低水頭電站消能結(jié)構(gòu)試驗研究

【摘要】水電是中國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)以及城市發(fā)展，對于電力需求越來越大。為了有效解決電力供需矛盾，有關(guān)部門在西南地區(qū)的上游河段修建了低水頭電站，但往往由于山洪爆發(fā)迅速，電站集中泄洪給低水頭電站下游消能設(shè)施帶來不利影響。本文通過分析低水頭電站壩下消能結(jié)構(gòu)的消能放沖效果，建立了概化模型作消能結(jié)構(gòu)試驗研究，希望能給相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作人員提供幫助。

【關(guān)鍵詞】低水頭；電站；消力池；消力墩； 結(jié)構(gòu)型式；消能效果

水力資源是中國能源的重要組成結(jié)構(gòu)，是新型的可再生清潔能源，合理開發(fā)水力資源有利于能源工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。我國河流眾多，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類在防洪、建壩、發(fā)電等方面加強了與河流之間的聯(lián)系。我國建國初期水電建設(shè)集中在東部地區(qū)，并且大型的水電站不多，作為能源豐富的西南地區(qū)水力資源并沒有得到大規(guī)模開發(fā)利用。改革開放以后，國家將西部能源開發(fā)作為主要任務(wù)，提出西電東送戰(zhàn)略，在長江和黃河流域大力建設(shè)水電站，促進(jìn)了我國水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，社會對于電力資源的需求也在不斷擴大，但是現(xiàn)有的電力供應(yīng)緊張問題，給人們生活帶來了不便。為解決這一問題大力開發(fā)新型高效率可再生的能源--水能，水電站不僅發(fā)揮發(fā)電效益，還有防洪養(yǎng)殖等綜合效益。小水電的建設(shè)主要分布在山區(qū)小河流上游，由于山區(qū)河流量小，為降低建設(shè)成本和降低工作難度，很多都采用了低水頭電站的型式，這種低水頭電站也存在一定的潛在隱患，當(dāng)發(fā)生山洪爆發(fā)時水流量變大，需要在低水頭電站壩下修建消能放沖設(shè)施，只有解決好低水頭電站的消能防沖問題，才能保證小水電的安全運行。本文通過概化模型試驗研究低水頭電站的消能結(jié)構(gòu)形式和效能效果，結(jié)合流域的實際情況，提出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)型式。

一、當(dāng)前低水頭電站消能結(jié)構(gòu)試驗研究所面臨的問題

一般天然河道水流屬于緩流，但是在河道中修建擋水建筑物后，會改變水流條件，導(dǎo)致建筑物下泄水流具有很高的流速，對下游河床威脅極大，尤其考慮到節(jié)省建筑成本，建筑物的泄水寬度遠(yuǎn)小于河床，使得高速水流下泄，使建筑物下游易產(chǎn)生遠(yuǎn)趨式水躍銜接，為了改變這種銜接形式，需要加大建筑物的下游深度，能夠在一定范圍內(nèi)控制水躍。加大下游水深可以從兩種方式進(jìn)行：一是可以在河流下游形成消力池，二是在護(hù)坦末端修建消能坎，抬高水位，也就是在坎前形成消力池。但是水流在經(jīng)過消力池后能量很大，因此還需要對消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如果不及時采取措施消除余能，這會導(dǎo)致水流沖擊下游河床，破壞建筑物結(jié)構(gòu)。消能是采取一定工程措施消除余能的過程，而防沖是對河床加以防護(hù)，在一定程度上可以對河床起到保護(hù)作用，二者需要結(jié)合才能更有效地解決泄水建筑物下游的沖刷問題。

二、對低水頭電站消能結(jié)構(gòu)試驗研究的思考

（一）水流流速變化

1、消力墩位于首部

消力墩是消力池中重要組成部分，常見的消力墩，主要有t字型、梯形和矩形等形式，其主要作用是能夠穩(wěn)定水躍，降低水躍的波動，通過概化模型試驗研究得出，消力墩設(shè)立在消力池前面時可以也在一定程度上增大流速，而在消力池中部時可以形成強迫水躍，設(shè)立在尾部可以將底部水流挑離河底，改善下游流速分布清況，降低高流速對河床的沖刷作用。對于低水頭電站來說，在閘孔水流量小時，水流流速不大，對河床以及建筑物的破壞力較小，消能結(jié)構(gòu)主要還是在動能較大的水流條件中能凸顯其優(yōu)勢，這種條件下T字消力墩比較好。

2、消力墩位于尾部

將不同形式的消力墩放在消力池的尾部，水流銜接處要比消力墩墩設(shè)在消力池前面更加平順，主要是由于消力墩能夠增大水躍過后產(chǎn)生的水深，而且設(shè)立在尾部，降低了水躍后產(chǎn)生的底流速，防止下游波浪的產(chǎn)生，一定程度上加強消能放沖效果。

（二）水深變化

將消力墩放置在消力池的前部、中部和尾部時，當(dāng)水流經(jīng)過消力墩后，能夠大大削弱高速水流產(chǎn)生的能量，一方面是由于水流經(jīng)過消力墩后，流速降低，產(chǎn)生的動能也降低，另一方面是由于墩后容易產(chǎn)生水躍，形成斷面水深，將動能轉(zhuǎn)化為勢能，只有使水流的動能減小才能對河床及建筑物形成保護(hù)，真正起到消能結(jié)構(gòu)形式的消能效果。但是，還應(yīng)當(dāng)考慮水流勢能的變化，水流經(jīng)過消力墩后形成水躍高度，最終勢能也會轉(zhuǎn)化為動能，沖刷下游河道。因此，在消力墩后形成的水躍高度也是在消能建筑構(gòu)造中需要進(jìn)行仔細(xì)研究的。

（三）不同型式的消能結(jié)構(gòu)的能量損失系數(shù)

水流能量損失主要是在克服摩擦阻力和克服形狀阻力過程中構(gòu)成了消能建筑物對水流的阻力，能量損失主要是在墩前水流受阻造成的，其會在墩前形成下降紊流，對墩前形成較大沖擊，另外，水流受阻后會使水流在經(jīng)過消能建筑物后能量大大降低。但是在低水頭電站下游河床無法進(jìn)行下切的情況下，能量損失是水流受阻的直接后果。通過試驗研究得出，從低水頭電站的消能效果上看，由T字墩加消力池構(gòu)成的消能結(jié)構(gòu)明顯具有優(yōu)勢，在工程實際中更實用。

三、小結(jié)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，社會對電力需求增大，水力資源是新型的可再生清潔能源，在一些河流區(qū)域進(jìn)行低水頭電站的構(gòu)建，極大緩解了電力緊張問題，水電站不僅可以發(fā)電，還在防洪抗洪方面起到重要作用，低水頭電站可以降低建設(shè)成本，降低建設(shè)難度，但是在使用過程中也存在一定的隱患。在發(fā)生山洪爆發(fā)時需要在低水頭電站壩下建立消能結(jié)構(gòu)，當(dāng)前主要是從消能和防沖相結(jié)合的措施進(jìn)行，解決河床以及建筑物的沖刷問題。在對低水頭電站消能結(jié)構(gòu)試驗研究中需要對水流流速變化和水深變化進(jìn)行分析，采取合理的消能結(jié)構(gòu)降低水流對河床以及建筑物的破壞。

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作者簡介：趙偉偉（1985.8-），男，漢族，籍貫：陜西商洛市，本科，工程師，研究方向：從2009年起長期從事水利工程設(shè)計工作。