[发明专利]采用天然水垫消能的判别方法

说明书

采用天然水垫消能的判别方法，其特征在于分为两个步骤，步骤一为消能安全指数计算；步骤二为采用天然水垫消能的判别；(1)若工程的消能安全指数W大于或等于4.0，则采用天然水垫消能是可行的；(2)若工程的消能安全指数W小于4.0，则采用天然水垫消能的设计难度较大。本发明方法突破了以往消能方案比选研究过程中仅根据工程类比和实践经验进行方案初拟的局限，可帮助工程快速确定泄洪消能设计方案的研究思路及主要研究方向，大幅减小设计方案比选论证工作量，加快设计进度，降低设计难度及设计成本。

技术领域

本发明涉及高坝工程泄洪消能设计领域，具体为一种天然水垫消能判别方法，该判别标准的技术特征可以概括为“消能安全指数计算，天然水垫消能可行性判别”。

背景技术

随着我国水利水电事业的发展，越来越多的水利水电工程修建在高山峡谷地区。在高山峡谷地区修建的高坝工程，泄洪消能设计普遍具有“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”等不利条件，并且需要综合考虑枢纽布置紧凑可行、消能安全可靠、施工方便、投资节约等多种因素。受地形地质条件限制，窄河谷高坝工程枢纽布置格局一般均比较紧凑，泄洪消能建筑物的布置空间、泄洪消能型式的选择较为有限。挑流消能作为一种较为常见的消能型式，在窄河谷高坝工程中应用比较广泛，但很多工程受条件限制，在消能区采用全衬砌人工水垫塘方案的难度较大，且工程投资较大，因此利用消能区天然水垫进行消能成为一种经济有效的设计方案。

当前，对于窄河谷高坝工程采用天然水垫消能的研究非常有限，尤其是窄河谷高坝工程采用天然水垫消能的可行性，目前尚无一个通用判断标准，泄洪消能方案存在较大不确定性，消能安全性难以评价。在消能方案的比选研究过程中，现有工程大多根据工程经验或工程类比来初步拟定比选方案，然后通过水力计算或模型试验等方法进行验证确定，论证工作量较大，投入的时间和成本较高。

因此，有必要研究提出窄河谷高坝采用天然水垫消能的可行性判别标准，在泄洪消能设计前期对工程采用天然水垫消能的可行性进行初判，有利于快速确定泄洪消能设计方案的研究思路及主要研究方向，大幅减小设计方案比选论证工作量，加快设计进度，降低设计难度及设计成本。

发明内容

为改善目前窄河谷高坝工程采用天然水垫消能的可行性判别方法方面的欠缺，便于在泄洪消能设计前期对工程采用天然水垫消能的可行性进行快速初判，以减小设计方案比选论证工作量，加快设计进度，降低设计难度及设计成本，本发明提出了一种基于消能安全指数的窄河谷高坝采用天然水垫消能的可行性判别标准。

本发明所述的采用天然水垫消能的判别方法，分为两个步骤。步骤一为消能安全指数计算；步骤二为天然水垫消能可行性判别

步骤一：消能安全指数计算

对窄河谷高坝工程的泄洪规模及消能水力学性能、消能区岩体抗冲条件等进行研究，对消能安全指数进行计算。

(1)单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速计算

第一：根据工程的枢纽布置和泄洪建筑物设计情况，计算不同工况的下泄流量、泄洪水头落差、泄洪功率及消能区水体体积，据此计算各工况下消能区的单位水体消能率。

第二：根据消能区的地形地质条件以及岩体物理力学性质，明确消能区岩体的抗冲流速取值。

(2)消能安全指数计算

消能安全指数计算公式如下：

其中，W为消能安全指数，无量纲；E为单位水体消能率(kW/m³)；V₀为消能区岩体抗冲流速(m/s)；γ为消能区水的容重(kN/m³)。

步骤二：天然水垫消能可行性判别

基于步骤一中计算得到的消能安全指数W，判别该工程采用天然水垫消能的可行性。判别方法如下：