安寧水電站溢洪道消能防沖試驗(yàn)研究

趙健飛,王軍海,徐根海,紀(jì)志強(qiáng)

(1.中國水利水電第十四工程局有限公司,云南昆明650041;2.武功縣水利局,陜西武功712200;3.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 工程概況

安寧水電站位于四川省阿壩州境內(nèi)的大渡河干流上,是金川～丹巴河段分三級開發(fā)的第一級電站。安寧水電站以發(fā)電為主,電站裝機(jī)容量380 MW,水庫正常蓄水位2130.00 m,消能防沖水位為2126.00 m,設(shè)計(jì)洪水位為2 130.07 m,校核洪水位2 133.30 m,水庫總庫容1.492億m3。

安寧水電站擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩,泄水建筑物為右岸開敞式溢洪道和右岸岸塔式泄洪洞組成,電站地下廠房位于左岸,由四臺機(jī)組發(fā)電。溢洪道由進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。引渠段開挖成喇叭口狀,使水流平順進(jìn)入溢洪道內(nèi)?？刂贫尾捎肳ES堰,堰頂高程為2 113.50m,設(shè)3孔弧形閘門,單孔凈寬12 m,堰高3.50 m。泄槽長142.75 m,底坡i=10.5%;泄槽采用收縮布置,縮窄后泄槽寬度32.0 m,收縮角為7°;溢洪道采用挑流消能,挑坎頂高程2 090 m,反弧半徑采用80 m,挑角22°。挑坎長度為42.75 m。樞紐布置見圖1,溢洪道體型見圖2。

圖1 安寧水電站樞紐平面布置圖

圖2 安寧水電站溢洪道體型圖

2 原方案試驗(yàn)研究

模型按重力相似準(zhǔn)則[1]設(shè)計(jì),采用正態(tài)模型,幾何比尺Lr=80。試驗(yàn)首先觀測了泄水建筑物的泄流能力,實(shí)測設(shè)計(jì)洪水溢洪道泄量為4 639.84 m3/s,總泄量為6 727.60 m3/s;50 a一遇洪水(消能防沖水位)溢洪道泄量為2 946.55 m3/s,總泄量為4 843.20 m3/s,滿足泄流能力要求。

試驗(yàn)還對原方案設(shè)計(jì)水位工況以及消能防沖水位工況泄水建筑物的流速、壓力、水面線等進(jìn)行了量測,發(fā)現(xiàn)泄洪洞水力參數(shù)分布正常,設(shè)計(jì)合理。溢洪道主要存在以下問題:

(1)進(jìn)口引渠流態(tài)不好,左邊墻進(jìn)口有繞流影響,過堰水流不均。

(2)由于閘后收縮的影響,控制段末中墩后有不同程度的水冠,泄槽段折沖水流突出。

(3)由于下游水深較大,未能形成挑流消能流態(tài),出口水流與下游河道水流銜接不佳,下游河道回流嚴(yán)重,河道沖淤范圍大、沖坑深。

針對以上問題,修改方案對溢洪道進(jìn)口左導(dǎo)墻進(jìn)行加長以及圓弧化,從而改善了進(jìn)口條件,使水流較為平順的進(jìn)入控制段;中墩后設(shè)置漸縮收尾墩,消除了水冠;對于消能段,修改首先按照設(shè)計(jì)意圖,即以挑流、面流或混合流流態(tài)[2]消能方式進(jìn)行的。經(jīng)過多次試驗(yàn),其中包括挑坎加高、大導(dǎo)向扭曲鼻坎、連續(xù)坎戽池、差動坎戽池、連續(xù)坎戽池+消力墩、泄槽段設(shè)置大臺階、導(dǎo)向分流鼻坎、分流式挑流鼻坎、邊墻折流坎等,雖然有的方案能滿足50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),但設(shè)計(jì)洪水及以上工況都較難滿足消能防沖要求,故需要選擇合適的消能方式,以滿足低水頭、大單寬消能要求[3]。

根據(jù)原方案以及修改方案實(shí)測流量、流速、沖淤深度以及挑坎段佛汝德數(shù)(2.5左右)等水力要素,并結(jié)合電站自身特點(diǎn),考慮利用底流消能工可以較好地解決安寧溢洪道的消能防沖問題。

3 折坡消力池試驗(yàn)研究

受地形、地質(zhì)條件以及工程經(jīng)濟(jì)性的影響,消力池的長度明顯不足,故考慮采用折坡消力池來形成水躍消能。折坡消力池方案體型見圖3,最大池長55 m,折坡坡度為1∶3。

圖3 折坡消力池體型圖

試驗(yàn)結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)水位工況和消能防沖水位工況折坡消力池方案均能形成水躍消能,且能滿足設(shè)計(jì)要求,但低佛氏數(shù)水躍[4]消能率較低。故常在消力池中加設(shè)一些輔助消能工,從而使消力池的性能得到改善[5],提高消能率。

在折坡消力池基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行體型優(yōu)化并增設(shè)一定的輔助消能工,見圖4。圖4中(a)為消力池底板抬高5 m,池長增加了14.45 m,(b)為消力池內(nèi)布置兩排消力墩,(c)為護(hù)坦末端加設(shè)尾坎。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),修改體型(a)、(b)、(c)在各級工況下均能形成水躍消能,但對于折坡消力池方案以及(a)、(b)體型,出池水流較集中,對岸邊沖刷嚴(yán)重,沖坑較深。體型(c)加設(shè)尾坎后,相當(dāng)于一個(gè)二級消力池,一部分水流經(jīng)由坎頂流出,一部分由護(hù)坦左邊缺口流出,到達(dá)主河槽位置,形成沖坑較淺,且遠(yuǎn)離岸坡?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)水位(2 130.07 m)工況折坡消力池方案以及修改體型圖4(a)、(b)、(c)的消能率進(jìn)行對比,見表1。

圖4 折坡消力池修改方案體型

表1 安寧折坡消力池消能率對比表

根據(jù)表1可知,折坡消力池體型(b)的消能率最高,可達(dá)48%,但根據(jù)下游河道流態(tài)以及沖淤情況顯示,原方案以及體型(a)、(b)的河道下游沖坑最深點(diǎn)均在2 060.0 m左右,而體型(c)河道下游沖坑最深點(diǎn)為2 067.2 m,提高了7.2 m,消能率也可達(dá)42%。

泄槽段是由緩坡變陡坡,連接段最好能采用拋物線連接[6]。以避免水流底面產(chǎn)生負(fù)壓,招致空穴水流,并力求減小表面的接觸壓力。但是,經(jīng)過計(jì)算,如果采用拋物線連接,消力池長度將會進(jìn)一步縮短,而且陡坡的坡比將會發(fā)生變化,對于消力池內(nèi)的流態(tài)將會引起很大變化,加之地形、地質(zhì)條件不允許消力池向后加長,故采取擬合的方法,利用相切圓代替,最終確定圓的半徑為112 m,可作為推薦方案。

對推薦方案各工況的水力參數(shù)量測發(fā)現(xiàn),雖然圓弧漸變段有一定的負(fù)壓,但其值較小,在允許范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)水位池內(nèi)最大流速約為20 m/s,對消力墩穩(wěn)定基本無影響。其余水力參數(shù)分布正常。

4 結(jié) 語

通過模型試驗(yàn),對安寧水電站溢洪道原方案進(jìn)行體型修改和優(yōu)化,解決了以下問題:

(1)對溢洪道進(jìn)口喇叭口的修改,使水流能平順導(dǎo)入控制段,閘孔過水均勻;

(2)漸縮收尾墩的設(shè)置消除了水冠,緩解了閘后收縮的影響,但仍存在突出的折沖水流;

(3)圓弧連接段是在拋物線擬合的基礎(chǔ)上確定的,能有利于緩解負(fù)壓的出現(xiàn),改善了進(jìn)池水流流態(tài);

(4)推薦方案的消力池長度較短,在各水位工況下均能形成水躍消能,滿足消能防沖要求。

對于低佛汝德數(shù)(Fr＜4.5)的水利工程,其水躍消能率一般為20%～40%[7]。針對安寧水電站溢洪道折坡消力池的研究發(fā)現(xiàn):如果對于輔助消能工設(shè)計(jì)得當(dāng),不僅可以減少開挖量,降低工程投資,還可以提高消能率,減小下游河道沖刷,改善下游河道流態(tài)。

[1]呂宏興.水力學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002:432-433.

[2]郭子中.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1982:9-10.

[3]汪 振,黃 維,何世海,等.云南某水電站泄洪消能設(shè)計(jì)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2007,5(3):64-67.

[4]李夢成,童海鴻.低佛氏數(shù)底流消能輔助消能工模型試驗(yàn)分析[J].人民黃河,2011,33(9):144-145.

[5]劉美茶.卡爾達(dá)拉水電站折坡消力池消力墩試驗(yàn)研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010:1-2.

[6]中華人民共和國水利部.SL 253-2000.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2000:62-63.

[7]陳俊英.低水頭引水工程消能措施試驗(yàn)研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2005:1-2.