山口水電站泄流能力及消能方式研究

潘旭東,郭 宇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊830000)

山口水電站工程位于新疆某河干流梯級(jí)開發(fā)的最末一級(jí),工程任務(wù)為發(fā)電和上游梯級(jí)電站的發(fā)電反調(diào)節(jié)。工程采用混合壩,樁號(hào)0+000 m～0+496 m為碾壓混凝土重力壩段,樁號(hào)0+496 m～0+963.1 m為粘土心墻壩段,利用重力壩布置電站進(jìn)水口、泄水建筑物,廠房位于壩后右岸階地,尾水渠沿右岸階地并向下游延伸887 m投入河道,最大壩高51 m,裝機(jī)容量140MW,保證出力40MW,多年平均年發(fā)電量5.7×108kW·h,工程規(guī)模屬大(2)型,工程等別為 Ⅱ等。校核洪水位914.5 m,總庫容1.21×108m3,設(shè)計(jì)洪水位912 m,正常蓄水位912 m,死水位905 m,死庫容0.55×108m3。

洪水標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201-94[1]及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000[2],經(jīng)上游水庫調(diào)蓄后,大壩、泄水建筑物、電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇洪峰流量為1 563 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2 000 a一遇洪峰流量為3 891 m3/s;導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn):圍堰擋水階段P=10%全年洪水洪峰流量為800 m3/s,壩體度汛階段P=5%全年洪水洪峰流量為1200 m3/s[1-2]。水文氣象:工程區(qū)多年平均氣溫8.8℃,極端最高氣溫39℃,極端最低氣溫-32.0℃,多年平均降水量334.02 mm,多年平均蒸發(fā)量1 961.04 mm,最大風(fēng)速24.0 m/s,最大凍土深度80 cm。

泄水建筑物地質(zhì)條件:壩線河谷呈不對(duì)稱“U”型寬淺谷,左岸河谷自然坡度40°～50°,右岸階地后緣45°～50°,河床寬237m,右岸Ⅱ級(jí)階地寬600 m～700 m,泄水建筑物出口消能區(qū)左岸I級(jí)階地覆蓋層厚度一般為5.9m～7.4 m,自上而下覆蓋層巖性為:坡洪積碎石土厚0～8 m,洪積低液限粉土厚0～1.6m,沖積低液限粉土厚0.8 m～2.8 m,沖積砂卵礫石層厚3.5 m～5 m;河床段覆蓋層厚度一般為0.8 m～2.3 m,為沖積砂卵礫石層,基巖巖性為砂巖、礫巖和泥質(zhì)粉砂巖互層抗沖刷能力弱,弱風(fēng)化層按水流抗沖性能分類屬Ⅲ類,基巖沖刷系數(shù)k=1.2～1.5,基巖抗沖流速為:強(qiáng)風(fēng)化層抗沖流速0.3 m/s、弱風(fēng)化上部抗沖流速2.5 m/s、弱風(fēng)化下部抗沖流速2.8 m/s、新鮮基巖抗沖流速3.5 m/s。

近年來消能方式有了很多創(chuàng)新:如河北潘家口、遼寧白石水庫分別采用了寬尾墩和異形寬尾墩挑流消能,安康、巖灘、五強(qiáng)溪等工程采用了寬尾墩(異形寬尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩)方式的組合消能[3]。本工程泄水建筑物具有大流量、低水頭的特點(diǎn),國內(nèi)類似工程遼寧觀音閣水庫碾壓混凝土重力最大壩高82m,12個(gè)溢流表孔、2個(gè)放水底孔均采用挑流消能;遼寧白石水庫碾壓混凝土重力壩最大壩高47.3 m,11個(gè)溢流表孔、12個(gè)泄洪排沙底孔均采用挑流消能;因此原設(shè)計(jì)方案泄水建筑物出口采用挑流消能。

1 泄水建筑物

泄洪底孔壩段樁號(hào)0+090 m～0+111 m(6#壩段),壩段寬度21.0 m,由一孔永久泄洪底孔、一孔臨時(shí)泄洪底孔組成。永久底孔進(jìn)口設(shè)有一道平板事故門,孔口尺寸6.0 m×7.5 m,底板高程876.0 m。洞身段為矩型斷面,長(zhǎng)15.5 m,斷面尺寸為6.0 m×7.5 m(寬×高)。出口壓坡段長(zhǎng)9.0 m,壓坡坡度1∶6.0。出口設(shè)一道弧形工作門,孔口尺寸為6.0 m×6.0 m,底板高程876.0 m。出口閘井后接一20.0 m長(zhǎng)的明渠段,下游采用挑流加護(hù)坦、防沖墻的消能方式,見圖1。

表孔壩段布置在主河床靠左岸側(cè)的12#、13#兩個(gè)壩段內(nèi),壩段樁號(hào)為0+185 m～0+236 m,壩段總寬度51 m。溢流表孔設(shè)4孔,溢流堰頂高程902 m,每孔凈寬8 m,每?jī)煽滓粋€(gè)壩段。出口消力池順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m處設(shè)置一條通長(zhǎng)的消力坎。護(hù)坦段長(zhǎng)20 m,寬70 m,在護(hù)坦末端及左右邊側(cè)均設(shè)有深齒墻,見圖2。

圖1 泄洪底孔體型圖

圖2 溢流表孔體型圖

泄洪底孔和溢流表孔在各種工況下泄流量見表1。

表1 泄水建筑物泄量表

2 泄水建筑物的泄流能力及消能

本工程底孔和表孔泄流能力、水面線和消能首先通過分析計(jì)算,泄洪底孔泄流能力采用有壓流的泄流公式計(jì)算,溢流表孔按WES堰堰流公式計(jì)算。底孔挑流消能和表孔底流消能采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)附錄A中的公式計(jì)算。

本工程通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,模型幾何比尺為1∶50,按照重力相似準(zhǔn)則,模型設(shè)計(jì)為正態(tài)模型。模型范圍包括庫區(qū)、泄水建筑物(4個(gè)表孔、兩個(gè)底孔)、電站引水管道及下游河道800 m,選用有機(jī)玻璃為模型材料,泄水建筑物下游河床采用動(dòng)床,根據(jù)河道地形圖及基巖的抗沖流速,選擇模型砂,鋪設(shè)動(dòng)床地形。

2.1 泄流能力

泄洪底孔采用1孔,事故門孔口尺寸為6.0 m×7.5 m,工作門孔口尺寸為6.0 m×6.0 m。泄流能力采用有壓流的泄流公式[4]計(jì)算并經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證基本能滿足設(shè)計(jì)要求,見表2。

溢流表孔設(shè)4孔,溢流堰頂高程902 m,每孔凈寬8 m,按WES堰堰流公式[5]計(jì)算并經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證基本能滿足設(shè)計(jì)要求,見表2。

表2 泄水建筑物設(shè)計(jì)泄量與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量對(duì)比表

2.2 水流流態(tài)

2.2.1 泄洪底孔水流流態(tài)

通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證底孔洞身各部位均未產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng),說明其體型和尺寸是合理的。

底孔出口泄槽水面線采用分段求和法逐段推算,模型試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算基本相同,見表3。

表3 泄洪底孔設(shè)計(jì)與模型試驗(yàn)水面線對(duì)比表

2.2.2 溢流表孔水流流態(tài)

水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)和校核工況下,溢流表孔進(jìn)口流態(tài)和過閘水流均較平順。在門槽附近,沿閘墩有一定的側(cè)收縮,從而使過水?dāng)嗝嫠鞒尸F(xiàn)中間高、閘墩壁附近水面低的現(xiàn)象。邊墩的側(cè)收縮要大于沿中墩的側(cè)收縮。

水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明:表孔設(shè)計(jì)工況下閘門全開時(shí),堰面曲線堰頂樁號(hào)0-004 m和樁號(hào)0+007 m附近產(chǎn)生負(fù)壓,但最大負(fù)壓強(qiáng)值為-0.1 m(-0.000984 MPa),小于規(guī)范的規(guī)定[4]“設(shè)計(jì)洪水閘門全開時(shí)堰頂負(fù)壓不得大于0.03 MPa”。校核工況下閘門全開時(shí),堰面曲線堰頂樁號(hào)0-004 m～0+010m附近有一低壓區(qū),最大負(fù)壓強(qiáng)值為-2.3 m(-0.022626 MPa),小于規(guī)范規(guī)定的“校核洪水閘門全開時(shí)堰頂負(fù)壓不得大于0.06 MPa”[4]。其余部位均為正壓。

采用分段求和法推求溢流壩面不摻氣水面線,并與模型試驗(yàn)比較,見表4。

模型試驗(yàn)樁號(hào)0+000 m處水深,流速和摻氣水深較接近,樁號(hào)0+018 m和樁號(hào)0+036 m處出入較大。分析原因,設(shè)計(jì)計(jì)算值未考慮消力坎的壅水作用和消力池水躍影響,故高程越低流速越大,水深越淺。但無論是模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值或設(shè)計(jì)計(jì)算摻氣水深值,均比相應(yīng)斷面的閘墩高度低,即模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)或設(shè)計(jì)計(jì)算水面線均低于相應(yīng)斷面的閘墩頂部高程,且有一定的安全超高。

表4 溢流表孔水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)水面線與設(shè)計(jì)計(jì)算水面線對(duì)比表

2.3 出口消能

2.3.1 泄洪底孔出口消能

泄洪底孔出口采用挑流消能,校核洪水時(shí)計(jì)算總挑距為90.8 m,沖刷坑深度為25.1 m,原設(shè)計(jì)挑坎后護(hù)坦長(zhǎng)20 m,護(hù)坦末端齒墻底高程為869.85 m。從模型試驗(yàn)的結(jié)果可看出由于巖體抗沖流速較低,水流回流對(duì)護(hù)坦兩側(cè)和邊坡的沖刷嚴(yán)重,所以必須將防護(hù)工程保護(hù)至沖刷最深點(diǎn),需在護(hù)坦周邊增設(shè)防沖墻和左岸護(hù)岸及防沖墻[6-7]。

通過水工模型試驗(yàn)多種方案比選,沿護(hù)坦底板及岸坡防沖墻的沖刷,護(hù)坦齒墻垂直河道方向度汛期沖刷最低高程864.7 m,但校核洪水底孔參與泄洪時(shí),其沖刷深度最低可達(dá)860.6 m高程,因此護(hù)坦防沖墻深度至860 m高程。左岸邊坡在臨時(shí)度汛901.0 m庫水位時(shí),最低沖刷到859.5 m高程,在校核洪水914.5 m庫水位時(shí),最低沖刷到867.0 m高程,因此左岸防護(hù)防沖墻最低深度至858 m高程。

最終確定的底孔下游防護(hù)方案如下:護(hù)坦長(zhǎng)45.797 m,寬49.954 m,厚度為1.0 m。左岸采用混凝土護(hù)岸處理,長(zhǎng)度為120 m,護(hù)岸底高程872.0 m,頂高程881.5 m,采用C25混凝土襯砌,厚度0.5 m～1.0 m。護(hù)坦及護(hù)岸外側(cè)均布置槽孔混凝土防沖墻,厚度為0.8 m,防沖墻底高程867.00 m～858.00 m。見圖3。

2.3.2 溢流表孔出口消能

原設(shè)計(jì)表孔出口采用挑流消能,通過水工模型試驗(yàn)由于下游河床及岸坡巖體抗沖流速較小,并且挑流泄洪時(shí)回流流速較大,對(duì)下游沖刷嚴(yán)重,因此改為底流消能。

圖3 泄水建筑物平面圖

通過水工模型試驗(yàn)中反復(fù)調(diào)整,經(jīng)多方案試驗(yàn)最終確定溢流表孔出口消能方案如下:消力池順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m處設(shè)置一條通長(zhǎng)的消力坎,此坎頂高程871.5 m,消力池池深6 m,尾部消力坎坎頂高程873.0 m。消力池前部51.134 m長(zhǎng)范圍內(nèi)底板橫水流向凈寬45 m,其后寬度擴(kuò)至50 m,在護(hù)坦末端及左右邊側(cè)均設(shè)有深齒墻,齒墻底高程護(hù)坦末端865.5 m,右側(cè)865.5 m,左側(cè)867.0 m。該方案在校核洪水和設(shè)計(jì)洪水時(shí),消能充分消能效果良好,動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果為最大沖刷發(fā)生在校核洪水情況,沿護(hù)坦右側(cè)沖刷最深至866.05 m高程、左側(cè)最深至869.70 m高程。其它常遇洪水由于流量較小,故對(duì)下游沖刷影響很小。由于消力池內(nèi)設(shè)置的是通長(zhǎng)的消力坎,故避免了像設(shè)置消力墩可能產(chǎn)生的空蝕破壞,模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)各工況下消力坎的壓強(qiáng)均為正壓,也說明不會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞,見圖3。

3 結(jié) 論

(1)本工程底孔和表孔泄流能力和流態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)基本一致;但由于對(duì)河道覆蓋層和基巖抗沖能力估計(jì)不足,消能工和下游防護(hù)都有較大的變化,最終通過水工模型試驗(yàn)調(diào)整。

(2)本工程開工后已于2008年12月通過蓄水安全鑒定和蓄水驗(yàn)收,目前已蓄水發(fā)電,泄洪底孔和溢流表孔均已泄水運(yùn)行,運(yùn)行安全正常。

(3)通過本工程泄水建筑物水力學(xué)問題研究為今后大流量、低水頭、低抗沖流速河道修建消能工提供了經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

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[2]長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL252-2000.水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國水利水電出版社,2000.

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