寬尾墩對(duì)官地水電站底流消能影響的試驗(yàn)研究

高 鵬， 申 滿 斌

(1.四川二灘建設(shè)咨詢有限公司，四川成都 610051;2.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051)

1 概述

官地水電站系雅礱江下游河段水電規(guī)劃五級(jí)開發(fā)方式的第三個(gè)梯級(jí)電站，主要任務(wù)是發(fā)電，總裝機(jī)容量為2 400 MW。電站樞紐主要由攔河碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。碾壓混凝土重力壩最大壩高168 m，自左至右依次布置左岸擋水壩段、河床溢流壩段及右岸擋水壩段。泄洪建筑物由壩身的5個(gè)溢流表孔和兩個(gè)泄洪放空中孔組成，下游消能采用底流消能形式。官地水電站設(shè)計(jì)洪水泄洪流量為14 000 m3/s，消力池底板以上最大水頭139.65 m，入池單寬流量147.4 m3/s·m，入池單寬泄洪功率146 MW;校核洪水泄洪流量15 500 m3/s，消力池底板以上最大水頭142.21 m，入池單寬流量163.1 m3/s·m，入池單寬泄洪功率 164 MW;具有大落差、高流速、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點(diǎn)，其泄洪底流消能防沖的規(guī)模和技術(shù)難度在國(guó)內(nèi)外居前列［1］。

在國(guó)內(nèi)外已有的、采用高壩大流量泄洪消能的工程中，消力池水流形態(tài)不佳、流態(tài)不穩(wěn)、底板出現(xiàn)不同程度甚至嚴(yán)重破壞的事例不少，其破壞的原因均與消力池臨底水力學(xué)指標(biāo)過(guò)高有直接聯(lián)系。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，寬尾墩聯(lián)合消能工在我國(guó)得到了蓬勃發(fā)展并在多個(gè)大中型工程中得到應(yīng)用［2、3］。在官地水電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，開展了有、無(wú)寬尾墩的對(duì)比研究。通過(guò)局部水工模型試驗(yàn)，選擇校核洪水工況與消能洪水工況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，研究堰面及消力池內(nèi)流態(tài)、消力池內(nèi)水面線、堰面和消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)的沿程分布、消力池內(nèi)臨底流速沿程分布等，用以分析寬尾墩對(duì)消能效果的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾们闆r見圖1。

2 堰面及消力池內(nèi)流態(tài)和水面線

(1)流 態(tài)。

無(wú)寬尾墩情況下，水流出閘墩后迅速擴(kuò)散，進(jìn)入反弧段后，在離心力作用下，水流擴(kuò)散更加充分。在不同頻率洪水下，消力池內(nèi)均呈現(xiàn)二元水躍的水流流態(tài)。水流出跌坎后，主流迅速潛底，跌坎下游局部范圍內(nèi)的橫軸漩渦穩(wěn)定而強(qiáng)烈，整個(gè)消力池上部基本上為反向流動(dòng)。由于消力池較短，水流沖擊尾坎，致使水流產(chǎn)生向上的流速分量，造成尾坎處流態(tài)不佳，尾坎前后水位落差較大，水流銜接不甚順暢，在校核洪水工況下尤為明顯。

在有寬尾墩的情況下，由于寬尾墩的收縮作用，表孔溢流水體迅速束窄壅高，在主體水流上部形成擴(kuò)散水翅，在主體水流底部，水流出寬尾墩后向兩側(cè)擴(kuò)散。水流進(jìn)入消力池后，在消力池內(nèi)形成了典型的三元水躍流態(tài)。消力池上部水流呈現(xiàn)前半部分為正向流動(dòng)，后半部分為反向流動(dòng)的特點(diǎn)。跌坎下游局部范圍內(nèi)的橫軸漩渦雖然也比較強(qiáng)烈，但具有一定的間歇性。

(2)消力池內(nèi)水面線。

在消能洪水工況有、無(wú)寬尾墩的情況下，消力池內(nèi)水面線基本相當(dāng);在校核洪水工況下，兩種體型在消力池中、前區(qū)域最高水面線基本相當(dāng)，但在尾坎處相差較大，無(wú)寬尾墩體型高出有寬尾墩約4 m左右;無(wú)寬尾墩體型的水面線在尾坎前的水位升幅梯度明顯大于有寬尾墩的水位升幅梯度，說(shuō)明無(wú)寬尾墩體型的水流對(duì)尾坎的沖擊強(qiáng)度明顯大于有寬尾墩布置，造成流速垂向分量更大，致使水面升高。各工況下有、無(wú)寬尾墩時(shí)的水面線測(cè)量結(jié)果見圖2。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾檬疽鈭D

由流態(tài)和水面線可以看出:(1)無(wú)寬尾墩情況下，跌坎下游局部范圍內(nèi)的橫軸漩渦穩(wěn)定而強(qiáng)烈;(2)在有寬尾墩情況下，跌坎下游局部范圍內(nèi)橫軸漩渦的強(qiáng)度有所減弱，并表現(xiàn)出一定的間歇性。無(wú)寬尾墩情況下，消力池尾坎前后水面落差較大，出池水流與下游水面銜接不夠順暢;在有寬尾墩情況下，水流流態(tài)良好。流量越大，差距越明顯。

3 堰面和消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)

從消力池內(nèi)水流流態(tài)與沿程水面線分布情況看，在有、無(wú)寬尾墩時(shí)，主要是在校核洪水工況下差異比較明顯，而在消能洪水工況下差別不甚明顯。因此，以下主要針對(duì)校核洪水工況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

(1)校核洪水工況溢流表孔中心線和閘墩中心線的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果表明:有、無(wú)寬尾墩時(shí)，壩面上游曲線段(樁號(hào)0+16之前)時(shí)均壓強(qiáng)量值基本相當(dāng)，并均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。由于寬尾墩的作用，有寬尾墩時(shí)壩面曲線段0+16至0+40的壩面時(shí)均壓強(qiáng)明顯大于無(wú)寬尾墩的壩面時(shí)均壓強(qiáng)，脈動(dòng)壓強(qiáng)沒(méi)有明顯變化。

(2)無(wú)寬尾墩時(shí)斜坡段的壩面時(shí)均壓強(qiáng)略大于有寬尾墩時(shí)的壩面時(shí)均壓強(qiáng)，沒(méi)有明顯變化。

(3)無(wú)寬尾墩體型水流橫向擴(kuò)散充分，但兩種體型壩面反弧段的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)在溢流中心線、閘墩中心線上均基本相當(dāng)。

(4)位于溢流表孔中線和閘墩中心線處的跌坎測(cè)壓點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果顯示，無(wú)寬尾墩的時(shí)均壓強(qiáng)小于有寬尾墩的時(shí)均壓強(qiáng)，而脈動(dòng)壓強(qiáng)則相反，說(shuō)明無(wú)寬尾墩的水流在壩面末端擴(kuò)散十分充分，水流在跌坎上分布比較均勻;而有寬尾墩的水流在跌坎上主要集中在溢流表孔中心線處，沿跌坎橫向分布不均勻。

(5)有、無(wú)寬尾墩時(shí)在消力池底板上的時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致，量值相差較小。但是脈動(dòng)壓強(qiáng)二者相差較大，無(wú)寬尾墩體型的消力池脈動(dòng)壓力峰值區(qū)域大于有寬尾墩的。

綜觀壩面和消力池底板的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)，壩面的時(shí)均壓強(qiáng)分布和脈動(dòng)壓強(qiáng)分布受有、無(wú)寬尾墩的變化影響較小;脈動(dòng)壓強(qiáng)整體上表現(xiàn)為無(wú)寬尾墩體型明顯大于有寬尾墩體型，二者在溢流表孔中心線和閘墩中心線處的相差分別達(dá)到40%和90%;在消力池底板上的時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律一致，脈動(dòng)壓力最大值為:無(wú)寬尾墩體型明顯大于有寬尾墩體型，二者的最大值相差近30%;同時(shí)，無(wú)寬尾墩體型的脈動(dòng)壓力梯度比有寬尾墩體型大65%左右。

圖2 有、無(wú)寬尾墩情況下消力池內(nèi)水面線分布示意圖

4 消力池臨底流速

對(duì)校核洪水工況距離底板0.45 m和0.9 m兩點(diǎn)進(jìn)行了臨底流速測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見圖3。

(1)不管是無(wú)寬尾墩體型，還是有寬尾墩體型，在消力池臨底流速沿程分布規(guī)律是一致的，即水流出跌坎后向底部潛入，在跌坎附近形成渦流，臨底流速為反向流速;然后在水流潛底處，流速形成駐點(diǎn)，由反向流速向正向流速迅速轉(zhuǎn)變，在尾坎附近降低到0左右。對(duì)于校核洪水，消力池底部在樁號(hào)0+150～0+220范圍基本上均處于高流速區(qū)，流速介于15～17 m/s，流速沿程降低較小。

(2)具體而言，無(wú)寬尾墩時(shí)消力池內(nèi)的最大臨底流速為18 m/s，有寬尾墩時(shí)的最大臨底流速為17 m/s，兩者基本相當(dāng);無(wú)寬尾墩體型在跌坎下形成的渦流明顯強(qiáng)于有寬尾墩的。在樁號(hào)0+138.875～0+147.875 范圍內(nèi)，無(wú)寬尾墩體型臨底流速的流速梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有寬尾墩體型的。

5 結(jié)語(yǔ)

局部模型試驗(yàn)結(jié)果表明:

圖3 校核水位消力池內(nèi)流速沿程分布示意圖

(1)從水流流態(tài)看，有寬尾墩布置方案明顯優(yōu)于無(wú)寬尾墩布置方案。無(wú)寬尾墩情況下，由于消力池內(nèi)為典型的二元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內(nèi)的橫軸漩渦穩(wěn)定而強(qiáng)烈;有寬尾墩情況下，由于消力池內(nèi)為典型的三元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內(nèi)橫軸漩渦的強(qiáng)度有所減弱，并表現(xiàn)出一定的間歇性;另一方面，無(wú)寬尾墩情況下，尾坎前后水面落差較大，出池水流與下游水面銜接不夠順暢;在有寬尾墩情況下，水流流態(tài)良好。

(2)對(duì)消力池內(nèi)時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)而言，有寬尾墩優(yōu)于無(wú)寬尾墩。

(3)雖然有、無(wú)寬尾墩時(shí)在消力池內(nèi)的最大流速基本相當(dāng)，但在跌坎下的流速分布和流速梯度變化上，無(wú)寬尾墩體型的變化更加劇烈，紊動(dòng)強(qiáng)度更高，因此，從流速的角度分析，有寬尾墩優(yōu)于無(wú)寬尾墩。

綜合比較流態(tài)、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)、流速等因素，有寬尾墩體型對(duì)于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)的安全性優(yōu)于無(wú)寬尾墩體型。

［1］吳世勇，姚 雷.雅礱江官地水電站大壩泄洪消能型式選擇［J］.四川水力發(fā)電，2009，28(增1):78 －81，134.

［2］謝省宗，李世琴，等.寬尾墩聯(lián)合消能工在我國(guó)的發(fā)展［J］.紅水河，1995，14(3):3 －11.

［3］謝省宗，李世琴，等.寬尾墩聯(lián)合消能工在我國(guó)的發(fā)展(續(xù))［J］.紅水河，1996，15(1):24－30.