NAM PAW 水電站消力池優(yōu)化試驗研究

張康樂，彭 誠，吳 昊

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

緬甸聯(lián)邦NAM PAW 水電站工程位于緬甸撣邦木姐市境內(nèi)NAM PAW 河流域，流域總面積1 068 km2，河長75.7 km，最大壩高54 m，總庫容5 171 萬m3。電站裝機容量20 MW（3×6.67 MW），按照中國《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180-2003），該樞紐為三等中型工程。泄水建筑物及消能防沖的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。樞紐從左到右依次為左岸混凝土重力壩非溢流壩段、左岸混凝土重力壩溢流壩段、河床壩后式廠房段、右岸混凝土重力壩非溢流壩段等，泄水建筑物布置見圖1。

圖1 泄水建筑物平面布置圖

原設(shè)計方案溢流壩堰型選用“WES”曲線型實用堰，溢流壩2 孔，每孔堰寬7.00 m，平板閘門頂高程808.00 m，堰頂高程794.00 m，堰底部接反弧，反弧半徑20.00 m；反弧末端接消力池，消力池長65.00 m，池底高程756.00 m，消力池末設(shè)斜尾坎，尾坎高程762.00 m，尾坎后接20.00 m 混凝土護(hù)坦。消力池左導(dǎo)墻高程為768.00 m。泄洪兼沖砂底孔尺寸6.00 m×7.00 m，與溢流壩共用消力池，消力池長50.00 m，底高程756.00 m，消力池后接尾坎，尾坎高程762.00 m，尾坎后接20.00 m混凝土護(hù)坦。消力池導(dǎo)墻高767.00 m。溢流表孔剖面圖及泄洪兼沖砂底孔見圖2。

圖2 泄水建筑物剖面圖

2 試驗設(shè)計

2.1 模型設(shè)計

模型采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計[1～2]?？紤]試驗要求兼顧試驗場地、設(shè)備情況，經(jīng)計算比較，選取模型比尺λL=50，相應(yīng)的流量比尺λQ=λL2.5=17 677.67，流速比尺λV=λL1/2=7.07，糙率比尺λn=λL1/6=1.92。

模型地形截取高程上游為815 m，下游為772 m；上游模擬原型長度200 m，下游模擬原型長度500 m。模型河道地形采用斷面樁點等高線法，由河砂成型，水泥砂漿抹面而成，斷面間距50 cm；溢流壩、閘墩、導(dǎo)墻、護(hù)坦等采用鋼筋混凝土在刮模槽刮制而成；導(dǎo)流泄洪兼沖砂底孔進(jìn)口、尾坎、弧形閘門采用白果木精制，表面刷漆；導(dǎo)流泄洪兼沖砂底孔洞身和平板閘門采用有機玻璃制作。

2.2 試驗工況

本文選取了典型的設(shè)計洪水位工況和消能工況進(jìn)行研究，具體水文參數(shù)見表1。

表1 試驗工況表

試驗通過測針控制上下游水位，采用三角堰控制流量，流速采用旋槳式流速儀測量。在兩個典型工況下聯(lián)合泄洪時，通過閘門控制溢流表孔及泄洪兼沖砂底孔單寬泄流量基本相同，各孔泄流量及閘門開度如表2。

表2 聯(lián)合泄洪參數(shù)

3 成果分析

3.1 原設(shè)計方案

3.1.1 流速流態(tài)

在原設(shè)計方案下，兩個工況水流流速分布見圖3。

圖3 原方案流速分布

結(jié)果表明：

1）設(shè)計工況下：①溢流表孔下游消力池內(nèi)水躍躍首位于0+37.0 m～0+42.0 m 斷面范圍，為不穩(wěn)定的臨界水躍，水躍躍首斷面水深1.96～2.16 m，流速為25.98～26.89 m/s。②泄洪兼沖砂底孔水躍躍首位于折坡上0+41.5 m 斷面處，屬于較為穩(wěn)定的淹沒水躍，躍首斷面水深為2.45 m，流速為27.55 m/s。③溢流表孔下游消力池內(nèi)，由于發(fā)生水躍，故而在壩面末端至0+75.0 m 斷面范圍內(nèi)表面均產(chǎn)生回流。泄洪兼沖砂底孔自躍首至0+87.5 m 斷面表面形成回流，最大回流流速達(dá)4.15 m/s，位于0+54.5 m 斷面。水躍發(fā)生后，水流在豎向分層明顯，主流在底部，表面形成漩滾，水躍末端底部流速明顯減小。④消力池內(nèi)0+75.0 m 斷面前底部流速表現(xiàn)為左側(cè)大，中間小，而右側(cè)略大，0+75.0 m 斷面后，底部流速表現(xiàn)為由左至右逐漸減小。分析其原因，底孔下泄水流在0+54.5 m 斷面與表孔下泄水流開始交匯，由于底部流速較大，兩股水流強烈碰撞摻氣，摩擦消能，造成交匯處底部流速略小。⑤消力池出池流速為3.68 ～6.67 m/s。

2）消能工況下：①溢流表孔下游消力池內(nèi)水躍躍首位于0+35.0 m～0+38.0 m 斷面范圍，屬于稍有淹沒的水躍，水躍躍首斷面水深2.21～2.29 m，流速為23.55～25.61 m/s。②泄洪兼沖砂底孔水躍躍首位于折坡上0+40.0 m 斷面處，為穩(wěn)定的淹沒水躍，躍首斷面水深為2.76 m，流速為25.17 m/s。③消力池內(nèi)流速分布與設(shè)計工況類似，最大回流流速位于表孔反弧段末端斷面，達(dá)4.48 m/s。消力池出池流速為4.73～6.12 m/s。

3.1.2 水面線

試驗時測定各斷面的水深，以水深加底部高程得到原方案消力池沿程水面線分布見圖4。圖中數(shù)據(jù)為水深，單位m，括號內(nèi)數(shù)據(jù)表示消能工況水深。

圖4 原方案水面線

由圖4 可知：①兩個工況下表底孔消力池內(nèi)水深較大，均超過導(dǎo)墻設(shè)計高度（11 m），不利于導(dǎo)墻兩側(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。②表孔在消能工況下水躍躍首位置較設(shè)計工況前移3.0 m；自0+87.5 m 斷面至護(hù)坦末端，消能工況水深較設(shè)計工況小。③底孔在消能工況水躍躍首位置較設(shè)計工況前移1.5 m，但均在折坡上。④在兩個工況下，表底孔水流在尾坎后均有一定的跌落，跌落點位于護(hù)坦的末端。

3.2 優(yōu)化方案

原設(shè)計方案中，設(shè)計工況下消力池內(nèi)形成臨界水躍，對消能極其不利；研究表明，增加消力池池深和縮短消力池均能改變水躍形態(tài)[3～4]。同時，由水面線分布可知，消力池內(nèi)及尾坎處的水流均超過兩岸導(dǎo)墻，不利于導(dǎo)墻兩岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。經(jīng)過研究，本文提出了優(yōu)化方案，具體優(yōu)化內(nèi)容如下：

1）消力池縮短8.00 m，即由原來的65.00 m，縮短為57.00 m；

2）消力池兩側(cè)導(dǎo)墻高度增加，頂部高程由原來的767.00 m 增加到772.00 m；

3）尾坎抬高0.50 m，即由原來的762.00 m 抬高到762.50 m。

3.2.1 流速流態(tài)

優(yōu)化方案兩個典型工況下流速分布見圖5。

圖5 優(yōu)化方案流速分布

結(jié)果表明：①在兩個工況下，優(yōu)化方案消力池內(nèi)均能形成較為穩(wěn)定的淹沒水躍，底部流速均呈兩側(cè)大、中間小的分布規(guī)律。②設(shè)計工況下，溢流表孔下游消力池內(nèi)水躍躍首位于0+35.0 m～0+37.0 m 范圍，較原方案前移2.0～5.0 m，屬于較為穩(wěn)定的淹沒水躍。水躍躍首斷面水深1.96～2.16 m，流速為24.01 ～26.58 m/s，較原方案小約0.9 m/s；泄洪兼沖砂底孔水躍躍首位于折坡上0+41.5 m 斷面處，與原方案位置基本相同，水躍躍首斷面水深2.29 m，流速27.06 m/s，較原方案小0.5 m/s。③消能工況下，溢流表孔下游消力池內(nèi)水躍躍首位于0+34.0 m～0+34.9 m 斷面范圍，較原方案前移約1.0～3.1 m，躍首斷面水深1.99～2.21 m，流速23.53～24.95 m/s，略小于原方案；泄洪兼沖砂底孔水躍躍首位于0+38.5 m 斷面處，較原方案前移1.5 m，躍首斷面水深1.69 m；流速25.48 m/s。④消力池內(nèi)流速分布與原方案相似，兩個工況下，出池流速均較原方案分布均勻。

3.2.2 水面線

優(yōu)化方案消力池內(nèi)水面線分布情況見圖6。

圖6 優(yōu)化方案水面線

由圖6 可知：①兩個工況下消力池內(nèi)水深較大，均未超過導(dǎo)墻設(shè)計高度（16 m）。②兩個工況下溢流表孔水躍躍首位置基本相同，泄洪兼沖砂底孔在消能工況下水躍躍首位置前移2 m，但均位于折坡上。③兩個工況下表底孔水流經(jīng)過消力池后均有一定的跌落，跌落點位于護(hù)坦的末端，位置大致相同。

綜合流速流態(tài)和水面線情況可知，優(yōu)化方案通過抬高尾坎、增加導(dǎo)墻高程，良好地解決了原方案在設(shè)計工況下的臨界水躍問題，改善了出池流速，有利于消能和減輕下游沖刷。

3.3 消能率

為對比優(yōu)化方案與原設(shè)計方案的消能效果，本文分別計算了兩個工況下兩種方案表底孔的消能率。消能率計算起始斷面取0～17.5 m 斷面，終止斷面取海漫末端0+120.0 斷面；各斷面的能量可用下式計算[5]：

相對消能率：

式中 h——計算斷面相對于基準(zhǔn)面的水流勢能；

a——動能修正系數(shù)，本文取1.0。

計算基準(zhǔn)面取消力池底部平面。消能率計算結(jié)果見表3。

表3 消能率計算成果

由表3 可知，兩個工況下，相對消能率均在71.87%～73.94%范圍間。由于水躍位置前移，消力池內(nèi)底部立軸漩滾和橫軸漩滾更為劇烈，優(yōu)化方案消能率均較原方案略大，優(yōu)化方案消能效果較原方案好。

4 結(jié) 論

本文通過物理模型試驗，研究了NAM PAW 水電站消力池內(nèi)的水力特性，得到了以下結(jié)論：

1）優(yōu)化方案水躍躍首位置前移，形成了稍有淹沒的水躍，有效地解決了原方案中設(shè)計工況臨界水躍的問題。

2）優(yōu)化方案的消能率較原設(shè)計方案略大，說明水躍的形態(tài)影響著消能效果。

3）優(yōu)化方案出池流速更為均勻，且較原方案略小，有利于減輕下游沖刷。