漢江旬陽水電站泄洪消能方案研究

胡 明

(成都市李家?guī)r開發(fā)有限公司，四川 成都 0000000)

1 概述

在壩工設(shè)計中，泄洪消能是重要的研究課題。低水頭、大單寬流量泄水建筑物的消能問題是中小型水利水電工程常見問題。工程的顯著特點是水頭低，下游水位變幅大，來水隨季節(jié)變化明顯，由于流速小，佛勞德數(shù)低，采用常規(guī)消能工消能效率較低，甚至危及建筑物的安全消能問題突出。

對于低水頭、大流量、低佛勞德數(shù)的水利樞紐，近年來采用的消能形式有：在消能過程中采用輔助消能工增加消能效果，如在消力池內(nèi)設(shè)置較高的T型墩或設(shè)置消力坎消能；改變常規(guī)消能工的出口條件，通過水流擴散、收縮或碰撞增加消能效果；在采用常規(guī)消能方式消能前通過水流收縮或擴散提前消除一部分能量，如采用寬尾墩等。

2 工程概況與模型設(shè)計

2.1 工程概況

旬陽水電站是漢江干流規(guī)劃7個梯級中的第5級電站，位于陜西省旬陽縣城南約2km，上距安康水電站65km，下距丹江口水電站約200km。

旬陽水電站為100年設(shè)計(Q=27400m3/s)，1000年校核(Q=32600m3/s)，相應(yīng)水位為240.25m和243.28m，總庫容3.25億m3。最大壩高58m，壩頂高程247m，正常蓄水位241m，死水位239m，汛期排沙水位233m。

2.2 模型設(shè)計

根據(jù)模型試驗任務(wù)與要求，模型按重力相似準則設(shè)計，選用幾何比尺為1∶100。按此比尺，模型試驗的水深、雷諾數(shù)均滿足阻力自相似與表面張力影響可忽略的條件。

模型截取范圍的原則為：上游河道縱向模擬長度為1000m，下游河道縱向模擬長度為1200m；高度上模擬至包括最高水位等高線，并留有余度。

試驗利用矩形薄壁堰量測流量，用精度為0.1mm的水位測針量測上下游水位、水面線；用直徑為8mm的畢托管量測水流流速；用測壓管量測動水壓力；流態(tài)用照相機和錄像機拍攝各級庫水位下的典型照片和錄象；用水準儀和測針量測安裝模型。

3 試驗分析及水力計算

中低水頭閘壩樞紐在泄洪流量較大時，閘門全部提出水面，上下游水位差很小，過閘水流呈緩流狀態(tài)，接近天然流態(tài)，消能常不成問題。而當(dāng)入庫流量大于電站發(fā)電引用流量而小于停機流量時，上游多余的來水量一般都是通過開啟部分沖沙閘或泄洪閘宣泄。控制壩前水位保持正常蓄水位或汛限水位，此時因壩前水位較高，而壩下游無水或水位較低，下泄單寬流量大，水流的流速亦非常大，對消能防沖措施要求較高。本文主要研究常遇洪水前各工況的泄洪消能。

3.1 原設(shè)計方案

沖砂泄洪閘堰型為開敞式低實用堰，閘室段后挖深式消力池，消力池末端接護坦。

圖1 左五孔沖砂泄洪閘典型剖面圖

為明確試驗開啟孔口的情況，對泄洪孔口進行編號。右7孔沖砂泄洪閘(從右至左)為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#；左5孔沖砂泄洪閘(從右至左)為8#、9#、10#、11#、12#。如圖1所示。

8#—12#壩段為左5孔沖砂泄洪閘壩段，布置在左導(dǎo)墻右側(cè)，共5孔，單孔凈寬14m，采用弧形閘門控制水流，孔口尺寸為14m×25m(寬×高)。

經(jīng)試驗分析和水力計算，旬陽水電站泄流消能滿足設(shè)計要求。但也有如下問題：

(1)泄流量為3500m3/s、單孔局部開啟的工況下，水流在消力坎前的水流形態(tài)為急流，將對下游產(chǎn)生比較嚴重的沖刷。

(2)泄流量為8000m3/s、5孔局部開啟的工況下，消力池長度需加長，否則對下游河道沖刷比較嚴重。

(3)從下游河道的沖刷情況及消力池內(nèi)水流的流態(tài)看，有必要對消能工進行進一步優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

左5孔泄洪沖砂閘消能問題較為復(fù)雜，進行了多次消力池體型、輔助消能工體型、布置等修改優(yōu)化試驗研究，大致可總結(jié)為：輔助消能工強迫分流與消能試驗研究階段；小流量急流擴散、大流量水躍消能試驗研究階段；二級消力池方案試驗研究階段；小挑角跌坎+淺水墊消力池方案試驗研究階段。試驗成果見表1。

4 小流量急流擴散、大流量水躍消能方案

在小流量急流擴散、大流量水躍消能試驗研究階段，提出了在小流量單孔局開的工況下使水流在消力池內(nèi)橫向擴散，減小水流單寬流量，同時在多孔開啟時能在消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的淹沒水躍的優(yōu)化思路。如圖2所示。

消力池內(nèi)各部位體型的修改優(yōu)化及其作用如下：

表1 不同消能工體型試驗成果

圖2 小流量急流擴散、大流量水躍消能布置圖

(1)消力池出口兩端設(shè)置3個縱向臺階作為輔助消能工。

(2)10#孔后消力池設(shè)計違反坡式消力池，反坡坡度為1∶7。消力池末端反坡作用為將出池水流挑離建筑物，使其沖刷的位置盡量遠離泄水建筑物；同時有利于水流擴散，減小出池單寬流量。

(3)8#、12#孔后設(shè)置橫向短臺階，臺階之間用坡度1∶4的斜坡過渡。出口前的臺階設(shè)置位置為壩下0+122.00m到壩下0+145.00m。其作用主要為控制單孔運行時水流的擴散角度；大流量、多孔開運行時起一定的輔助消能作用。

(4)出口采用變坡，其有利水流擴散，保持池內(nèi)水流的穩(wěn)定，防止水流左右擺動；池末端兩邊較高的小平臺(高程為217m)起到阻擋下游水流回流入消力池影響單孔開啟運行時水流擴散的作用。

根據(jù)試驗資料分析，在單孔局開工況下水流在消力池中能充分擴散，多孔局開下池內(nèi)形成的淹沒水躍也比較穩(wěn)定。但該方案也存在明顯的不足，主要是由于消力池出口為擴散型體型，在左導(dǎo)墻后消力池出流與電站尾水出流的交界處水流產(chǎn)生剪切漩渦，造成左導(dǎo)墻后基巖的局部沖刷比較嚴重，除此之外其消能工結(jié)構(gòu)也顯復(fù)雜，增加了工程量和施工難度。

5 二級消力池方案

在總結(jié)前幾個階段常規(guī)消力池+輔助消能工體型各方案試驗研究成果后，發(fā)現(xiàn)在保持消力池長度和深度不變的情況下，很難滿足水流在3500m3/s泄量下單孔局開、8000m3/s泄量下3孔局開、8000m3/s泄量下5孔局開等工況下的流態(tài)、沖刷及建筑物安全的要求。通過計算，3500m3/s泄量、單孔局開，8000m3/s泄量、3孔局開工況下入池單寬流量基本相同，均為158m3/s，滿足此單寬流量在消力池內(nèi)形成淹沒水躍的第二共軛水深為19.6m，若入池水流單寬不經(jīng)過擴散調(diào)整，現(xiàn)有消力池長度、深度均不能滿足形成淹沒水躍條件。

在總結(jié)之前各修改方案和參閱了大量相關(guān)資料后，嘗試了二級消力池方案，其中對第一道消力坎體型進行了調(diào)整，第二級消力池為深挖式消力池。

該方案對消力池體型的修改如下：在壩下0+107.00m處設(shè)置一道斜坎，坎頂高程為215m，迎水面斜坡坡比為1∶0.8。第二級消力池底板高程降至207m，長度至樁號下0+158.00m，在池末端設(shè)置一道斜坎，坎頂高程為211m，迎水面斜坡坡比為1∶0.8。

該方案下，3500m3/s泄量、單孔開，8000m3/s泄量、3孔開和左5孔局開等常遇洪水前運行工況下，均在兩級消力池內(nèi)形成淹沒水躍，池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，消能較為充分，出池水流平穩(wěn)，下游波動較小，與下游尾水自然銜接。但通過對二級消力池內(nèi)的流態(tài)的觀測，實測水躍長度略大于現(xiàn)有二級池池長，建議二級池池長增加15m，至樁號下0+163.00m。

從沖淤規(guī)模和沖坑形態(tài)看，常遇洪水前各運行工況下的最低沖深點高程203m，較原方案減淺3m，淤積規(guī)模較原設(shè)計方案小，其淤積主體位于消力池后河道中部，不會對電站尾水和通航順暢產(chǎn)生不利影響；同時，沖坑坡度較緩，最深點遠離建筑物，不會危及建筑物安全穩(wěn)定。

6 小挑角跌坎+淺水墊消力池方案

小挑角跌坎是一種擴散形體型，在泄量較小，下游尾水位較低時，出閘水流被稍微挑起，經(jīng)橫、縱向擴散后以較小的單寬流量入消力池形成水躍。挖深消力池的目的是保證在各工況下消力池中形成適當(dāng)?shù)乃睿鸬浇档团R低流速、避免小泄量時挑流水舌沖擊消力池底板和滿足形成淹沒水躍的共軛條件的綜合作用。末端設(shè)置斜坡消力坎是調(diào)整出池水流的流速分布，同時可一定程度上改變消力池內(nèi)各水力參數(shù)。

6.1 體型修改

相對于原方案，修改方案如圖3所示。

(1)取消原方案中的護坦，把消力池加長到了原護坦末端，樁號下0+155.00m。

(2)降低原設(shè)計方案中消力池底板高程至207m。

(3)在消力池末端設(shè)置一道斜坎，高程為211m，迎水面坡比為1∶1.5。

(4)在閘后設(shè)置一道小挑角，小挑角由兩段斜坡組成，其坡比分別1∶3。

圖3 左五孔沖砂泄洪閘修改后典型剖面圖

6.2 與原方案的比較

(1)水流流態(tài)

原設(shè)計方案存在的主要問題是8000m3/s泄量下、5孔局開工況在消力坎后水流二次跌落明顯，跌落的水流直砸護坦，對護坦的結(jié)構(gòu)安全有影響。在8000m3/s泄量下、3孔局開的工況下在消力池內(nèi)折沖水流明顯，兩邊孔出流為遠驅(qū)水躍。在3500m3/s泄量下單孔局開的工況，出池水流直沖消力坎，消力坎結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性非常大。

修改方案在以上3種工況下都能形成穩(wěn)定的淹沒水躍。在8000m3/s泄量下、3孔局開和3500m3/s泄量下單孔局開的工況下水流都已經(jīng)擴散至整個消力池斷面，在不過流的閘孔前沒有回流。

(2)流速分布

修改方案中的挑坎斷面以前的流速分布與原設(shè)計方案相似。在該方案中水流在進入消力池后底流速迅速減小，在消力池中水流入池前的斷面底部有回流。而原設(shè)計方案在這些斷面上底流速與表面流速相差不大。在消力池出口斷面(樁號下0+160.00m)8000m3/s泄量下的兩個工況下，該方案的最大流速和平均流速都較原方案小。

從下游和到的流速分布看該方案在樁號下0+200.00m后底流速都接近為零了，從流速分布圖看，該方案在下游河道恢復(fù)天然河道的流速分布比原方案要提前。

(3)下游基巖沖淤

比較原方案后可以看出，無論從沖深最低點還是下游河道淤積規(guī)模，修改方案都較原方案小。8000m3/s案減小1m，且范圍要小。8000m3/s泄量、5孔局開的工況最低沖深點比原方案略高，但淤積最高點比原方案低近2m。3500m3/s泄量、單孔局開的工況最低沖深204m與原方案一致，但該方案除右導(dǎo)墻外其他位置沖刷的最低點都在210m左右。從淤積情況看，修改方案中該工況淤積的高度大部分都在216m，原方案該工況下淤積的高度大部分在217m，且范圍要大?？紤]到在該方案中鋪沙高程從211m改到了214m，從淤積高度和范圍來說該方案比原方案要小得多。

7 結(jié)語

在工程實際中單一的消能形式很難滿足消能防沖要求，本試驗研究針對這一問題，以漢江旬陽水利工程樞紐為例進行模型試驗。采用輔助消能工與傳統(tǒng)消能工相結(jié)合的形式，解決低佛勞德數(shù)水躍消能的問題，找出了一種消能防沖效果良好的消能工體型：小挑角跌坎+淺水墊消力池方案。對于低水頭水利樞紐的消能問題，本研究得到了良好解決，消能率在30%～40%之間。因?qū)嵺`項目較少，可能存在一定的偏差，參考借鑒過程中尚需完善。