柬埔寨斯登沃代一級水電站聯合消能工試驗研究

楊亞斌

（廣西水電科學研究院，南寧 530021）

斯登沃代水電站位于柬埔寨菩薩省列文縣的額勒賽河上游支流——沃代河上，項目由2個梯級電站組成。一級為壩后式電站，水庫正常蓄水位515.0m，相應庫容為4.438×108m3，死水位510.0m，相應庫容2.714×108m3，調節(jié)庫容1.723×108m3，總裝機容量20MW。

斯登沃代一級水電站屬Ⅱ等大（Ⅱ）型工程，主要水工建筑物由混凝土重力擋水壩、2孔溢流壩、孔沖沙底孔、引水系統(tǒng)和壩后式廠房等組成。最大壩高45.5m，溢流堰為WES型實用堰，設計水頭11.026m，每孔凈寬12.0m。P=1%，設計洪水流量為2520m3/s，設計洪水位為515.01m；P=0.1%，校核洪水流量為3710m3/s，校核洪水位為516.36m，消能防沖按50a一遇洪水設計；P=2%，相應流量為2170m3/s。

1 消能工試驗研究

為了驗證和優(yōu)化消能方案的合理性，進行了水力學整體模型試驗。模型按佛勞德準則設計，為正態(tài)局部動床模沖坑等特性的觀測來驗證改進結果。

1.1 窄縫方案

窄縫方案為設計原方案，采用臥底式窄縫差動挑坎，消能形式為挑流消能，其結構尺寸見圖1。

圖1 窄縫方案消能工結構布置圖

當下泄洪水流量2170m3/s時，堰面水舌扁平，池內無反向漩滾體，水深淺，坎后涌浪加劇，左側少許水翅沖擊底孔墻頂部后飛濺成水花。出坎水流未能有效的往右擴散，水舌寬度幾乎與孔口等寬。坎末水舌下緣順流方向長12m的空腔。附跳水舌跳距遠，約于下0+110m處入水。由于下游水深小，以遠驅水躍與下游水流銜接，與底孔出口水舌匯合后，涌浪加劇，形成強烈的多級人字形水躍波，一直延伸至下游500m處。因下游主流偏于左岸，導致右岸自下0+120m至下0+400m為回流區(qū)，最大回流流速達5.35m/s；左岸回流區(qū)范圍小，但強度較大，最大回流流速達5.25m/s，位于下0+160m處。岸邊回流較大，對主流有一定壓縮作用，致使主流過水斷面減少，流速增大，河床最大底部流速達19.6m/s，最大岸邊波浪爬高達8.82m。當下泄洪水流量2598.4m3/s時，由于表孔過流量明顯增大，下游河床主流偏于右岸，流速、浪高等水力要素指標明顯增大，消能率很低，下游余能較大。

1.2 寬尾墩—窄縫方案

寬尾墩—窄縫方案保持挑流消能工方案臥底式窄縫差動挑坎體形不變，將直尾墩改為寬尾墩，并于堰面反弧與窄縫坎直段連接處設消力坎，坎高2.5m，寬2.5m。寬尾墩體形參數見表1。

表1 寬尾墩體型參數 單位：m

設置輔助消能工，旨在增加水流阻抗，強迫消能。試驗結果顯示出有較好的效果，下游流態(tài)較原方案得到明顯改善，池內水深增加，底流速降低，下泄水流在寬尾墩的作用下和消力坎受阻后水流分散促進消能。尾坎流速分布趨于均勻，消能效果顯著，下游水面銜接平順。當下泄洪水流量2170m3/s時，二次跌水水位高點和低點分別為484.65m和481.98m，跌差2.67m。河床最大底部流速14.2m/s，最大波浪爬高為3.06m；尾坎末2#孔中面底流速分別為11.34m/s和16.27m/s。

寬尾墩—窄縫方案設置消力坎，增加水流阻抗，強迫消能。但下泄高速水流直沖底板和消力坎，沖擊能量巨大，受阻后劇烈翻騰，涌浪很高，墻邊水位高點493.8m，底孔導墻墻頂高程489m，高度明顯不足，消力坎處流速高達26m/s。

1.3 二道壩消能方案

二道壩消能方案在下0+070.5m處設置二道壩，二道壩末端樁號為下0+092.74m與護坦連接，護坦末端樁號為下0+112.6m。二道壩壩頂高程481.3m，試驗表明，在下泄洪水流量2170m3/s時，堰面水舌扁平，池內形成不穩(wěn)定的淹沒底流水躍流態(tài)。急流在池內劇烈轉向后導致很大的跳動涌浪。二道壩頂水流涌浪遠高于廠壩導墻頂端，水流四處溢漫。二道壩后與下游銜接水流形成強烈的二級跌差，坎頂高點水位為495.78m，兩次跌水落差達15.96m。河床最大底部流速9.65m/s。

1.4 “寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”消能工方案

試驗研究表明，寬尾墩—窄縫方案消能效果較好。但寬尾墩—窄縫方案存在下泄高速水流直沖底板和消力坎，沖擊能量巨大，受阻后劇烈翻騰、涌浪很高的問題，必須進一步進行體型優(yōu)化。通過試驗分析，提高反弧末端高程，降低戽池底板高程，形成跌坎式消力池，增加了水深，降低水流沖擊底板強度；增大寬尾墩收縮角，減小收縮比，增加下泄，從而形成“寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”聯合消能工。試驗進行了3個體型尺寸的試驗研究，結構尺寸見表2。

表2 聯合消能工體型參數 單位：m

通過試驗，寬尾墩體型合理，但水躍坎前緣位置是研究的重點，試驗對Ⅰ、Ⅱ體型進行比較，當下泄流量為2170m3/s時，兩者的池底流速分別為12m/s和12.7m/s；坎頂面底流速分別為6.91，9.07m/s和7.24，7.76m/s。 二次跌水前者銜接較為平順，說明后者稍遜于前者，但從既能滿足消能要求又節(jié)省工程投資等綜合因素考慮，經優(yōu)化擬用III體型。

1.4.1 水流流態(tài)

100a一遇洪水流量時，上游水流平順，無回流。受上游彎道河段的影響，來流略偏于左岸，與壩軸線不完全正交，2#孔左側進水出現與壩軸線約成75°夾角的斜向水流，造成2#孔進口水面不對稱的側收縮。兩側水面有高差，左低右高，最大高差達1m。兩孔兩側的檢修閘門槽處形成對稱的方向相反的兩個漩渦，時而出現串通式漏斗漩渦，上粗下細，呈彎曲狀，其尾跡呈白色水帶落在門槽下游邊墻底部。墩頂跌流坎導向作用明顯減弱，閘室水面曲率變化很小，寬尾墩處水面趨于直線形，出室水舌平面上與閘室等寬，中部溝淺，在橫斷面上呈“T”型，池內涌浪高，坎后兩次跌水明顯，跌差達5.74～7.59m?？埠笾髁髌谟野?，如下泄設計洪水流量2446m3/s，右岸邊最大流速為5.48m/s，位于右岸下0+250m，左岸邊最大流速為5.24m/s，位于下0+200m；下0+110m～0+165m有一回流區(qū)，最大回流流速為3.43m/s。河道中部最大面流速為12.94m/s，位于下0+160m；河床最大底部流速為5.52m/s，位于下0+250m。流速的分布隨著流程而逐漸均化，于下0+250m處河道斷面流速分布趨于均勻，與天然情況接近。

在下泄流量Q≤2170m3/s時，閘門局部開啟，因受到寬尾墩的約束作用和頂部跌流的影響，過閘水流被收縮成下部窄上部寬的射流，在橫斷面上射流呈中間低兩側高的“Y”字型；由于三元水流，收縮主流貼堰面而下，上部水舌呈跌流狀和消力池底板成一銳角注入井池，其水平方向的分量參與底流消能，其豎直方向的分量和消能井水墊碰撞消能，從而加劇水流摻混、紊動和動能的消剎，摻氣量劇增，消能充分。下泄流量Q≤1030m3/s時，消能池內呈淹沒底流水躍，池底流速小，為7.98m/s，坎后兩次跌水差≤3.55m。

在閘門全開和大開度時池底流速較大，消能池將高流速脫離池底效果明顯弱，消能池作用不完全，原因是池深不足，但在實際運行中，大洪水頻率小。

1.4.2 下游沖刷

沖刷深度與下泄流量成正比，隨著下泄流量的增大而增加。下泄流量≥1030m3/s時，右岸邊坡腳護坦末附近沖坑深度為3.18～6.25m，后坡比為1∶3.66～1∶5.13，滿足規(guī)范要求。

當下泄流量為2170m3/s時，受出坎斜向水流兩次跌水沖擊旋滾的紊動作用和因邊壁效應產生環(huán)流的影響，右岸邊坡腳護坦末附近岸邊地形下切較深，深點高程467.71m，位于下0+113m；由于坎下回流的作用，下游帶回不少砂子，主河槽坎末護坦上則堆淤成三角形的回淤體。護坦下游沖刷坑范圍廣，沖坑深點高程470.31m，位于下0+113m，后坡比為1∶3.77，沖坑前坡有堆丘，淤積量較大，但沖坑深淺，后坡比緩，不致于影響壩體的安全。

2 結語

寬尾墩—消力戽聯合消能工已在我國多個水電工程中應用，但在下游水深淺，水位變幅大，弗汝德數低的中小水電站應用中，寬尾墩—消力戽聯合消能工的應用還值得研究。本文通過對斯登沃代一級水電站消能工多個方案的研究比較，將傳統(tǒng)的消力戽進行結構優(yōu)化，提出“寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”聯合消能工方案，很好地解決了工程消能難題，可為同類工程提供參考。

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