长 (包括两侧基础) , 纵向钢丝绳每根长5.5～6.0 m, 钢丝绳于锚杆处开始分岔, 且必须用锚杆托盘压紧压牢, 按锚杆间、排距纵横 (呈十字交叉) 挂好。拱顶打7根Ø22 mm×2 250 mm钢筋锚杆, 间排距均为0.7 m, 每根顶锚杆配2390树脂药卷1支。两帮各打6根Ø18 mm×2 250 mm钢筋锚杆, 间排距均为0.7 m, 底角锚杆与帮呈75°夹角向底板下扎, 其余锚杆垂直巷道轮廓线布置, 每根帮锚杆配2390树脂药卷1支。拱顶打Ø17.8 mm×8 000 mm锚索加固, 每排5根, 间排距均为1.5 m, 所有锚索要垂直巷道轮廓线打设, 锚索托盘紧贴岩面, 每根锚索配3支树脂药卷, 锚索锚固张拉后预紧力不小于100 kN, 锚索紧跟掘进面施工。

第1次锚绳后, 进行第2次喷浆, 喷厚80 mm, 滞后掘进面4 m。然后挂冷拔丝网进行第2次锚网支护, 第2次锚网滞后第1次喷浆1.5 m。第2次锚网后, 进行第3次喷浆, 喷厚70 mm, 滞后掘进面5 m。

第3次喷浆后, 顶、帮全断面打Ø20 mm×2 000 mm注浆锚杆, 间排距均为2 m, 滞后掘进面10 m。注浆管 (锚杆) 外露喷层长度为50 mm。注浆滞后掘进面不大于15 m。

三次喷浆要求与煤矸互叠层段相同。

4结语

煤矿水害主要来自矿井的突水。我国曾在煤矿生产中发生过多次突水事故, 给矿井造成了巨大的经济损失, 严重制约了矿井的安全与生产。2112泄水巷的成功改造, 对义煤集团常村煤矿安全生产具有重要意义。

参考文献

[1]高延法, 张庆松.矿山岩石力学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.

[2]宋广太, 魏锦平, 张榜雄.煤巷围岩锚固技术与工程实践[M].北京:煤炭工业出版社, 2007.

[3]李金凯.矿井岩溶水防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1990.

高坝泄水建筑物体型优化试验研究 篇3

某水电站位于澜沧江上游河段规划中的第5个梯级, 最大坝高为202 m。水电站正常蓄水位为1 619.00 m, 其相应库容为14.18亿m3, 校核洪水位为1 621.97 m。其枢纽泄水建筑物由3孔溢流表孔+2个泄水放空底孔+右岸泄水洞组成, 各泄水建筑物设计泄流能力见表1。泄水洞后段通过改建1号导流洞形成, 泄水洞采用旋流消能, 旋流竖井高约177 m, 大坝后接一消力池, 河道在距泄水建筑物出口200 m处有一向左23°的转弯。电站平面布置见图1。

2 模型制作与主要工况表

2.1 模型制作

试验模型为整体、正态模型, 模型比例为1∶50, 河道模拟总长度为2 000 m, 包括坝轴线上游700 m至坝轴线下游1 300 m, 库区1 630 m高程以下, 下游1 520 m高程以下, 因此, 能保证上游流态和下游流态以及冲坑的相似性。各物理量的比例如下:①几何相似, 长度比尺:λL=50。②重力相似, 流速比例:λV=λ${}_L^{0.5}$=7.071;流量比例:λQ=λ${}_L^{2.5}$=17 677。③阻力相似, 糙率比例:λn=λ${}_L^{1/6}$=1.919[1,2]。

2.2 主要工况表

本次试验进行了一系列的工况试验研究, 以摸索电站泄水建筑物的优化体形, 在此选几个重点特征工况, 见表2。

3 原方案试验成果分析

3.1 原方案体形

泄水坝段分为3孔溢流表孔泄水, 溢流表孔孔口尺寸为15 m×21 m (宽×高) , 堰面为WES曲线, 堰顶高程为1 598 m。中间2号溢流表孔的出口挑坎是窄缝式, 收缩比为4∶15, 出口高程为1 501.60 m;两边为对称的连续坎式溢流表孔, 出口高程为1 495.00 m。溢流表孔左、右侧各布置一泄水放空底孔, 孔口尺寸为5 m×8 m, 出口挑坎是收缩窄缝式, 收缩比为2∶5, 出口高程为1 542.85 m。旋流竖井泄水洞一般在较大洪水时才参与泄水。泄水坝段出口处断面为0+129 m, 消力池基岩顶部高程为1 435 m, 采用护坡不护底方案。原方案大坝平面布置见图2 (a) 。

3.2 原方案冲沙试验结果分析

坝址布置地段河谷狭窄, 呈“V”字形, 两岸地形基本对称, 山坡陡峻, 自然坡度一般大于45°, 多陡壁[3]。在此地形下修建高坝水电站, 如何布置消能工形式, 使水舌在有限的狭小空间下合理分布, 既不使水舌落水区过于靠近岸边, 对消力池边壁造成严重的冲刷, 也不让水舌落水区域过于集中, 加大对下游河道的冲刷, 还不让水舌在空中碰撞, 加大雾化对环境的影响。还有如没解决好泄水消能问题, 有可能会销蚀坝基, 进而影响坝体安全, 产生很严重的后果。

试验表明, 两侧放空底孔出口采用窄缝挑坎, 虽然水舌纵向拉长, 但由于放空底孔布置在大坝的两翼, 水舌落水区距离消力池边墙较近, 水舌落点位置不佳, 需优化。在上游正常水位1 619 m时各泄水建筑物水舌落水区域分布示意见图3 (a) 。

2号中间溢流表孔采用窄缝挑坎, 水舌纵向扩散明显, 单宽流量较少, 水流不会潜入消力池池底。在1号、3号溢流表孔不参与泄水时的冲刷坑深度为1 446 m, 而1号、3号溢流表孔参与泄水时, 消力池冲坑很深, 达到1 435 m。随着1号、3号溢流表孔泄量的增加, 消力池冲刷坑底部流速显著增加, 泄水时前半部分消力池底部的覆盖层基本被冲刷干净, 主要是由于1号、3号溢流表孔出口采用等宽连续跌坎, 出口宽度为15 m, 进入消力池水体前没有进行扩散, 最大单宽流量为253 m3/s.m, 表孔出口流速约42 m/s, 单宽流量较大, 因此, 在水体中的速度衰减较慢, 从而冲刷坑较深, 需优化。各重点工况下水流冲沙的情况见表3, 由于冲刷较严重, 基本都冲到基岩。

4 优化方案试验成果分析

4.1 两侧放空底孔的优化

随着高坝建设发展的需要, 以及对消能机理认识的逐步深入, 不断创造出许多新型的消能形式并被应用于工程实践[4,5]。原体型两侧放空底孔出口采用窄缝挑坎, 水舌落点位置不佳。通过研究, 最终提出外侧边墙顺直, 内侧边墙圆弧扩散, 底板外侧出口高程适当高于内侧的圆柱面斜切挑坎, 具体参数见图4。这样可将放空底孔水舌横向充分均匀扩散并落入消力池中部, 水舌既不在空中碰撞, 落点也与消力池边墙具有一定距离, 比原方案增大7 m, 使得放空底孔水舌入水形态和落点范围得到优化, 消力池内水流流态得到明显改善, 水流归槽较为顺利[6]。各泄水建筑物水舌落水区域分布示意见图3 (b) 。

4.2 1号、3号溢流表孔的优化

原体形1号3号溢流表孔采用连续等宽式挑坎, 单宽流量比较大, 通过试验看出对下游的冲刷比较严重, 需优化。对1号3号溢流表孔的体型确定进行了多个方案的试验, 如出口高度提高1、2、3、4 m等4种, 还有把出口形式由等宽变为圆弧扩宽, 圆弧半径有220、300、400 m等3种, 组合达12种方案。这些方案中如果高程不够高和出口宽度不够大, 还是会对消力池有很大的冲刷, 没有达到预期的目的;如果高度过高的话, 消力池的流态不够稳定, 会加大对下游河道的冲刷, 特别是下游河道有一个转弯, 对转弯处的右岸冲刷尤其严重。最后选定出口高度提高2 m, 俯角由原来的25°升为22°, 出口形式为圆弧扩宽, 圆弧半径为400 m, 出口宽度增加到24 m的推荐方案, 能达到理想的效果。推荐方案1号3号溢流表孔剖视图见图5, 推荐方案大坝平面布置见图2 (b) 。

4.3 推荐方案冲沙试验结果分析

高坝水电站的泄水消能问题直接关系到大坝的安全, 关系到对下游河道影响的大小, 泄水建筑物布置的优劣其中很重要的一点可以通过冲沙结果看出。推荐方案各重点工况下水流冲沙的情况见表4。

通过试验可以看出推荐方案在各工况下, 冲坑的最低高程没有低至基岩顶1 435 m, 在冲淤平衡后覆盖层没有出现冲刷干净的情况, 下泄水流不会对下游造成严重的冲刷, 临底流速在合理的范围, 通过泥沙的颗粒粒径与级配反算出推荐方案下消力池内的临底流速不大于9 m/s[7], 在1号3号溢流表孔参与泄水时也不会对基岩造成冲刷, 通过这一系列的试验可以看出推荐方案的效果是非常良好的。

4.4 其他水力要素试验结果分析

推荐方案的冲沙试验结果良好, 同时也要分析其他主要的水力要素是否满足工程要求, 推荐方案各重点工况的岸边流速见表5, 各重点工况的水面波动见表6。

从试验结果可以看出推荐方案的岸边最大流速为8.71 m/s, 发生在右岸, 桩号0+500位置处, 流速不是很大, 岸边波动最大值为2.85 m, 此波动值比较小, 工程可进行适当防护, 不会对岸边造成大的冲刷, 能满足工程的要求。

5 结 语

通过此高坝水电站泄水建筑物体形优化试验研究, 得到推荐方案体形, 推荐方案使水舌与消力池边墙距离增大, 入水形态和落点范围得到优化;溢流表孔出口单宽流量减小, 对消力池的冲刷作用减弱, 有利于减小冲坑深度, 能很好地适应在狭窄河谷下修建高坝水电站的要求, 此体型能得到很好的应用。

参考文献

[1]SL155-95, 水工 (常规) 模型试验规程[S].

[2]DL/T5207-2005, 水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范[S].

[3]李忠, 任成瑶, 张建民.一种新型组合式消能工的试验研究[J].人民长江, 2009, (11) :82-84.

[4]潘家铮, 何璟.中国大坝50年[M].北京:中国水利水电出版社, 2000.

[5]高季章.我国高水头大流量泄水建筑物采用新型消能工的运行实践[J].中国水利水电科学研究院学报, 1998.

[6]张建民, 杨永全, 许唯临, 等.宽浅式溢洪道急流控制及下游冲刷试验研究[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2004, (3) :17-20.

河道泄水闸下泄水流噪声特性分析 篇4

随着城市的扩张与建设,城市环境问题越来越受到重视,除了我们关注的空气污染、水污染,噪声污染也开始引起人们的注意,城市噪声源包括交通噪声、工业噪声、生活噪声等三大类,而日益严重水噪声污染并未得到应有的关注,许多城市都依河而建,为了增加城市水面面积,常在河道上修建泄水闸、橡胶坝和翻板闸门等壅水和过水建筑物,而在水流在经过这些过水建筑物下泄时会产生很大的噪声,这些噪声可以归为两大类:一类为高速水流下的空化噪声;另一类为低速水流下的流动噪声。但对下泄水流噪声的研究仍存在很多问题,目前的研究多以模型试验为主[1],针对实际工程的研究相对较少,理论上多以流体动力噪声的方法去解决水流空泡溃灭及空化噪声问题。本试验则针对城市河道上实际泄水建筑物下泄水流产生的噪声进行监测,探讨流量、周边设施及环境等因素与噪声大小的关系,为降低城市河道中的泄水建筑物产生的噪声提供理论依据。

1 设施与方法

1.1 测试河段概况及仪器

满堂河(又名“牤牛河”)位于沈阳市沈河区以东,此河发源于沈阳城东北水田山,经辉山、满堂、上水泉、后陵堡,从福陵后身绕个大弯儿,至马官桥横穿大御路后南流汇入浑河。全长约16.7 km。测试区位于沈阳农业大学植物园内。滚水坝位于马关桥上游300 m处,河道左侧多以松树和白桦树为主;右侧20 m处为公路,在路与河道之间为五排杨树。河道流量相对稳定。

主要测试仪器为:温度计,湿度计,风速计,智能旋桨流速仪,AWA6270A噪声频谱分析仪等。

1.2 方 法

1.2.1 噪声测点布置

噪声测点布置在坝中轴线上实际水面以上,布置4个点,分别为A1、A2、A3和A4,距离水面分别为50、 100、200和300 cm。在坝左侧壁顶布置一个测量断面,以侧壁顶点为起点向外延伸1 500 cm,每500cm布置一个测点,分别为B1、B2、B3和B4。在坝上游中轴线上实际水面以上布置一排测点,测点间隔200 cm,共4个测点分别为D1、D2、D3和D4。在坝下游中轴线上实际水面以上布置一排测点,测点间隔200 cm,共4个测点C1、C2、C3和C4。在左岸防护林左侧和防护林左侧分别布置一个测点E1和E2。

噪声测点布置分别见图1和图2。

1.2.2 试验方案

根据《城市区域环境噪声测量方法》(GB/T14623-1993)中的监测方法进行监测[3],利用声级计在无雪和无雨的天气条件下进行,且风速控制在5.5 m/s以下进行,测量泄水坝在通常过流条件下的7-8月份的噪声随流量和温度的变化。

制定60 d测量计划,每2天测试1次,每天上午(8:00～9:00)进行22个点44组噪声测量;同时测量泄水闸下泄水流流速、温度和岸上风速,选定8月5、10、15、20和25日对侧壁上测点B1、B2、B3、B4进行昼夜测量,白天选在工作时间段(8:00～10:00),夜晚选在睡眠时间段(21:30～23:30)。都采用短时间取样的方法来测量。每次测量前后对噪声测量仪器进行校准,取校准值不大于2dB的测量值。

2 试验结果与分析

2.1 噪声值修正

根据《中华人民共和国环境保护行业标准HJ / T90-2004 声屏障声学设计和测量规范》规定,测量噪声时间选为2 min ,测量取平均值。试验噪声值起伏范围小于10 dB,称为稳态噪声[6]。测试的背景声音为50.5 dB,噪声测量数据中最小值为63.6 dB,差值为13.1 dB,大于9 dB, 根据规定修正值[4]为0 dB。

2.2 试验结果

试验在实际工作环境下进行,选择背景噪声变化较小的上午8～10时这一时段进行不定时测试,同时增加测量的次数然后通过数据比较, 取差值最小的一组平均数据作为结果[4]。夜间选取21～23时这一时段测量。本次试验用AWA6270A噪声频谱分析仪可直接测量等效连续A声级的噪声值,同时可以测量频率为31.5,63,125,250,500,1 000,2 000,4 000,8 000 Hz共9个频段的噪声值分布。因为试验河道常年水流较慢,水流经过泄水闸的流量随时间变化不大,利用便携式流速仪测量中轴线附近的流速,根据流速仪法求出流量[7]。下面选取有代表性的值进行结果分析。

2.3 噪声测量数据分析

噪声分析是一种基本的测量数据分析,包括噪声值,频谱等,同时能获得噪声与其他变量的关系[5]。可以清楚地反映出噪声的频率成分和影响因素。

2.3.1 垂直和水平断面上噪声值的变化

根据噪声的数据,选取泄水坝在同条件下垂直A断面上点的噪声值为例说明。见图4,测点A1的值较其他测点的值都大,说明靠近泄水坝下泄水流处的噪声值最大,随着距离水面的高度增加噪声值不断减小,且在A断面上的频率在63 Hz和1 000 Hz时的噪声值最大,从A1到A2点最大噪声值减少了4.1%,从A2到A3点最大噪声值减少了3.6%,从A3到A4点最大噪声值减少了3.3%,随着距离噪声源的高度增加最大噪声值衰减的程度减弱。选取泄水坝在同条件下岸上的水平F断面的噪声值为例说明。如图5,测点F1的值较其他测点的噪声值都大,说明在靠近泄水闸处噪声值最大,且随着远离泄水闸距离的增加噪声值逐渐减少,同垂直方向噪声值相似,随着水平距离的增加最大噪声值衰减程度减弱。

2.3.2 不同流量下同一测点噪声的变化

由于上游降雨量的影响,选取流量变化较大的7月10、21、23日的噪声值进行分析,见表1和图6。测点C1的噪声变化规律也不相同,在3个不同流量[3]下,噪声值大小随流量的增大而增大,从最大流量4.3 L/s到流量3.5 L/s噪声最大值减少了2.4%,从流量3.5 L/s到流量2.4 L/s噪声最大值减少了4.3%,说明随着下泄水流流量减少的幅度增大噪声值减小的幅度也在随之增大。

2.3.3 同条件下昼夜间噪声值

同一天选取岸上B1测点比较分析,由于噪声在夜间要比昼间更影响生产生活,根据测量规范[4]故将夜间的等效噪声值加上2 dB,图7可知,夜间噪声相对较大,并且夜间其他噪声影响的减少而突出下泄水流噪声的影响。

2.3.4 同条件下防护林两侧噪声值

选取7月24日岸上防护林(郁闭度[8]约为0.8)两侧的E1和E2测点的噪声比较分析,如图8,靠近河道一侧噪声值较大,另一侧噪声值较小,噪声值在各个频段的都趋于平稳,在防护林的郁闭度为0.8时最大噪声值减少了13.3%,所以河道绿化防护林对噪声产生一定的衰减作用,对于减轻河道上下泄水流产生的环境噪声污染具有重要的意义。

3 结 论

实际河道中泄水闸下泄水流在相同流量条件下,噪声声级最大值出现在测点A1处,即在泄水闸下泄水流入水处附近噪声值相对较大。随着距离的增加,噪声值不断减小。在相同条件下,噪声受流量大小的影响较明显,噪声值随流量的增大而增大,流量最大时噪声值最大。昼夜之间噪声影响差别较大,夜间噪声对周围影响更大。防护林对降噪产生明显的影响,可以通过在河道两侧种植郁闭度值较高的植被来降低噪声对周围居民的影响。

摘要：随着城市河流治理,河道上泄水建筑物产生的水流噪声开始严重影响附近居民的生活,而噪声产生的机理和防治研究相对较少,以满堂河为对象,对下泄水流噪声进行监测,测量泄水闸下泄水流在不同的条件下噪声的变化。结果表明:相同测点的噪声随上游流量增大而增大;相同流量的噪声最大值出现在下泄水流入水处;相同条件不同断面上的频率在63.5Hz和1 000Hz的噪声值最大;昼夜岸上测点的平均噪声值相差不大,但夜间其他噪声影响的减少更突出水流噪声的影响;防护林降噪效果明显;可知噪声受上游流量和周围设施及环境影响较大。通过在河道附近增加林地可以减少噪声对附近居民的影响。

关键词：满堂河,泄水闸,下泄水流,噪声

参考文献

[1]郭维东,谢方芳,胡志华,等.溢流堰下泄水流噪声频谱分析[J].沈阳农业大学学报,2011,(2):235-238.

[2]李洪强,吴小萍.城市轨道交通噪声及其控制研究[J].噪声与振动控制,2007,27(5):78-82.

[3]郭维东.水力学[M].北京:中国水利水电出版社,2005:15-20.

[4]杨云,王庭佛.关于噪声测试中背景噪声修正方法的探讨[J].噪声与振动控制,2000,2(1):24-26.

[5]周新祥.噪声控制及应用实例[M].北京:海洋出版社,1999:89.

[6]徐尚仁.水动力噪声测试中的误差及其减小方法[J].舰船科学技术,1994,(1).

[7]周心一,吴有生.流体动力性噪声的相似关系研究[J].声学学报,2002,(4):373-378.

泄水系统 篇5

1123工作面2号泄水巷贯通是我矿贯通距离比较长的一次相向贯通。该巷道贯通后, 担负着1123综采工作面的泄水任务。导线全长为4628.6米, 根据《规程》规定, 结合实际工作需要, 规定贯通相遇点K在水平重要方向上的允许偏差为±0.3m, 在高程上的允许偏差为±0.2m。

2 测量方法和仪器

2.1 测量线路的选择

1123工作面泄水巷正掘和反掘导线均由11采区2煤回风巷7″控制导线点H7、H8′导入, 导入级为15″控制导线。1123工作面2号泄水巷正掘导线经11采区2煤回风巷、1122工作面辅运巷、1123工作面1号泄水巷、21采区回风巷测至正掘停掘头;1123工作面2号泄水巷反掘导线经11采区2煤回风巷、1124回风巷测至1123工作面2号泄水巷反掘开口点。控制导线每150米至少施测一次, 测至施工迎头根据施测结果及时调整巷道方向, 使其与设计方位一致。

2.2 测量仪器和方法

1) 仪器使用2″级的拓普康3000N全站仪, 在使用前进行了各项校正, 微棱镜2个, 大锤球3个, 7.5米长的钢卷尺三把。

2) 测角方法采用测回法, 当边长大于30米时, 采用一次对中两个测回, 当边长小于30米时, 则采用两次对中两个测回。水平角半测回互差不得大于20″, 两测回间的互差不得大于12″。在通视良好的前提下, 尽可能布设长边进行施测。

3) 高程测量:在水平巷和斜巷中均采用三角高程测量, 倾角的指标差不得大于15″。且每站丈量前、后视棱镜高和仪器高时, 在观测前和后各进行一次, 两次丈量的误差不得大于3mm。

4) 外业测量使用两台不同的仪器, 独立进行两次, 内业计算分两组计算、复核, 取两次平均值。

3 贯通测量误差预计

3.1 误差预计所需的参数

根据我矿已有的测量资料并参照《煤矿测量规程》, 计算后确定相关参数如下:

测角中误差:Mβ=±4″;

全站仪量边误差:± (3mm+2ppm×L) , L取公里;

根据以上参数, 并配合1:2000的贯通误差预计图 (见附图) , 进行相向贯通误差预计。

3.2 贯通相遇点K在水平重要方向x′上的误差预计

1) 在误差预计图上绘制出贯通相遇点K, 过K点做垂直于贯通巷道中线的垂线X′轴和巷道方向上的Y′轴, 然后将一级导线上的测点分别向X′轴做垂线并用图解法求得RY′。

2) 在导线测量过程中由测角误差引起的横向偏差:

3) 在导线测量过程中由导线量边引起的横向偏差:

共计测设33条导线边, 导线边全长4628.6米。

4) K点在x′方向上的预计中误差为:

两次独立观测取平均值, 故其贯通误差:

5) K点在水平重要方向上的预计误差为: (中误差2倍为最终的预计误差)

通过上述初步误差预计可以产生在水平重要方向上的预计误差小于贯通的允许偏差, 故水平重要方向上的预计误差能够满足生产限差要求。

3.3 贯通相遇点K在高程上的误差预计

由于设计巷道贯通为单一煤层间贯通, 直接沿导向层贯通, 故不作高程上的误差预计。

4 贯通方案的最终确定

英布鲁水电站枢纽泄水建筑物设计 篇6

1.1 径流与洪水特征

英布鲁水电站枢纽位于刚果共和国境内刚果河支流莱菲尼河下游, 距刚果河汇合口14 km。流域植被茂密, 泥沙极少;河道径流来源于降雨, 坝址的多年平均流量为484 m3/s;洪水流量年内较为均匀, 洪水变幅不大, 1 000年一遇洪峰流量为962 m3/s, 10 000年一遇的洪峰流量为1 070 m3/s。

1.2 工程地质条件

泄水坝段位于原河道右岸滩地上, 距主河槽约150 m。坝基地层为巨厚的陆相沉积物, 自下而上分别为白垩系 (K) 、第三系 (E、N) 和第四系 (Q) 地层。白垩系地层由中厚层 (第2层K2i-2) 、薄层胶结不良的软弱砂岩 (第1、3层K2i-l/ K2i-3) 组成, 成岩作用差, 岩石孔隙发育, 透水性强;第三系及第四系松散堆积物以砂壤土为主。工程区域地震烈度小于6度。

第1、3层薄层软弱砂岩 (K2i-l/K2i-3) 胶结差, 力学强度低, 因此坝基坐落于中厚层软弱砂岩顶部。

1.3 泄水建筑物运用要求

(1) 在正常运行条件下的任何泄洪工况, 均假定只有1台机组运行参加泄洪, 其余洪水应全部由泄水建筑物宣泄。

(2) 根据施工导流方案, 在土坝施工时, 泄水建筑物作为二期导流建筑物, 应满足导流要求, 宣泄施工期20年一遇洪水, 洪峰流量为750 m3/s。

(3) 库区大部分为森林覆盖, 根据库区清理的要求, 只对库区的部分森林进行砍伐;砍伐后残留的树枝树干, 在蓄水后由泄水闸表孔排走。

(4) 莱菲尼河虽为清水河, 但建库后仍可能有少量泥沙淤积在厂房前, 应有可靠的泄水底孔排泄淤积物。

(5) 考虑到战争因素, 水库有放空要求。泄水建筑物应满足水库放空要求, 以便必要时对挡水建筑物进行检修。

2 泄水建筑物设计标准

根据2001年中方与刚方签订合同的《技术报告》规定, 英布鲁水电枢纽工程水库总库容为10×108 m3, 电站装机容量为120 MW, 按照中华人民共和国水利部SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中的有关规定, 确定工程等别为一等, 大 (Ⅰ) 型规模。永久性主要建筑物按1级建筑物设计, 次要建筑物按3级建筑物设计。

初设阶段进行了库区地形测量, 按照实测的1∶10 000地形图进行核定, 水库实际库容仅为5.84×108 m3。考虑到库容的减少并不降低该工程的作用和调节性能, 因此, 本阶段未按中国规范的规定——按照库容的减少降低枢纽等别及主要建筑物的级别和洪水标准。

综上所述, 泄水建筑物为1级建筑物, 设计洪水标准为1 000年一遇, 相应洪峰流量为962 m3/s;校核洪水标准为10 000年一遇 (考虑扩大20%) , 相应洪峰流量为1 280 m3/s。

3 泄水建筑物的布置与设计

3.1 泄水建筑物布置

泄水建筑物采用水闸形式, 泄水闸左邻土坝, 右接河床电站。由铺盖、闸室、消力池、海漫、防冲槽等部分组成, 总长201.39 m。泄水闸左侧上、下游以半重力式翼墙与土坝连接, 右侧为电站厂房, 闸室右侧下游以导墙与厂房尾水渠隔开。

泄水闸高32.5 m, 闸室段上、下游方向长35.5 m, 沿坝轴线方向顶宽37 m, 底宽47.5 m。泄水闸分为2个U形闸室, 左闸室由左底孔和边墙组成, 顶宽12 m, 底宽25.5 m, 设1个7 m×7 m (宽×高) 的底孔。右闸室由表孔和右底孔组成, 闸室宽为25 m, 布置1个表孔和1个底孔, 表孔孔口宽10 m, 底孔孔口尺寸为7 m×7 m (宽×高) 。左右2个泄水闸坝段之间缝墩宽分别为2.5 m和2.0 m。泄水闸与土坝之间采用插入式连接, 在坝轴线上游3 m处沿翼墙背坡设置1道混凝土刺墙, 以延长接触渗径。刺墙沿坝轴线方向长5.5 m, 顶宽1.5 m, 左侧坡度为1∶0.27。

3.2 泄水建筑物体形设计

3.2.1 底孔体形设计

底孔采用胸墙挡水, 孔口尺寸为7 m×7 m, 进口底板高程为284.00 m。在坝轴线上游3.5 m、高程291.00 m以上为厚2.5 m的胸墙, 其底缘为曲线型, 线型曲线为 (x-17.5) 2/17.52+y2/3.52=1, 曲线后接1∶3.005斜线。胸墙前设7 m×9.505 m (宽×高) 的事故检修闸门, 胸墙后为7 m×7 m的弧形工作闸门, 闸室下游设7 m×8.7 m (宽×高) 的检修闸门。

3.2.2 表孔体形设计

表孔为WES实用堰, 孔口宽10 m, 堰顶高程为301.70 m。溢流堰前沿与闸墩前沿齐平, 堰面沿水流方向由进口圆弧段、堰顶水平段、堰面曲线段、1∶0.7斜坡连接段、半径为13 m的圆弧反弧段和1∶4的斜坡段组成。堰顶设10 m×7.3 m的平板检修闸门和10 m×7.45 m的弧形工作闸门, 闸室下游设10 m×8.7 m (宽×高) 的检修闸门。为便于施工后期导流底孔封堵及运行期间的检修, 表孔与底孔下游均设置检修门槽, 在必要时利用检修门对闸室进行检修。

底孔和表孔上游均设事故检修门槽, 检修门由坝顶2×630 kN的双向门机启闭。底孔工作弧门采用固定卷扬启闭机启闭, 其操作平台高程为306.80 m, 表孔工作弧门采用液压启闭机启闭, 其油泵房布置在缝墩上, 高程为309.50 m。油泵房设有楼梯与下游检修门高程308.50 m的操作平台相通。底孔及表孔下游检修闸门由设在高程308.50 m, 容量为2×250 kN的台车启闭机操作, 在操作平台设有台车停放间, 并在高程296.50 m设置检修平台。

3.2.3 泄水建筑物细部设计

3.2.3.1 清污排漂设计

本工程库区两岸植被茂密, 水库蓄水后, 将有树枝和树干等污物漂至坝前。为保护电站进水口, 在进水口设主、副拦污栅2道。当来污量较少时, 利用坝顶清污机清污, 污物由清污抓斗装入设置于坝顶的清污小车, 沿轨道送至泄水闸上游, 通过表孔排至枢纽下游。为配合电站的清污运行, 考虑经常性的水库表面排漂的需要和节约水能, 在弧形工作闸门上部设置舌瓣门, 在电站清污时只开启舌瓣门即可。

3.2.3.2 泄水建筑物防空蚀设计

英布鲁泄水建筑物底孔闸前静水头为24.5 m, 表孔溢流堰顶与下游检修闸门处高差达17.98 m, 底孔胸墙下缘、表孔溢流堰顶部和下游检修门槽下游侧属高速水流区, 须进行防空蚀设计。

经计算, 底孔段, 闸前胸墙内埋设2根Φ250 mm钢管以掺气减蚀。

表孔溢流堰顶部水流空化数小于初生空化数, 不会产生空蚀。

底孔及表孔下游检修门槽, 在门槽宽深比满足规范要求的前提下, 二期混凝土下游临水侧埋设工字钢, 以策安全。

3.3 消能防冲建筑物设计

根据消能防冲计算结果, 消力池段长72 m, 净宽24 m, 由1∶4的斜坡段、平底段组成, 平底段末段设端槛。

消力池斜坡段长16 m, 起点高程283.00 m, 与闸室出口1∶4斜坡衔接。为改善出闸后下游水流流态, 在表孔与底孔出口之间设中导墙, 下延至消力池斜坡段末端。

消力池平底段长54 m, 池底高程279.00 m, 共分3段, 底板厚度分别为2.5, 1.7, 1.2 m。端槛宽2 m, 高2 m, 与平底段底板连在一起。

消力池下游设厚为0.5 m的钢筋混凝土海漫, 以削减泄水的余能。海漫长38 m, 平面呈扩散形, 底宽由29 m渐变至32.8 m。海漫右侧为纵向导墙, 与电站尾水渠隔开。

为保护基础软砂岩, 于海漫末端设深4 m、底宽5 m的防冲槽;其底高程为277.00 m, 并以1∶1.5坡度与底高程为286.00 m的下游尾水渠相接。防冲槽内抛填块石以保护基础, 防止水流溯源冲刷, 危及海漫安全。防冲槽左侧与下游纵向围堰连接, 其边坡为1∶2.5, 并采用钢筋混凝土护砌。

3.4 泄水闸防渗排水设计及修改

泄水闸闸基为白垩系软砂岩, 岩体透水性强。闸室底板以上设计水头为24.5 m, 闸室长度35.5 m, 考虑延长闸室渗径和渗透稳定的要求, 闸室上游设厚0.5 m的钢筋混凝土铺盖, 铺盖顶高程为284.00 m, 上、下游方向长41.89 m, 其两侧分别同上游翼墙及电站铺盖相接, 在接头处及浇筑块之间均设1道橡胶止水带及1道铜止水片。

为降低扬压力, 确保闸室抗滑及消力池抗浮稳定, 初设和招标设计阶段, 消力池基础排水采用排水褥垫与排水管相结合, 在消力池底板下设两层反滤层, 粒径分别为0.15～5 mm及5～40 mm, 厚度均为40 cm。沿整个消力池底板设孔径为10 cm的排水孔, 纵、横向间距均为1.5 m。

施工图设计阶段, 咨询公司指出消力池底设置排水孔, 高速水流下泄时排水孔部位混凝土存在空蚀问题, 建议改为U形排水管, 消力池底排水褥垫内埋设部分为打孔花管, 在两侧翼墙 (导墙) 287.62 m高程设出水口, 间距2.5 m, 共24排。

施工过程中, 发现U形排水管管路堵塞, 无法排水;为保证闸室抗滑和消力池抗浮稳定, 按初步设计方案, 在消力池底板上补打排水孔, 修复基础排水功能。

4 泄水建筑物水力设计与模型试验

根据泄水建筑物布置形式, 分别对底孔和表孔进行水力计算, 主要计算内容包括:泄流能力计算和消能防冲计算。

4.1 泄水建筑物的泄流能力计算及泄洪安全性评价

泄水闸底孔泄流为带胸墙的平底闸孔出流, 表孔采用WES实用堰。分别采用对应的水力学公式进行泄流能力计算。

为了验证泄水建筑物的过水能力、水流流态和消力池的消能效果, 进行了表底孔断面模型试验和水力学整体模型试验。

在正常蓄水位308.50 m时, 相应不同开度, 表、底孔泄流能力计算值和水力学试验成果对照见表1、2。

由表1、2可见, 计算值与试验值两者基本接近。

应刚果方业主和咨询公司的要求, 本工程进行了枢纽泄洪能力及泄洪安全性评价。

根据泄水闸过流能力计算和水工模型试验成果, 在正常蓄水位308.50 m时, 表孔泄量为330 m3/s, 底孔泄量为1 560 m3/s, 总泄量达到1 890 m3/s, 满足枢纽的泄流能力需要 (校核洪水流量加大20%时为1 280 m3/s, 设计洪水流量为962 m3/s) 。由于泄流底孔的泄流能力受施工导流控制, 需要与另一个施工临时导流底孔共同承担导流任务, 所以, 泄水闸的泄流能力有较大的余量。

根据水电工程的一般要求, 泄水建筑物在每年汛期来临前, 都应对表孔和底孔进行检修和试运行, 以保证泄水闸在汛期能正常运用, 因此, 在正常情况下, 泄水闸泄洪运行是可靠的。当遇到泄水建筑物在运行期出现故障, 假定1个表孔或1个底孔不能正常运用时, 枢纽过流建筑物的过流安全性评价如下:

(1) 若表孔出现问题, 采用2个底孔进行泄洪, 最大泄流能力可达1 560 m3/s, 完全可以满足枢纽的泄洪要求。

(2) 若1个底孔出现问题, 表孔闸门全开泄洪时, 最大泄流能力为330 m3/s, 再考虑开启另外1个底孔, 底孔最大泄流能力为780 m3/s, 表孔和1个底孔的泄流总量为1 110 m3/s, 满足10 000年一遇洪峰流量1 070 m3/s的泄洪需要。

(3) 若1个底孔出现问题, 水库发生超标洪水, 即10 000年一遇洪水加大20%, 洪峰流量达到1 280 m3/s时, 这虽然是一种极偶然的情况, 但在这种情况下只要开启1台机组发电, 就可满足枢纽保坝泄洪的需要。

综上所述, 本工程即使在1孔主要泄水孔出现故障, 又遇超标洪水的极端不利情况, 枢纽的其它过流建筑物的过流能力仍能保证洪水顺利下泄, 因此, 枢纽的泄水孔口和泄流能力的确定是合理的, 可以保证枢纽安全泄洪。

4.2 泄水建筑物放空计算

本工程水库有放空要求, 因此泄水建筑物应具备降低库水位的能力, 以便必要时对挡水建筑物进行检修。放空后的坝前库水位由泄水建筑物的泄流能力与来水流量确定。

水库需要放空时, 开启表孔和底孔同时泄水, 不考虑电站运行。在库水位较高时, 表孔为敞泄, 底孔为孔口出流, 从泄流计算结果可知, 此时表孔和底孔的总泄量远远大于多年平均来水流量484 m3/s, 水库水位迅速下降;当水位低于表孔堰顶高程时, 表孔退出工作, 仅由2孔底孔进行放空运行;当库水位下降至底孔顶缘时, 底孔泄流为淹没宽顶堰流, 只要底孔泄量大于水库来水量, 库水位仍可继续下降, 直至来水量与泄水能力达到平衡为止。

经计算, 当考虑上游来水流量为多年平均流量484 m3/s时, 水库最低降水水位为293.50 m。

4.3 消能防冲计算

4.3.1 计算工况及结果

根据泄水闸的布置和运用要求, 本工程消能防冲计算考虑以下4种工况。从偏于安全考虑, 假设泄洪过程中只有1台机组参与泄洪, 各种计算工况条件见表3。

采用规范规定的消能防冲计算公式, 对各工况进行消能计算。

由计算结果可知, 底孔消力池计算最大池深为6.51 m, 池长为59.06 m;表孔消力池计算最大池深为3.02 m, 池长为45.69 m。

4.3.2 水工模型试验成果

从水工模型试验看, 由于泄水闸表孔和底孔共用一个消力池, 正常情况②由于表孔关闭, 两侧底孔出流向表孔扩散, 使表孔消力池水体也产生旋滚与底孔水跃掺混, 因此, 淹没度较大, 跃首进入闸室。泄流时有较大的水跃淹没度, 有利于减少下游侧墙前后及底板上下的水压差, 试验成果显示消力池底高程确定为279.00 m是合适的。

考虑到各种泄量下跃尾位置上、下摆动较大, 同时跃尾横断面上水深及流速分布亦不均匀, 从偏安全考虑, 消力池长度宜较计算值有所加大。从试验流速分布成果分析, 消力池末端流速分布为底大面小, 计算情况②、④最大底流速尚有8～9 m/s, 在海漫末端流速分布已趋均匀;因此, 设置40 m长海漫段消能是必要的, 综合设计计算和试验成果分析, 确定消力池深取7 m, (消力池底高程279.00 m) , 池长取70 m。

5 结 语

泄水系统 篇7

泄水建筑物的设计, 是一个系统性的工作, 需要对工程部位、相关参数计算等环节, 进行认真的分析与确认, 从而设计出更加科学合理的施工方案, 保证泄水建筑物建设质量, 实现后期的稳定运行。

2 泄水建筑物工程概述

2.1 概念

所谓泄水建筑物, 是为了宣泄水库、涝区、河道、渠道中, 超过了调蓄能力的洪水, 或者为泄放水库、渠道内所留存的水, 而设置的水工建筑物。泄水建筑物通常是与坝体相互结合在一起的, 其形式包括各种溢流坝、坝身泄水孔;也可以将其设置于坝体外, 例如各式岸边溢洪道、泄水隧洞等。

2.2 常见泄水建筑物类型

泄水建筑物的类型通常可分为以下几种:①由水库放水溢洪道、泄水闸、泄水隧洞、泄水底孔以及泄水涵管组成;②由涝区排水排水闸、排水泵站组成;③由河道分泄洪水分洪闸与溢洪堤组成;④由渠道排泄洪水或多余水量泄水闸、退水闸组成;⑤拦河所修建的溢流坝与拦河闸。

2.3 泄水建筑物设计原则

(1) 应当尽可能保证泄水建筑物的超泄能力, 及其运用的灵活性。

(2) 在满足安全泄洪的同时, 考虑到大坝与电站的安全、检修、放空、排污以及清淤保库等综合性使用要求, 实现“表”、“深”结合的布置模式。

(3) 尽量使导流建筑物与深孔泄洪洞紧密结合, 降低工程投资。

(4) 确定深孔泄洪洞型式、进出口高程、孔口尺寸后, 校核洪水标准, 从而确定“表”、“深”孔各自所承担的泄量。

(5) 泄水建筑物设计必须充分考虑地形地质条件、水力条件、枢纽总布置及施工等因素, 尽可能缩短线路, 确保进出口边坡的稳定。

(6) 如果工程水头较高, 流速较大, 泄水建筑物的明流段应当设计为直线, 进出流的方向则需要顺应河势。

(7) 因下游消能区河道狭窄, 可选择合适的泄水建筑物实现消能, 以减小单位面积的冲刷能量, 以防出流对河床两岸的淘刷或顶冲。

3 泄水建筑物工程设计要点实例分析

3.1 工程概况

辛女溪水库位于辛女溪白沙镇红岩村, 坝址距泸溪县白沙新城约13km。坝址以上控制流域面积24.3km2, 水库正常蓄水位196.6m, 相应水库库容424万m3。工程等级为Ⅳ等小型工程, 主要建筑物为混凝土挡水坝、溢流坝和灌溉用坝式进水口, 按4级建筑物设计, 合理使用年限为50年, 设计洪水标准为30年一遇, 设计洪峰流量为200m3/s, 相应下泄流量179m3s, 校核洪水标准为300年一遇, 校核洪峰流量为322m3/s, 相应下泄流量290m3/s;消能防冲设计洪水标准为20年一遇, 洪峰流量为179m3/s, 相应下泄流量157m3/s。

3.2 工程环境概述

3.2.1 流域概况

辛女溪为沅水的一级支级, 发源于我省泸溪县境内的鸡屎咀, 流经泸溪县庄屋岭、岩头洞、山脚下、下马寨, 于汀流桥汇入沅水, 流域面积34.1km2, 河长16.8km, 河流坡降15.0‰, 整个流域地势西高东低、东西长而南北窄, 海拔高程为110~600m。属典型的山区峡谷型河流, 河谷基本对称, 河流纵坡大, 水流湍急, 两岸冲沟发育, 谷坡陡峻。

3.2.2 气象

辛女溪流域属于亚热带季风气候, 暖热多雨, 冬冷夏热, 四季分明。夏季降雨充沛, 气候温暖湿润, 冬季降雨较少, 气候寒冷干燥, 同时还具有年内、年际变化较大, 类型多样, 光热总量偏少等气候特征。

3.2.3 洪水成因及特性

辛女溪流域洪水由暴雨形成, 洪水变化特点与暴雨相应。具有明显的山区河流洪水特性:洪水历时短, 峰型单瘦, 暴涨暴落。

3.3 泄水建筑物工程设计注意事项

3.3.1 设计

①陡坡布置。一般情况下, 在进行陡坡设计时, 为保证其高流速水流平稳通过, 应尽可能采取对称扩散或自线等底宽的布置方式。②进口处未设置连接段。进口处连接渐变段的主要作用在于给进口泄流创造良好条件。③出口处消能设计。出口消能设计多采用将出口槽向下伸延至河道正常水深处, 以形成底流式消能。这种消能布置, 出口水流波动不平顺, 两侧出现大量漩涡, 消能效果极为不理想, 两侧边墙和挡浪墙基础因受淘刷而架空。

3.3.2 工程地质

现建的山塘多位于山区, 其地质条件不佳, 山陡坡峻, 岩石风化严重, 部分山塘建于滑坡体附近, 极易因泄洪或暴雨而引起滑坡和塌方, 堵塞槽口, 发生险情。

3.3.3 管理问题

(1) 修缮。泄水建筑物的冲刷破坏是个渐进的过程, 在病害初期如及时采取修缮措施, 可以避免多数较大的破坏。

(2) 使用规范。有些村民在使用中, 为抬高泄流或塘坝水位, 私自于泄水槽内加设堰体, 致使水力条件前后迥异, 加速了水流对衬护层的冲刷破坏。

3.4 泄水建筑物工程布置及设计要点

泄水建筑物由WES溢流堰、闸墩组成, 溢流坝段布置在河床部分, 全长38m, 用重力坝与两岸相连接。堰顶高程196.60m, 采用开敞式溢流表孔, 共3孔, 孔口宽10m。堰面为C25抗冲耐磨混凝土, 溢流坝横缝布置在7#坝段和8#坝段之间, 缝间上游面设两道止水。边闸墩厚2m, 中闸墩厚2.0m, 闸墩长5.5m, 最大高程为201.0m。

3.4.1 溢流堰断面设计

经对常规坝型的比较, 高洪水位下“WES”实用堰泄洪能力较强, 对枢纽布置有利, 工程投资相对较省。故本次设计, 堰面型式选定为“WES”实用堰。坝轴线以下堰面曲线采用方程式如下:

式中:Hs-定型设计水头, 取Hs=2.5mk;k-系数, 取k=1.852;n-系数, 取n=1.78。

得出溢流堰堰面方程为:

上游堰面采用1:1斜线和单圆弧相连接, 圆弧半径为1.125m, 下游堰面曲线为幂曲线, 其方程式为Y=0.26422x1.78, 堰面曲线的下游接台阶, 台阶末端接消力池, 本工程采用台阶式底流消能, 经计算分析确定的尺寸为:每个台阶宽0.75m, 高1.0m, 末端接反弧与消力池相接, 反弧半径9.72m, 消力池长32m。

3.4.2 溢流坝内廊道

溢流坝内廊道布置在溢流坝上游面应力较小的部位, 应满足:帷幕灌浆、工程观测、交通巡视等要求, 基础廊道底高程为137.73m, 断面形状为城门洞型, 宽2.5m, 高3.5m, 圆半径为1.25m, 廊道中心线在坝轴线下游2m。

3.4.3 堰体排水

溢流坝在运行期间, 为了减少堰体内扬压力, 在堰体内设置一道排水幕, 排水幕采用排水孔, 内径20mm, 沿坝轴线方向间距2m, 下端接入基础灌浆廊道。

3.5 设计计算

3.5.1 溢流坝泄流能力计算

溢流坝堰型为开敞式曲线型实用堰, 按开敞式幂曲线实用堰的公式进行泄流能力计算, 计算公式如下:

式中:Q-泄流量 (m3/s) ;B-溢流堰总净宽 (m) , 取30m;b-单孔孔口净宽 (m) , 取10m;n-闸孔数目 (m) , 取3;c-上游堰坡影响系数, 见《混凝土重力坝设计规范》 (SL319-2005) ;m-流量系数;ε-侧收缩系数;σm-淹没系数, 取1;ξ0-中墩形状系数, 取0.45;ξk-边墩形状系数, 取0.7;H0-计入行近流速水头的堰上水头 (m) 。

3.5.2 消能设计

溢流坝消能是通过工程措施消除下泄水流的余能, 稳定下游水流流态, 使下游水流尽快恢复到天然状态, 以确保坝基和两岸岸坡不被冲刷破坏, 保护建筑物的安全。根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》 (SL252-2000) 规定, 消能防冲建筑物洪水标准按20年一遇洪水设计。

(1) 计算资料

本工程采用WES堰泄洪, 消能防冲按20年一遇设计。消能方式采用台阶式底流消能, 台阶步高1m, 步长0.75m, 接反弧半径9.72m。

(2) 计算公式

完全发展的跌流流态判别式为:

由跌流过渡到分离流的判别式为:

式中:dc-临界水深, m;q-单宽流量, m3/s;h-台阶步高, 取1.0m;l-台阶步长, 取0.75m。

按分离流进行水力学计算, 计算公式如下:

式中:q-单宽流量, m3/s;dc-临界水深, m;d0-均匀掺气水流的水深, (m) 。

跌坎消能计算结果见表1所示。

消力池消能计算采用以下公式:

式中:E0-以下游河床为基准面的上游总能头;hC-收缩断面水深 (m) ;q-过闸单宽流量 (m3/s/m) ;准-流速系数, 取0.95。

跃后水深计算公式:

式中:hC″-跃后水深 (m) ;α-动能修正系数。

水跃淹没系数计算公式:

式中:σ″-水跃淹没系数;hs′-下游河床水深 (m) ;d-消力池深度 (m) ;ΔZ-出池落差 (m) 。

自反弧末端起算的消力池长度:

式中:Lj-自由水跃长度 (m) ;β-水跃长度校正系数, 可采用0.7~0.8。

(3) 计算结果

以水跃淹没系数大于1.05为控制条件进行消力池设计, 经计算消力池深2.0m、池底高程142.0m, 池长32.0m。经计算, 溢洪道下游未端反弧段最大流速为9.49m/s, 小于20m/s, 不属于高速水流。

(4) 消力池结构设计

消力池池底高程142.0m, 池长32.0m, 底板厚度1.5m, 末端设尾坎, 尾坎顶部高程145.00m。消力池底板下设间排距3m的锚筋, 池后设20m长、1m厚的浆砌石护坦与河床面衔接。为减轻水流对右岸边坡的冲刷, 在消力池下游右岸398m范围内和左岸54m范围内的边坡坡脚采用浆砌石挡墙进行防护。浆砌石挡墙高4m, 顶部高程147~140m, 顶宽0.8m, 底宽1.3m, 内坡比1:0.5, 基础较河床最低处埋深1m。

4 结语

泄洪建筑物对于水利水电工程功能的发挥是至关重要的, 只有对实际的工程地形以及相关的数据进行系统分析, 才能够设计出最合理的方案。此外, 在泄洪建筑的设计过程中, 一定要仔细核定计算结果, 以减少错误, 提高建筑物设计的准确性。

参考文献

[1]周炼.台阶式泄水建筑物的消能分析[J].低碳世界, 2015 (21) :110~111.

[2]耿冰冰.泄水建筑物破坏及防治措施[J].黑龙江科学, 2014, 5 (4) :79.