大坝扇叶面流消能设计

大坝扇叶面流消能设计

张帅

（重庆交通大学重庆市400074）

摘要：今年来我国大流量消能设施在不断的完善，但在相应的消能效率方面还存在相应的欠缺。为了解决相应的问题，本文提出一种扇叶面流消能设计，通过对出水通道的改进，让其在上管道带动扇叶旋转，从而减小相应的能量，再流往下游管道，此时扇叶利用相反的转动方向从而削减下游管道中水的能量。通过上管道中水对扇叶传递能量，下管道中水对扇叶降能，最后达到对水的二次消能。

关键词：消能效率；扇叶；面流消能；二次消能

一、研究背景

我国天然河道中的水流一般多为缓流，但是在其中修建了大坝、闸等泄水建筑物后，流动条件就发生了相应的改变，通过大坝后的水流往往具有较大的能量和流速，其远远超出下游正常水流的速度和能量。直接下泄上游的水流会对下游河床造成明显的破坏。为了解决这一问题就必须在泄水建筑物或其下游采取相应的措施，将高能水流转化为安全水流，从而保证建筑物和下游河床的稳定。

二、常见消能方式

常见消能方式有三种[1]：面流衔接消能底流衔接消能挑流衔接消能

但在实际工程中可能不止一种消能方式，其可能是几种衔接消能方式的结合应用，比如消力戽就是面流衔接消能和底流衔接消能相结合。

（1）面流衔接消能

面流衔接消能主要是在建筑物的出流部分采用相应的坎，将泄出的水卷入下游水的表面，泄出的水与河床之间由底部旋转的水隔开，避免高能水流对河床的冲刷。由于高速水流处于表面故称为面流衔接消能。

（2）底流衔接消能

底流衔接消能是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使高能水流贴槽底射出，利用水跃原理，很好的控制水跃发生的位置，这样就让高速的水流转化为缓流，通过主流在水跃区的扩散、混掺达到消能的目的。这种方式高能水流位于底部，故称为底流衔接消能。

（3）挑流衔接消能

该消能主要是采取挑流鼻坎因势利导将水股挑射空中，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的冲刷坑不会危及水工建筑物的安全。

三、消能方式存在的问题

（1）底流消能：消力池是常见的底流消能方式，其工程量较大，国外典型工程有前苏联的萨扬舒申斯克、美国的得沃夏克，印度的特里等，国内早期的典型工程有富春江等。[2]但是在其运行过程中一些工程发生了地板破坏的问题。萨扬舒申斯克是因为动力水压而被破坏，得沃夏克因为空蚀和磨损被破坏。

（2）挑流消能：空中雾气大，尾水波动大，对下游河床冲刷较强。

（3）面流消能：水流衔接复杂多变，很难控制，下游水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍于航运及水轮机工作。

通过对以上三种消能方式的分析，本设计提出一种基于扇叶的面流消能设计。

四、设计原理

（1）设计思路：

针对面流消能的水流复杂，且容易对两岸造成冲刷，于是本设计通过在出水处增加管道，并且在管道加入扇叶。通过大坝上游泄出的水在上管道带动扇叶旋转，从而对其进行第一次消能，当水流到下管道时，水又对扇叶进行消能，于是达到二次消能，设计图如下。

（2）工作流程

通过大坝泄水口与新增的上下管道相连接，并且大坝内增添了螺旋扇叶（与上下管道连接）。

1、首先开启泄洪闸，将高能水导入上管道中。

2、开始高流速的水传递能量给扇叶，扇叶获得能量开始选装，此时高能量水获得一次消能。

3、当高流速水流入下管道时，此时水的流向和扇叶旋转方向相反，当经过扇叶时达到对扇叶降速，此时水经过二次消能。

4、经过二次消能时，水变成缓流，于是通过管道排入下游中，满足消能效果。

（3）工作原理

主要通过能量的传递，开始高能水流在上管道将能量传递给扇叶，达到一次消能。扇叶又对水进行反作用，通过刚刚保存的能量在下管道又反作用于水，达到二次消能。最后将高能水流转化为缓流，达到消能效果。

五、应用前景

该设计能够很好的解决上游水流速度过大的问题，通过新增的扇叶能够提升相应的消能效率。所以该设计有如下前景

1、减少了对下游两岸的冲刷

2、降低下游水面波动，减小水的横向流速，有利于航运安全

3、减少对下游河床的冲刷

参考文献

[1]吴持恭.水力学：下册[M].北京：高等教育出版社，2008。

[2]郭军，高季章：有关高水头大流量泄洪消能设施运行安全问题的思考，水利发电学报，2013,32（5）

作者简介

张帅（1996-10），男，汉族，籍贯：重庆市。