長(zhǎng)塘雙曲拱壩泄洪消能研究

紀(jì)志強(qiáng),王國(guó)杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

1 概 述

長(zhǎng)塘水電站工程位于貴州省黔西縣境內(nèi)野紀(jì)河上,是以發(fā)電為主,兼顧防洪、灌溉等綜合效益的Ⅲ等中型水利水電工程。壩址處控制流域面積1 737 km2,多年平均流量為25.6 m3/s,水庫(kù)具有周調(diào)節(jié)能力。水庫(kù)正常蓄水位為905.00 m,死水位895.00 m?？値?kù)容為1788×104m3,電站總裝機(jī)容量30 MW,工程按50 a一遇洪水設(shè)計(jì),500 a一遇洪水校核,相應(yīng)泄洪流量分別為2 082 m3/s和2 854 m3/s。

長(zhǎng)塘水電站壩后河床主要分布T1y2-1-1(巖性薄層、中厚層灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r條帶)、T1y1(泥頁(yè)巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層)和P2c+d(中厚層、厚層含燧石團(tuán)塊灰?guī)r)地層,巖體中結(jié)構(gòu)面主要層面,裂隙、斷層不發(fā)育,巖層傾向上游,巖體弱風(fēng)化深度一般5 m～8 m。

工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拋物線拱壩、壩頂泄洪表孔(3孔)、泄洪中孔(1孔)、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠房組成。最大壩高88m,壩頂高程908.00 m,壩頂寬6 m,壩底厚17m。各表孔孔口沿拱壩中心線為軸徑對(duì)稱(chēng)布置,中孔位于表孔左側(cè),在拱壩下游設(shè)置有長(zhǎng)25 m、寬約40m的混凝土護(hù)坦,見(jiàn)圖1。

長(zhǎng)塘水電站3個(gè)溢流表孔,壩頂高程897.00 m,每孔凈寬11.5 m,總過(guò)水寬度34.5 m,溢流堰面曲線為WES曲線,曲線方程為 y=0.08537752x1.85,后接反弧段,反弧半徑 8 m,挑角10°。采用挑流鼻坎消能。泄洪中孔進(jìn)口為喇叭口,進(jìn)口至工作閘門(mén)之間為有壓流,工作閘門(mén)后為明流,底板高程為852.00 m,進(jìn)口孔口尺寸4m×6 m(寬×高),出口孔口尺寸4 m×5 m(寬×高),采用窄縫挑流消能(窄縫收縮比β=0.5)。

圖1 樞紐布置

2 原方案泄洪消能存在的問(wèn)題

長(zhǎng)塘水電站采用碾壓混凝土雙曲拱壩壩型,以及壩身孔口泄洪,具有布置簡(jiǎn)單、工程量小、造價(jià)低、工期短等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:①拱壩下泄水流在向心力的作用下匯交水流落點(diǎn)相對(duì)集中,給消能防沖帶來(lái)困難。②拱壩壩體薄,溢流表孔落差小,水舌挑距近。在500 a一遇校核洪水時(shí)(庫(kù)水位907.16 m),造成護(hù)坦末端深達(dá)2.5 m的掏刷,危及壩基的安全。③拱壩中心偏于右岸,500 a一遇校核洪水時(shí),右表孔跌落水舌沖砸右岸邊坡,右岸邊沖刷坑深度較大,直接威脅右岸山坡的穩(wěn)定。

3 泄洪消能布置方案修改與優(yōu)化

3.1 表孔體型優(yōu)化

表孔泄流時(shí),由于受拱壩壩型特點(diǎn)的影響,存在著水流向心集中現(xiàn)象,能量集中以及下游河道狹窄,是造成下游河道沖刷較深的主要因素,一般情況下,表孔消能體型,多采用擴(kuò)散式和收縮式兩種體型[1,2],結(jié)合本工程特點(diǎn),宜采用擴(kuò)散式體型,經(jīng)多種方案研究比較,采用在表孔末端設(shè)置錐形體消能工[3,4]方案來(lái)優(yōu)化研究。

3.1.1 修改方案Ⅰ(中表孔設(shè)錐形體方案)

修改方案(Ⅰ)是在中表孔末端設(shè)置錐形體消能工,錐形體正面寬度7.5 m,正面中間高度2.0 m,縱向軸長(zhǎng)5.0 m,其目的是利用錐形體橫向擴(kuò)散水流,分散單位面積上的流量,減小下游沖刷。試驗(yàn)表明,中表孔錐形體起到了較好的水流擴(kuò)散作用,但左、右表孔向心集中作用依然存在。

3.1.2 修改方案Ⅱ(3表孔設(shè)錐形體方案)

修改方案Ⅱ是在3個(gè)表孔末端都設(shè)置錐形體(體形同方案Ⅰ),試驗(yàn)表明,3個(gè)表孔均可形成橫向擴(kuò)散水流,左、右表孔錐形體對(duì)水流的擴(kuò)散作用,有效的克服了左、右表孔向心集中的影響。下游河道沖刷狀況有一定改善。

3.1.3 修改方案Ⅲ(中表孔錐形體上移方案)

根據(jù)前兩個(gè)修改方案所取得的試驗(yàn)成果,進(jìn)行了中表孔錐形體下延(1.0 m)和上移(1.0 m)、以及不同錐形體高度的組合對(duì)比研究,目的是控制挑流水舌落點(diǎn),使3個(gè)表孔橫向擴(kuò)散水流前后拉開(kāi),分層泄流,盡可能分散水流能量,達(dá)到減小下游河道沖刷的目的。經(jīng)多種組合比較,選擇3個(gè)表孔錐形體消能工體型一致,及錐形體正面寬8.5 m,正面中間高度2.5 m,縱軸長(zhǎng)5.0 m。左、右表孔錐形體消能工在表孔末端,中表孔錐形體消能工由表孔末端向上移1.0 m方案作為推薦方案[5～7]。表孔優(yōu)化推薦方案消能工體型圖詳見(jiàn)圖2。

3.2 表孔折流器體型優(yōu)化

對(duì)于右表孔500 a一遇校核洪水位時(shí)(庫(kù)水位907.16 m),水流沖砸岸坡現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)比較,在右表孔右邊墻上設(shè)置了折流器(導(dǎo)向角 θ=10.224°,折流器寬 b=1.35 m),試驗(yàn)表明,加設(shè)折流器后解決了右表孔下泄水流在校核洪水位沖砸岸坡的問(wèn)題。

3.3 泄洪中孔體型優(yōu)化

泄洪中孔存在的問(wèn)題是明流段水流沖擊工作弧門(mén)門(mén)鉸支承橫梁,危及弧門(mén)安全。原方案中孔設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)分析認(rèn)為,造成水流沖擊工作弧門(mén)門(mén)鉸支承橫梁與無(wú)壓明流段較短、窄縫收縮鼻坎抬高水深以及門(mén)鉸高程設(shè)置偏低、窄縫收縮相對(duì)長(zhǎng)度(一般取為宜)[8]偏短有關(guān)。經(jīng)研究比較,中孔體型,采用將無(wú)壓明渠段加長(zhǎng)2.294 m,門(mén)鉸升高1.732 m,收縮長(zhǎng)度由2.5 m延長(zhǎng)至3.0 m,相對(duì)收縮比改為L(zhǎng)/B=0.75,俯泄槽末端高程降低1.146 m的優(yōu)化方案。試驗(yàn)表明,在修改優(yōu)化體型下,解決了泄洪中孔存在的問(wèn)題。

圖2 推薦方案表孔體型圖

4 推薦方案水舌形態(tài)及消能防沖

表孔采用優(yōu)化推薦錐形體消能工后,下泄水流在各特征洪水工況下,3個(gè)表孔均可形成擴(kuò)散水流,并使左、右表孔下泄水流在前,中表孔下泄水流在后,達(dá)到了控制水舌落點(diǎn),分散水流能量的目的。左表孔設(shè)置錐形體消能工后,向左側(cè)橫向擴(kuò)散水流和中孔水舌相碰撞,消耗了部分水流能量,有效的克服了表孔向心集中影響,使下泄水流落點(diǎn)分布較為合理,減輕了下游河道的沖刷。

右表孔右邊墻加設(shè)折流器后,將下泄水流導(dǎo)入河槽,解決了右表孔下泄水流沖砸岸坡的問(wèn)題。

泄洪中孔在修改體型下,明流段流態(tài)較好,工作弧門(mén)支鉸升高至859.5 m高程后,在500 a一遇校核洪水位運(yùn)行時(shí)支鉸處水面有2.8左右的富裕度。挑流水舌光滑,窄縫消能工適應(yīng)于全開(kāi)和局開(kāi)各種運(yùn)行工況。

在30 a一遇(消能防沖)洪水(庫(kù)水位905.00 m)左、右表孔+中孔聯(lián)合泄洪時(shí),溢流表孔水舌挑距左、中、右分別為53 m、51 m和50 m,入水寬度約43.2 m,相應(yīng)其下游河道最大沖刷深度為8.0 m,左岸邊沖深為3.0 m,右岸邊沖深僅為1.0 m。在500 a一遇校核洪水(庫(kù)水位907.16 m)表孔+中孔聯(lián)合泄洪時(shí),表孔水舌挑距,左、中、右分別為50 m、48 m和45 m,入水寬度約46.2 m,相應(yīng)其下游河道最大沖深為12.5 m,較無(wú)錐形體時(shí)減淺20%左右,由于水舌挑距加長(zhǎng),護(hù)坦末端無(wú)掏刷現(xiàn)象,并有5 m左右的不沖不淤段,壩基的安全得到了有效的保護(hù)。

右岸邊沖刷深度由原方案的8.5 m減小為5.5 m,減小了35.2%,有利于右岸邊坡的穩(wěn)定和減小了右岸邊坡防護(hù)工程量。

5 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)塘水電站雙曲拱壩下游河道狹窄,拱壩水流向心集中,對(duì)下游河床和右岸邊造成嚴(yán)重沖刷。試驗(yàn)研究?jī)?yōu)化推薦的錐形體消能工挑流鼻坎,并采用消能工錐形體中表孔靠后,左、右表孔靠前的布置形式,充分發(fā)揮了錐形體鼻坎使下泄水流橫向擴(kuò)散的特點(diǎn),也達(dá)到了控制水舌落點(diǎn),使3個(gè)表孔橫向擴(kuò)散水流前后拉開(kāi),分散單位面積上流量的目的。解決了該工程存在的泄洪消能問(wèn)題。長(zhǎng)塘雙曲拱壩溢流表孔錐形體消能工鼻坎布置方案可供同類(lèi)工程借鑒。

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