斯登沃代一級水電站消能試驗研究

楊亞斌

(廣西水電科學研究院,廣西 南寧 530021)

斯登沃代一級水電站消能試驗研究

楊亞斌

(廣西水電科學研究院,廣西 南寧 530021)

為了取得柬埔寨斯登沃代一級水電站工程合理的消能方案,通過對消能工的窄縫方案、寬尾墩—窄縫方案、二道壩方案、“寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”等多種方案分別進行優(yōu)化組合,進行水工模型試驗,并對測試成果進行比較分析。結(jié)果表明,提出的“寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”聯(lián)合消能工方案能很好的解決工程的消能防沖難題。該方案消能效果最佳且節(jié)省了工程量,得到該工程設計部門的采納應用。

寬尾墩;水工模型試驗;聯(lián)合消能工

0 前 言

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,項目由兩個梯級電站組成。一級為壩后式電站,水庫正常蓄水位515.0 m、相應庫容為4.438×108m3,死水位510.0 m、相應庫容2.714×108m3,調(diào)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(2)型工程,主要水工建筑物由混凝土重力擋水壩、2孔溢流壩、1孔沖沙底孔、引水系統(tǒng)和壩后式廠房等組成。最大壩高45.5 m,溢流堰為WES型實用堰,設計水頭11.026 m,每孔凈寬12.0 m。設計洪水流量(P=1%)為2 520 m3/s,設計洪水位為515.01m,校核洪水流量(P=0.1%)3 710 m3/s,校核洪水位為516.36 m;消能防沖按50 a一遇洪水設計,相應流量(P=2%)2 170 m3/s[1]。樞紐布置見圖1。

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)局部動床模型,幾何比尺λl=66.66。動床模型砂粒徑按公式V=KD計算,式中試驗取K=5.5。根據(jù)設計提供巖石允許不沖流速計算選用模型砂粒徑,當河床巖層分別為475 m～473 m、473 m～465 m、465 m～443m高程,河床允許抗沖流速分別為1.8 m/s～ 2.4m/s、2.9 m/s～ 4.0 m/s、5.0 m/s～ 8.0 m/s,模型砂粒徑分別為0.15 cm～0.30 cm;0.4 cm～0.8 cm、1.2 cm～3.0 cm[2]。試驗按巖層不同抗沖流速選擇的模型砂粒徑分層鋪設。通過試驗研究,溢流堰泄流能力、時均壓力等均滿足要求,但下游消能效果較差[3]。試驗對多個消能工體型進行優(yōu)化,以使挑流水舌分布更均勻、挑距合適且沖刷更小,并通過對水舌和沖坑等特性的觀測來驗證改進結(jié)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(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

當下泄洪水流量2 170m3/s時,堰面水舌扁平,池內(nèi)無反向漩滾體,水深淺,坎后涌浪加劇,左側(cè)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?？材┧嘞戮夗樍鞣较蛴幸婚L約12 m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(qū)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+120 m至下0+400 m為回流區(qū),最大回流流速達5.35 m/s;左岸回流區(qū)范圍小,但強度較大,最大回流流速達5.25 m/s,位于下0+160 m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19.60 m/s,最大岸邊波浪爬高達8.82 m。當下泄洪水流量2 598.4 m3/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[4]。

圖1 樞紐布置平面圖

圖2 窄縫方案消能工結(jié)構(gòu)布置圖

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一消力坎,坎高2.5 m,寬2.5 m。寬尾墩體形參數(shù)見表1。

表1 寬尾墩體型參數(shù)

設置輔助消能工,旨在增加水流阻抗,強迫消能。試驗結(jié)果顯示出有較好的效果,下游流態(tài)較原方案明顯得到改善,池內(nèi)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2 170 m3/s時,二次跌水水位高點和低點分別為484.65 m和481.98 m,跌差2.67 m。河床最大底部流速14.20 m/s,最大波浪爬高為3.06 m;尾坎末2#孔中面底流速分別為11.34 m/s和 16.27 m/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493.80 m,底孔導墻墻頂高程489.0 m,高度明顯不足,消力坎處流速高達26.0 m/s。

1.3 二道壩消能方案

二道壩消能方案在下0+070.50 m處設置二道壩,二道壩末端樁號為下0+092.74 m與護坦連接,護坦末端樁號為下0+112.60m。二道壩壩頂高程481.30 m,結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

試驗表明,在下泄洪水流量2 170 m3/s時,堰面水舌扁平,池內(nèi)形成不穩(wěn)定的淹沒底流水躍流態(tài)。急流在池內(nèi)劇烈轉(zhuǎn)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495.78 m,二次跌水落差達15.96 m。河床最大底部流速9.65 m/s。

圖3 二道壩消能工結(jié)構(gòu)布置圖

1.4 “寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”消能工方案

通過以上方案的試驗研究,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(lián)合消能工。試驗進行了三個體型尺寸的試驗研究,結(jié)構(gòu)尺寸見表2和圖4。

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2 170 m3/s時,兩者的池底流速分別為12.0 m/s和 12.7 m/s;坎頂面底流速分別為 6.91 m/s、9.07 m/s和 7.24 m/s、7.76 m/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(jīng)優(yōu)化擬用Ⅲ體型。

1.4.1 水流流態(tài)

百年一遇洪水流量時,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(cè)進水出現(xiàn)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(cè)收縮。兩側(cè)水面有高差,左低右高,最大高差達1.0 m。兩孔兩側(cè)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(xiàn)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?shù)骺矊蜃饔妹黠@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[5],中部溝淺,在橫斷面上呈“T”形,池內(nèi)涌浪高,坎后二次跌水明顯,跌差達5.74 m～7.59 m?？埠笾髁髌谟野?如下泄設計洪水流量2 446 m3/s,右岸邊最大流速為5.48 m/s,位于右岸下0+250 m,左岸邊最大流速為5.24 m/s,位于下0+200 m;下0+110 m～0+165 m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12.94 m/s,位于下0+160 m;河床最大底部流速為5.52 m/s,位于下0+250 m。流速的分布隨著流程而逐漸均化,于下0+250 m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≤2 170 m3/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(cè)高的“Y”字形;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≤1 030 m3/s時,消能池內(nèi)呈淹沒底流水躍,池底流速小,為7.98m/s,坎后二次跌水差≤3.55 m。

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,大洪水頻率相當小[6]。

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≥1 030 m3/s時,右岸邊坡腳護坦末附近沖坑深度為3.18 m～ 6.25m,后坡比為 1∶3.66～ 1∶5.13,滿足規(guī)范要求。

當下泄流量2 170 m3/s時,受出坎斜向水流二次跌水沖擊旋滾的紊動作用和因邊壁效應產(chǎn)生的環(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467.71 m,位于下0+113m;由于坎下回流的作用,下游帶回不少沙子,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470.31 m,位于下0+113 m,后坡比為1∶3.77,沖坑前坡有堆丘,淤積量較大,但沖坑較淺,后坡比緩,不致于影響壩體的安全。

表2 “寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”聯(lián)合消能工體型參數(shù)

圖4 “寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”聯(lián)合消能工結(jié)構(gòu)布置圖

2 結(jié) 語

通過多個方案試驗成果的比較分析,“寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”消能工方案消能效果最好,很好的解決了工程的消能難題。各方案測試成果見表3。

表3 Q2%=2170m3/s各方案測試成果比較

寬尾墩—消力戽聯(lián)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(shù)低的中小水電站應用中,寬尾墩—消力戽聯(lián)合消能工的應用還值得研究[7]。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(jié)構(gòu)優(yōu)化,提出“寬尾墩+跌坎式消力池+水躍坎”聯(lián)合消能工方案,很好的解決了工程消能難題,可為同類工程提供參考。

[1]廣西水電科學研究院.柬埔寨斯登沃代一級水電站水工模型試驗研究報告[R].南寧:廣西水電科學研究院,2009.

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[3]郭子中.消能防沖原理與水力設計[M].北京:科技出版社,1982.

[4]龐昌俊,冬俊瑞,黃種為.面流消能工程的運行情況分析[C]//劉沛清.水工建筑物消能防沖論文集選.北京:中國科學技術(shù)出版社,2000.

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[7]余子丹.中低水頭寬尾墩聯(lián)合消能工的應用與認識[J].水利水電科技進展,2009,29(2):36-39.

Test Study on Composite Energy Dissipator in Cambodia Stung AtayⅠHydropower Station

YANG Ya-bin
(Guangxi Hydropower Research Institute,Nanning,Guangxi530021,China)

The process of experimental study on hydraulic model in Cambodia Stung AtayⅠHydropower Station is introduced here.Through the repetitive experimental revisions for original design,a better composite energy dissipator scheme of the flaring gate pier and plunge pool and hydraulic jump bucket is put forward to solve the problems of energy dissipation and erosion control.The results show that this scheme could economize the project amount and could be adopted by the station.

flaring gate pier;hydraulic model test;composite energy dissipator

TV653

A

1672—1144(2010)02—0073—04

2010-01-21

2010-03-20

楊亞斌(1981—),男(漢族),陜西白水人,學士,工程師,主要從事水工結(jié)構(gòu)及水力學試驗研究。