桂花水電站摻氣分流墩與消力池聯(lián)合應(yīng)用消能效果的研究

張應(yīng)亮

（陜西省旬陽(yáng)縣水電局,陜西 旬陽(yáng) 725700）

1 問(wèn)題的提出

桂花水電站工程地處旬陽(yáng)縣桂花鄉(xiāng)境內(nèi)，位于漢江南岸一級(jí)支流壩河的下游。本工程為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，引水式電站。水庫(kù)總庫(kù)容3252萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容2236m3。樞紐建筑物包括擋水及泄水建筑物，引水建筑物、發(fā)電站廠房及開(kāi)關(guān)站三部分。擋水及泄水建筑物由大壩、溢流壩頂泄水閘及排沙底孔組成。大壩布置在河谷狹口上游40m處，為漿砌石單曲拱壩。水電站裝機(jī)容量2×6000kW，保證出力2453kW，多年平均發(fā)電量4499萬(wàn)kWh，年利用小時(shí)數(shù)3479h。

桂花水電站溢流壩體型布置如圖1所示，為溢流拱壩。壩高55.5m，大壩設(shè)計(jì)洪峰流量1550m3/s（p＝2%）， 校核洪峰流量 2150m3/s(p=0.2%)。正常蓄水位294.00m，相應(yīng)的下游水位為255.5m；設(shè)計(jì)水位294.655m，相應(yīng)的下游水位為256.26m；校核水位296.195m，相應(yīng)的下游水位為258.17m；死水位279.00m。壩頂弧長(zhǎng)57m，溢流壩壩頂高程為288.0m，非溢流壩壩頂高程為296.50m。

對(duì)此布置的水流流態(tài)和水舌落點(diǎn)處的流速分布進(jìn)行了觀測(cè)[1]，水流流態(tài)如圖2所示（照片）?？梢钥闯?，由于溢流壩斷面沿程縮窄，水流流態(tài)受斷面縮窄影響，同時(shí)受拱壩向心力影響，水流沿程不斷縮窄；當(dāng)水流落入下游河床時(shí)，水舌集中，實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)水位情況下水舌寬度為20.4m，校核水位時(shí)為28.8m。落點(diǎn)水舌寬度比溢流壩出口寬度大大減小，設(shè)計(jì)水位減少了45%，校核水位減小了23%。

水舌落入河床后，在落點(diǎn)處摻入大量空氣。但同時(shí)也可以看到，水舌落入河床后偏向左岸流動(dòng)，右岸為回流區(qū)。而且主流寬度沿程減小。這種流態(tài)對(duì)左岸河床會(huì)產(chǎn)生較大的沖刷。而左岸河床在水舌落點(diǎn)下游約200m范圍內(nèi)岸坡為土坡，泄流時(shí)將會(huì)造成土坡坍塌，形成滑坡危及岸邊的安全。水舌落點(diǎn)處左岸水流翻滾大，水面波動(dòng)劇烈，水舌外緣距左岸很近，泄洪時(shí)會(huì)對(duì)左岸造成不利影響。

根據(jù)下游河床的流速分布，本研究在整體水工模型的下游河床上布置若干測(cè)點(diǎn)。流速測(cè)點(diǎn)的布置以拱壩軸線(xiàn)為基線(xiàn)分為平行的三條，每?jī)蓷l線(xiàn)之間的距離為18m，在每條線(xiàn)上每隔40m布置一個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

測(cè)點(diǎn)的流速分布如圖4所示。可以看出，在水舌落點(diǎn)處附近 （設(shè)計(jì)水位落點(diǎn)距壩出口的距離為39.45m，校核水位時(shí)為40.35m）流速大。最大流速由2＃測(cè)點(diǎn)測(cè)得，在設(shè)計(jì)水位時(shí)為27m/s，在校核水位為27.96m/s。3＃測(cè)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)水位時(shí)為21.14m/s，在校核水位時(shí)為23.4m/s；4＃測(cè)點(diǎn)以后流速急劇下降，最大流速為10～12m/s左右。由此可見(jiàn)在水舌落點(diǎn)附近，高速水流急劇沖擊河床，這是造成下游河床沖刷的主要原因。原型河床的抗沖流速只有5.0m/s，而實(shí)際落點(diǎn)處的流速約為抗沖流速的6倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗沖流速。尤其要注意的是，由于主流在左岸，左岸流速大，而左岸又有約200m長(zhǎng)的一段土坡，一旦泄洪，勢(shì)必造成左岸的嚴(yán)重沖刷，甚至造成滑坡。

2 摻氣分流墩與消力池聯(lián)合應(yīng)用消能效果的研究

由上述試驗(yàn)可以看出，由溢流拱壩下泄的水流偏向左岸，水舌集中，水舌落點(diǎn)附近流速大，對(duì)下游河床的沖刷能力大。為了改善水流流態(tài)和減小對(duì)下游河床的沖刷，試驗(yàn)采用差動(dòng)坎方案和摻氣分流墩方案進(jìn)行比較，結(jié)果證明，摻氣分流墩方案大大改善了水流流態(tài)，使水流偏向左岸的現(xiàn)象大為減弱，下游河床沖刷高程也比差動(dòng)坎方案提高了5m左右。因此，提出采用摻氣分流墩與消力池聯(lián)合應(yīng)用，以保證大壩的安全運(yùn)行。

2.1 摻氣分流墩的設(shè)置

摻氣分流墩設(shè)施是由摻氣分流墩墩頭、劈流頭、側(cè)墻挑坎、底部摻氣坎以及支墩組成[2]，如圖5所示。由圖中可以看出，在每孔溢流面設(shè)置了2個(gè)摻氣分流墩，墩高為6.6m，墩厚為0.96m，墩寬為1.206m。墩的前部為圓弧形，后部為梯形，劈流頭為三角形，在墩子的后部設(shè)有支墩。分流墩和底部摻氣坎的作用是將集中下泄的水流分成多股挑射水流；劈流頭的作用是將墩頭頂部的水流分開(kāi)；側(cè)墻挑坎的作用是水流流過(guò)側(cè)墻挑坎時(shí)，水流向內(nèi)收縮，在側(cè)墻的背后形成空腔；支墩的作用是支撐摻氣分流墩，保證摻氣分流墩的穩(wěn)定性。這樣，就使整個(gè)水流的底部、頂部和側(cè)面都處于大氣中，形成了四面臨空的、充分?jǐn)U散的摻氣水流。

在分流墩的布置上，采用中孔，2、4孔和1、5孔的摻氣分流墩的設(shè)置位置各不相同，這樣設(shè)置的目的是為了使水流縱向分散時(shí)落入不同的位置，從而減少入水單寬流量，減輕對(duì)下游河床的沖刷。

2.2 消力池的設(shè)計(jì)[3]

消力池長(zhǎng)度為75m，消力池的軸線(xiàn)以拱壩的壩軸線(xiàn)為準(zhǔn)，右岸消力池的進(jìn)口寬度為21m，出口寬度為25.5m，擴(kuò)散角為3.434°，消力池的邊墻為直墻。左岸的消力池邊墻按照左岸的山體布置，為了使水舌全部落入消力池，消力池的進(jìn)口寬度為21.0m，向下游21.4m處的寬度從21.0m逐漸縮窄為14.4m，然后消力池向左擴(kuò)散，出口擴(kuò)散寬度為18m。在消力池進(jìn)口向下游41.2m消力池的邊墻為直墻，再向下游16m為一過(guò)渡段，過(guò)渡段用扭面連接，扭面下游為一斜墻，其坡度為1：1。為了穩(wěn)定水躍和增加消能效果，在消力池中布置了6個(gè)T型墩，T形墩布置在水舌沖擊區(qū)，此處流速較大，但由于摻氣分流墩水舌挾帶了大量的空氣，T型墩估計(jì)不會(huì)發(fā)生空蝕破壞，但為了安全起見(jiàn)，T型墩墩頭的前部做成流線(xiàn)型，尾部做成擴(kuò)散形，以增加抗空化的能力；消力池及T型墩的布置和剖面如圖6、圖7所示。

3 摻氣分流墩與消力池聯(lián)合應(yīng)用的消能效果

3.1 摻氣分流墩的水流流態(tài)

摻氣分流墩的水流流態(tài)如圖8所示 （照片）。由圖中可以看出，當(dāng)水流通過(guò)分流墩時(shí)，分流墩將水流分成20股分散水舌，每股水流都遵循自己的運(yùn)動(dòng)軌跡流動(dòng)，在空中互相碰撞，摻混。分流墩上部的劈流頭將分流墩頭部的水流劈開(kāi)，在分流墩的背后有明顯的空腔。分流墩底部的摻氣挑坎將溢流壩底部的水流挑起，在其底部形成空腔。側(cè)墻挑坎使得水流向內(nèi)稍有收縮，在其背后形成摻氣通道，摻氣通道與底部摻氣挑坎下的空腔形成通路，整個(gè)分流墩的頂部、底部和側(cè)面都處于空腔中，使空氣源源不斷的摻入水流中。

3.2 消力池的水流流態(tài)

消力池的水流流態(tài)如圖9所示，可以看出，水舌落入消力池后，水流縱向擴(kuò)散較大，主流稍偏向左岸。當(dāng)水舌潛入消力池的底部時(shí)，由于慣性作用水流反彈，并向兩邊擴(kuò)散。擴(kuò)散水流受底部?jī)膳臫型墩的阻礙作用，減弱了水流的擴(kuò)散能力，使得兩邊墻處水流翻卷較不加T型墩時(shí)大為減弱；由于左岸向右凸出，使得左岸水舌落點(diǎn)處的水面波動(dòng)較大，最大波動(dòng)約2.5m。落點(diǎn)以后左岸水流沿扭面和斜坡流動(dòng)，右岸水流波動(dòng)較小，水面比較平穩(wěn)。

校核水位時(shí)，池后水流有竄升現(xiàn)象，但消力池基本滿(mǎn)足消能要求。設(shè)計(jì)水位和正常水位時(shí)水舌落點(diǎn)后水流比較平穩(wěn)，消力池后水位落差小。

3.3 下游河床的沖刷效果

設(shè)計(jì)水位、校核水位和正常水位的下游河床的沖刷效果見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)水位的沖刷結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，各水位情況下沖深高程均高于消力池的底板高程，說(shuō)明采用消力池和摻氣分流墩聯(lián)合消能效果是非常顯著的。

4 結(jié)語(yǔ)

拱壩消能的主要問(wèn)題是水舌沿程集中，單寬流量大，沖擊點(diǎn)流速大，壓強(qiáng)大，對(duì)下游河床的沖刷能力強(qiáng)。本工程采用摻氣分流墩與消力池聯(lián)合消能，可以有效分散水流、充分摻氣，具有顯著的消能效果，解決了桂花水電站的拱壩消能問(wèn)題。摻氣分流墩設(shè)施在拱壩上應(yīng)用，在我國(guó)尚屬首次，由于其顯著的消能效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張志昌.桂花水電站水工模型試驗(yàn)[R].西安:西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,2005.35-61

[2]閻晉垣,唐允吉,郭天德.柘林摻氣分流墩設(shè)施的研究[J].水利學(xué)報(bào),1988(12).46-50

[3]吳持恭.水力學(xué)下冊(cè)[M].第2版.北京:高等教育出版社,1982.28-36