过水土石围堰水力特性试验研究.ppt

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过水土石围堰水力特性试验研究过水土石围堰水力特性试验研究热能与动力工程热能与动力工程李李帆帆04430610580443061058指导教师：

指导教师：

张建民张建民施工导流是水电工程建设中的重要环节之一。

过水围堰的导流施工导流是水电工程建设中的重要环节之一。

过水围堰的导流隧洞相结合的导流方式对于季节性变化悬殊的河流具有一定的适用隧洞相结合的导流方式对于季节性变化悬殊的河流具有一定的适用性。

随着水电事业的发展，过水围堰越来越多的被用到水利水电工性。

随着水电事业的发展，过水围堰越来越多的被用到水利水电工程中，由于土石围堰具有施工快，造价低等优点，因此过水土石围程中，由于土石围堰具有施工快，造价低等优点，因此过水土石围堰的安全性能也受到越来越多人的重视。

堰的安全性能也受到越来越多人的重视。

长潭河水利水电枢纽截流长潭河水利水电枢纽截流土石围堰多为不过水围堰，但我国已成功采用大单宽流量的过土石围堰多为不过水围堰，但我国已成功采用大单宽流量的过水土石围堰。

经适当保护的土石过水围堰，国内有成功通过单宽水土石围堰。

经适当保护的土石过水围堰，国内有成功通过单宽60m3/sm的经验。

过水期最不利流量一般不是最大流量，而是护的经验。

过水期最不利流量一般不是最大流量，而是护坡与下游水流衔接处最大流速水头所对应的流量。

过水围堰的下游坡与下游水流衔接处最大流速水头所对应的流量。

过水围堰的下游护坡及消能设施的设计应以最不利流量为依据。

护坡及消能设施的设计应以最不利流量为依据。

三峡二期上游围堰三峡二期上游围堰无论采取何种护坡型式，造成其失稳的主要原因都是由于受到水流无论采取何种护坡型式，造成其失稳的主要原因都是由于受到水流的拖曳力、脉动压力、浮生力等的左右，这些力都是随着过堰水流流速的拖曳力、脉动压力、浮生力等的左右，这些力都是随着过堰水流流速的增加而增大的，流速越大，这些力作用越大。

因此，围堰采用过流形的增加而增大的，流速越大，这些力作用越大。

因此，围堰采用过流形式时，围堰和坝体的消能防冲和防淘刷是此类工程中需要重点研究和慎式时，围堰和坝体的消能防冲和防淘刷是此类工程中需要重点研究和慎重设计的方面。

通常采用物理模型验证围堰和坝体的初步设计是否可以重设计的方面。

通常采用物理模型验证围堰和坝体的初步设计是否可以达到安全过流的目的。

达到安全过流的目的。

护面块体受力分析护面块体受力分析本文主要对彭水水电站围堰和三峡一、二、三期围堰进行本文主要对彭水水电站围堰和三峡一、二、三期围堰进行了简要介绍，在主要的技术应用、防渗墙设计和工程特性以及了简要介绍，在主要的技术应用、防渗墙设计和工程特性以及参数等方面作了介绍。

参数等方面作了介绍。

彭水水电站围堰彭水水电站围堰土石过水围堰过流时水流可分为三个区域：

急流区，水跃区，过渡土石过水围堰过流时水流可分为三个区域：

急流区，水跃区，过渡区。

三个区域的流速、脉动压力不同，堰面保护材料和防护方式不同。

区。

三个区域的流速、脉动压力不同，堰面保护材料和防护方式不同。

流速的大小、分布状态以及流量大小都对冲刷状况有影响，而在施流速的大小、分布状态以及流量大小都对冲刷状况有影响，而在施工导流工程中对此有影响的因素就直接的影响了围堰的坝体的消能防冲。

工导流工程中对此有影响的因素就直接的影响了围堰的坝体的消能防冲。

施工导流的主要设计内容是确定建筑物的型式、尺寸和导流标准，包括施工导流的主要设计内容是确定建筑物的型式、尺寸和导流标准，包括导流隧洞和过水围堰，导流洞的泄流能力，过水围堰的挡水标准和过水导流隧洞和过水围堰，导流洞的泄流能力，过水围堰的挡水标准和过水标准，以及洪水期到来时坝体的填筑高度。

诸如上述几个方面就对围堰标准，以及洪水期到来时坝体的填筑高度。

诸如上述几个方面就对围堰和坝体过流的消能防冲有着直接的影响。

和坝体过流的消能防冲有着直接的影响。

施工导流中的局部冲刷因素施工导流中的局部冲刷因素沙湾水电站围堰介绍沙湾水电站围堰介绍沙湾水电站枢纽工程以发电为主，兼顾灌溉和航运功能。

电站装沙湾水电站枢纽工程以发电为主，兼顾灌溉和航运功能。

电站装机容量机容量480MW，额定水头，额定水头24.5m，正常蓄水位，正常蓄水位4320m，设计引用流量，设计引用流量22032m3/s，保证出力，保证出力151MW，年利用小时数，年利用小时数5015h，年发电量，年发电量24.07亿亿kwh。

总库容。

总库容4867万万m3，正常蓄水位以下库容，正常蓄水位以下库容4554万万m3。

坝轴线。

坝轴线长长699.82m，采用一级混合开发方式，即建坝壅水高，采用一级混合开发方式，即建坝壅水高15.5m，与铜街子，与铜街子尾水相衔接，河床式厂房，厂后接长尾水相衔接，河床式厂房，厂后接长9015m的尾水渠，尾水渠利用落的尾水渠，尾水渠利用落差差14.5m。

试验目的和内容试验目的和内容通过水工模型试验，验证过水围堰的形体设计及过水保护措施的通过水工模型试验，验证过水围堰的形体设计及过水保护措施的可行性、合理性，找出围堰过水时最不利的流量及相应的防冲保护措可行性、合理性，找出围堰过水时最不利的流量及相应的防冲保护措施。

施。

（11）过水围堰与）过水围堰与44孔泄洪冲砂闸联合泄流的泄流能力，上、下游围孔泄洪冲砂闸联合泄流的泄流能力，上、下游围堰开始泄流的上游水位及流量。

堰开始泄流的上游水位及流量。

（22）在）在50%50%3.33%3.33%各级流量下：

上游水位，基坑内水位、上下游各级流量下：

上游水位，基坑内水位、上下游围堰的过流现象，水面衔接型式以及水面波动及回流现象等，找出不围堰的过流现象，水面衔接型式以及水面波动及回流现象等，找出不利于围堰安全的控制流量；利于围堰安全的控制流量；（33）在）在50%50%3.33%3.33%各级流量下：

沿程溢流面的水面线、压强、流各级流量下：

沿程溢流面的水面线、压强、流速分布的规律，为防护材料的稳定提供数据；速分布的规律，为防护材料的稳定提供数据；（44）在）在50%50%3.33%3.33%各级流量下：

基坑及围堰下游的冲刷范围、深各级流量下：

基坑及围堰下游的冲刷范围、深度以及防护措施。

度以及防护措施。

（55）研究基坑过水的运行工况有两种。

一种是围堰过水前，基坑）研究基坑过水的运行工况有两种。

一种是围堰过水前，基坑内预先充满了水；另外一种是基坑内来不及预先充水。

内预先充满了水；另外一种是基坑内来不及预先充水。

沙湾水电站围堰模型比尺沙湾水电站围堰模型比尺试验模型按重力相似准则设计，为试验模型按重力相似准则设计，为1:

80的正态模型，各物理量的正态模型，各物理量的相似关系如下：

的相似关系如下：

a.流速比尺流速比尺b.流量比尺流量比尺c.时间比尺时间比尺d.压强比尺压强比尺e.糙率比尺糙率比尺模拟范围包括闸坝轴线上游模拟范围包括闸坝轴线上游400m至下游至下游450m。

下游动床模。

下游动床模拟范围至坝轴线下游拟范围至坝轴线下游350m。

泄水建筑物用有机玻璃制作，以便于。

泄水建筑物用有机玻璃制作，以便于观测水流运动及进沙状况。

观测水流运动及进沙状况。

下游过水围堰剖面图下游过水围堰剖面图模型全景模型全景对沙湾水电站进行模型试验，主要是对泄洪闸出口流速、水位，泄对沙湾水电站进行模型试验，主要是对泄洪闸出口流速、水位，泄洪道流速、水位，过水围堰流速、水位和压强等进行测量，并检查冲坑洪道流速、水位，过水围堰流速、水位和压强等进行测量，并检查冲坑形状和测量冲刷深度，来验证过水围堰在不同流量过水时的安全性能和形状和测量冲刷深度，来验证过水围堰在不同流量过水时的安全性能和对堰脚的冲刷与淘刷程度，从而判断在遇到不同年限洪水时围堰的安全对堰脚的冲刷与淘刷程度，从而判断在遇到不同年限洪水时围堰的安全性。

性。

4孔泄洪闸孔泄洪闸10年一遇洪水和年一遇洪水和30年一遇洪水对冲坑的冲年一遇洪水对冲坑的冲刷情况刷情况5孔泄洪闸孔泄洪闸10年一遇洪水和年一遇洪水和30年一遇洪水对冲坑的冲年一遇洪水对冲坑的冲刷情况刷情况上两个试验也验证了最上两个试验也验证了最不利流量一般不是最大过流不利流量一般不是最大过流量，而是护坡与下游水流衔量，而是护坡与下游水流衔接处最大流速水头所对应的接处最大流速水头所对应的流量流量。

试验结论试验结论结合结合4孔泄洪闸运行，围堰有足够的过水能力，孔泄洪闸运行，围堰有足够的过水能力，30年一遇洪水位年一遇洪水位430.82m。

各种工况过堰流态基本没有出现不利的水流流态，总体水力学指标不各种工况过堰流态基本没有出现不利的水流流态，总体水力学指标不高。

高。

钢筋石笼保护的范围应在围堰堰脚（水跃漩滚区下游），钢筋石笼抗钢筋石笼保护的范围应在围堰堰脚（水跃漩滚区下游），钢筋石笼抗冲流速只有冲流速只有5.0m/s6.0m/s之间，在上游围堰堰面流速为之间，在上游围堰堰面流速为10.0m/s12m/s的区域用厚度为的区域用厚度为1.0m混凝土预制块和现浇混凝土板护面是合适混凝土预制块和现浇混凝土板护面是合适的，在水跃区，堰面用混凝土板保护能够抵御较大的脉动压力的，在水跃区，堰面用混凝土板保护能够抵御较大的脉动压力试验建议试验建议面板上脉动压力在非水跃区较小，其均方根值仅为面板上脉动压力在非水跃区较小，其均方根值仅为0.20.4m水柱，而水柱，而在水跃区最大值达在水跃区最大值达1.4m水头，脉动频率主要集中在水头，脉动频率主要集中在25Hz。

建议将水。

建议将水跃区的面板稳定计算按最不利的脉动值考虑，以求工程安全可靠。

跃区的面板稳定计算按最不利的脉动值考虑，以求工程安全可靠。

各种工况下坝脚的流速较大，因此覆盖层抗冲能力不足，应将钢筋石各种工况下坝脚的流速较大，因此覆盖层抗冲能力不足，应将钢筋石笼串连形成整体，已满足抗冲要求。

笼串连形成整体，已满足抗冲要求。

为了减小堰脚流速，在上游围堰过水前，先从下游围堰戗提处向基坑为了减小堰脚流速，在上游围堰过水前，先从下游围堰戗提处向基坑引水，待基坑水位达到适当水位时，才允许上游围堰过水。

引水，待基坑水位达到适当水位时，才允许上游围堰过水。

1.1.介绍了围堰的作用和重要性，总结了过水围堰的特点，对国内外介绍了围堰的作用和重要性，总结了过水围堰的特点，对国内外围堰的研究现状及几个工程实例进行介绍，总结了消能防冲措施的优点围堰的研究现状及几个工程实例进行介绍，总结了消能防冲措施的优点和重要性，并提出消能防冲的建议。

介绍了消能防冲在过水围堰过水时和重要性，并提出消能防冲的建议。

介绍了消能防冲在过水围堰过水时的应用，分析了影响围堰及坝体过流时消能防冲的相关因素，介绍围堰的应用，分析了影响围堰及坝体过流时消能防冲的相关因素，介绍围堰水流特征的分区，提出了本文以实验为主的研究方法。

水流特征的分区，提出了本文以实验为主的研究方法。

2.2.结合水力学、水工建筑物的相关理论，分析了过水围堰过水时的水结合水力学、水工建筑物的相关理论，分析了过水围堰过水时的水流特性，介绍了水流的冲刷特点并且分析了局部冲刷形成的原因及其影流特性，介绍了水流的冲刷特点并且分析了局部冲刷形成的原因及其影响因素，通过分析围堰过水时各部分的作用，提出围堰设计时应注意的响因素，通过分析围堰过水时各部分的作用，提出围堰设计时应注意的问题，得出了安全过流的水力性能，并分析了围堰过水时流量、过流断问题，得出了安全过流的水力性能，并分析了围堰过水时流量、过流断面、流速和围堰型式等对消能防冲的影响。

面、流速和围堰型式等对消能防冲的影响。

本文结论本文结论3.3.通常过水期最不利流量一般不是最大流量，所以通过对通常过水期最不利流量一般不是最大流量，所以通过对1010年一遇年一遇洪水和洪水和3030年一遇洪水过流时的沙湾围堰堰脚冲坑的测量，得出年一遇洪水过流时的沙湾围堰堰脚冲坑的测量，得出1010年一遇年一遇大洪水为过水期流量对围堰堰脚的冲刷更为严重。

大洪水为过水期流量对围堰堰脚的冲刷更为严重。

4.4.通过对泄洪闸水位，流量等测量，分析比较了通过对泄洪闸水位，流量等测量，分析比较了44孔泄洪闸和孔泄洪闸和55孔泄孔泄洪闸过流时的水力