石埡子水電站泄洪消能工設(shè)計研究

阮祥明，羅光其

（中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

石埡子水電站泄洪消能工設(shè)計研究

阮祥明，羅光其

（中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

石埡子水電站河谷狹窄，單寬流量大，壩后不遠處為規(guī)模較大的堆積滑坡體，受地形地質(zhì)條件和工程建設(shè)條件限制，工程只能采用挑流消能，而常規(guī)挑流消能工霧化水流將會影響壩后左岸堆積體的穩(wěn)定。通過泄洪消能工體型設(shè)計與模型試驗研究，提出一種新型的泄洪消能工——半圓錐挑坎雙縫消能工。研究結(jié)果表明，該消能工能較好的解決下游消能與減小霧化問題，自身結(jié)構(gòu)抗空蝕破壞性能也比較好。

泄洪消能；水力學模型試驗；壓強；流速

石埡子水電站位于貴州省務(wù)川縣大坪鎮(zhèn)和柏村鎮(zhèn)交界的梅林峽谷河段，是烏江水系左岸一級支流洪渡河干流水電梯級開發(fā)的第六級電站，水庫正常蓄水位544.0 m，電站裝機120 MW。工程為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主要由攔河壩、泄水建筑物、右岸引水系統(tǒng)、右岸地下廠房組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高129.30m，泄洪系統(tǒng)按100年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核，下游消能防沖按50年一遇洪水設(shè)計，經(jīng)大壩調(diào)蓄后，校核洪水最大泄洪流量8 894 m3／s，設(shè)計洪水泄洪流量7 012 m3／s，消能防沖洪水泄洪流量6 410m3／s。泄洪建筑物設(shè)3個表孔，每孔凈寬12 m，中墩厚4.0 m，邊墩厚3.0m，堰面采用WES曲線，堰頂上游為三圓弧，堰頂以下堰面曲線方程為 Y＝0.042854x1.85，堰頂高程523.5 m，下游壩坡為1∶0.70。由于樞紐下游左岸有一個巨大的滑坡堆積體，如圖1所示，考慮到表孔最大泄洪單寬流量高達247 m3／s·m，原設(shè)計過程，下游消能形式先后采用了表孔寬尾墩＋臺階壩面＋消力池聯(lián)合消能以及傳統(tǒng)窄縫挑流消能兩種布置形式［1－2］。前期試驗研究發(fā)現(xiàn)［3］：采用表孔寬尾墩＋臺階壩面＋消力池聯(lián)合消能形式，雖然經(jīng)過寬尾墩與消力池體型的修改與優(yōu)化［4－6］，可以解決受不對稱來流影響，以及中小流量泄洪水舌不穩(wěn)定等問題，但大流量泄洪時，水舌局部微小擺動的問題仍然時有發(fā)生，而且?guī)焖辉谙芊罌_水位以上，左岸滑坡堆積體表面的護坡有被水流沖刷的可能性存在，特別是校核水位時，沖刷范圍幾乎延伸至堆積體一定范圍內(nèi)；采用傳統(tǒng)窄縫挑流消能工［7－9］，庫水位在設(shè)計洪水以上時，單孔水舌外緣落點超過170 m，已接近堆積體，沖坑已經(jīng)延伸至滑坡堆積體，左岸堆積體的穩(wěn)定性很難保證，隨著泄洪流量的進一步增加，泄洪產(chǎn)生的沖坑深度約15 m，又直接危機到壩腳的穩(wěn)定性，且滿足窄縫消能工要求的出口邊墻高度也比較高?；谏鲜鲈?，經(jīng)過設(shè)計與試驗研究，最后為本工程提出了一種單孔半圓錐挑坎雙縫消能工的體型布置形式［10］。

圖1 石埡子工程樞紐區(qū)示意圖

1 單孔半圓錐挑坎雙縫消能工體型簡介

單孔半圓錐挑坎雙縫消能工是在一孔泄槽的出口部位，采用兩側(cè)兩個窄挑坎與中間一個寬挑坎構(gòu)成的一種雙窄縫消能工，如圖2所示。其中兩側(cè)挑坎頂部采用1／4圓錐面，末端圓半徑為1.5 m，圓錐面縱向長度為14.5m，在壩縱0＋045.438 m處與斜坡壩面相交。中間挑坎頂部采用1／2圓錐面，末端圓半徑為2.5m，圓錐面縱向長度為14.1 m，在壩縱0＋046.65m處與1∶1.21的壩面斜坡相交。中挑坎尾部接長度為1m、半徑為2.5 m的半圓柱，側(cè)挑坎尾部接長度為1m、半徑為1.5m的1／4圓柱至壩縱0＋060.47 m。窄縫出口寬度為2 m，其收縮的折射角為5.89°，出口挑坎總高度為13.5m。溢流壩段下游布置短護坦，護坦長度15.00m，凈寬28.51m。

2 試驗驗證

2.1 水流流態(tài)

試驗觀測發(fā)現(xiàn)，校核洪水、設(shè)計洪水全開時，水舌縱向拉開最大距離大約在75m附近，內(nèi)緣落點距壩腳約20m，外緣挑距大約90 m～100 m，外緣與堆積體邊緣之間的距離均超過70 m，在兩個縱向水舌頂部有層一橫向展開的水舌，該水舌在半圓錐挑坎頂部厚度大約2.5 m～3 m，根據(jù)實測流速估算，其流量約占總泄量的1／3，流態(tài)縱剖面示意圖如圖3所示，一般這種水舌布置形式相對于完全窄縫水舌而言，對減小總體霧化程度有一定的作用［11－13］；1／2開度時，水舌縱向擴散程度還比較均勻，但水舌縱向拉開長度已減小至45 m，內(nèi)緣落點距壩腳仍約20 m，外緣挑距大約60m～70m，但半圓錐形挑坎頂部的橫向展開水舌厚度已減小至0.5 m～1 m，由于水舌厚度比較薄，且不穩(wěn)定，因此并不能形成穩(wěn)定的橫向展開水舌；1／4開度時，水舌縱向擴散程度不夠均勻，在主水舌頂部形成一部分不穩(wěn)定的水翅，但水翅量很小，雖然內(nèi)緣落點距壩腳仍約20 m，但主水舌縱向拉開長度大約只有30 m，相對于全開與1／2開度大幅度減小。

圖2 單孔圓錐雙縫挑坎消能工示意圖（單位：m）

圖3 水舌縱向拉開流態(tài)示意圖

單體模型試驗測試結(jié)果表明，單孔兩股水舌的挑射方向及其間距基本平行，占據(jù)空間的總寬度與閘孔寬度很接近。整體模型的三孔不同組合的運行情況也表明了這一結(jié)果，三孔全開時，水舌總寬度與泄洪建筑物總寬度基本相同，與兩岸保持一定距離，局開時，三個孔、六股窄縫水舌互相平行，入水時也不疊加。由于挑坎使水舌在不影響壩腳與堆積體、兩岸穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)了空間上的最大化分散，因此下游河道消能水體基本得到了最大化的應(yīng)用，也使河道水流的消能效果得到了最優(yōu)發(fā)揮。河道水流流速的測試結(jié)果基本予以驗證，實測堆積體之前的下游河道最大底流流速不超過4m／s，表流速不超過6m／s，堆積體之后河道受堆積體對河道束窄的影響，水流流速略有增加。

2.2 壓強測試

試驗首先對門槽與堰面壓強進行了測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堰面壓強均為正壓，在挑坎附近，盡管挑坎的橫向收縮角度很小，但受挑坎擠壓，窄縫水深還是比較大，因此堰面壓強也隨之快速上升，最大值接近300 kPa，這一結(jié)果表明挑坎與壩面的結(jié)合處必須承受較大的連接力，正因為如此，體型設(shè)計中在此處布置了一較大的面接觸連接方式，可基本滿足連接力的需求。

對門槽按常規(guī)試驗測試方式也進行了壓強測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在門槽下游角隅靠近底板的一個測點，在小開度時壓強為正壓，而大開度或全開時，出現(xiàn)負壓，且負壓值隨著泄洪流量的增加逐漸增加。一般負壓出現(xiàn)處，水流有可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象，因此該測點應(yīng)該是門槽水流空化最有可能出現(xiàn)的位置，結(jié)合前面流態(tài)測試中的水流流速測試結(jié)果，對該測點附近水流空化數(shù)進行計算分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水流空化數(shù)約為0.31～0.52，由于此處門槽設(shè)計中已經(jīng)帶有錯距，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》［14］（SL253－2000），帶有錯距的門槽水流初生空化數(shù)應(yīng)為0.48～0.90，由此可以判斷在門槽下游的角隅處，可能會出現(xiàn)水流空化現(xiàn)象，因此該處應(yīng)該加強結(jié)構(gòu)的防空蝕設(shè)計。

由于半圓錐形挑坎的側(cè)壁容易出現(xiàn)水流分離現(xiàn)象，因此試驗按圖4所示測點布置方式，利用壓力傳感器對側(cè)壁時均壓強與脈動壓強分布也進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖4 半圓錐挑坎兩側(cè)壓強測點布置圖（單位：m）

表1 半圓錐挑坎側(cè)壁壓強測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，所有測點的時均壓強均為正壓，脈動壓強均方根都很小。由此可以說明水流在挑坎處未出現(xiàn)大幅度波動或紊動的現(xiàn)象。隨著泄洪流量的變化，由于水深不斷增加，時間壓強也在不斷增加，但左右兩側(cè)壓強基本相同，不均衡現(xiàn)象很少，只有在窄縫出口處的底部5與10，出現(xiàn)壓強分布不均的現(xiàn)象，且壓強差值隨流量的增加而增加，最大幅度達到30 kPa。該處有可能是來流本身挾氣紊動產(chǎn)生，另外從半圓錐形挑坎的受力作用效果看，力臂較長的頂部兩側(cè)受力比較平衡，而受力相對不平衡的底部力臂較短，因此這些可能對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也不會有較大影響。另外，1／4小開度時，靠近壩面的1測點脈動壓強均方根值超過11 kPa，由于測點位置處于水流與挑坎初始接觸部位，此處水面很薄，也不穩(wěn)定，因此出現(xiàn)較大脈動壓強，但靠近壩面，同樣作用力臂也比較短，因此也不會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

2.3 河道沖淤測試

一般河道模型沖淤試驗中，河床覆蓋層與基巖均按照依茲巴什公式［15］，選取不同的散粒體進行模擬，對于同樣體型與下泄洪水，下游河道沖刷料不同，可能出現(xiàn)不同的沖淤地形，因此沖刷料一定程度也決定了沖淤地形的變化。有些河道地質(zhì)情況比較簡單，都是較好的巖石，沖刷模擬相對比較簡單，但一般大部分河道地質(zhì)情況都比較復(fù)雜，如石埡子工程下游的河道，既有抗沖能力比較弱的覆蓋層，又有相對抗沖能力比較強的基巖，如果從構(gòu)造方面需要準確模擬，則試驗?zāi)Ｐ椭屑纫佋O(shè)一定厚度的覆蓋層沖刷料，同時，在覆蓋層下面還必須鋪設(shè)一定厚度的基巖。這種復(fù)合鋪設(shè)形式雖然保證了河道與原工程地質(zhì)情況相同，但泄洪沖刷后可能會出現(xiàn)兩種情況，一種情況是試驗沖坑深度未觸及到基巖面，這種沖刷模擬比較相似，另一種情況可能是沖刷深度已深入到基巖面以下，則試驗中消能區(qū)不同抗沖性能的材料混和在一起，沖刷料的抗沖性能必然發(fā)生變化，相對于工程實際的沖刷狀況，試驗中這種沖刷可能偏深，還是沖刷偏淺，很難說明。因此對不同工程，可以通過不同材料的單一鋪設(shè)方法，進行沖刷料對沖坑深度的敏感性分析。即試驗中首先進行覆蓋層的模擬沖刷，如果沖刷深度已經(jīng)深入到基巖面以下，則可以確定實際沖刷應(yīng)該比試驗沖刷深度要小，因為覆蓋層的抗沖能力要小于基巖的抗沖能力，當然若沖坑深度未到基巖面，則模擬相對比較準確一些；如果去掉覆蓋層，只模擬基巖進行試驗，若沖刷深度同樣也深入到基巖面以下，考慮到實際工程中還存在覆蓋層沖刷形成的淤積對沖坑深度可能產(chǎn)生的影響，因此也可確定，實際工程沖坑深度基本小于試驗沖刷深度，若試驗中無沖坑出現(xiàn)，則實際沖坑只發(fā)生在覆蓋層中。

為了對石埡子工程的下游河道沖淤情況有一個相對比較準確的判斷，首先進行了沖淤敏感性試驗與分析，即在同樣洪水與推薦體型條件下，分別進行覆蓋層與基巖單一沖刷料鋪設(shè)的試驗，試驗測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)計洪水及以上洪水泄洪，試驗沖坑深度基本都深入到基巖面以下，而消能防沖以下洪水泄洪，沖坑基本都在基巖面以上?；诤拥赖倪@種沖淤變化，推薦體型試驗選擇了全覆蓋層的模擬方法。同時考慮到堆積體頂部松散體抗沖性能差的緣故，在堆積體頂部又設(shè)置了薄層混凝土防護層。試驗結(jié)果表明，校核洪水時，沖坑最深點412.2 m，設(shè)計洪水時，沖坑最深點418.0 m，雖然沖坑都深入到基巖面以下，但堆積體混凝土護面基礎(chǔ)仍未出現(xiàn)淘刷現(xiàn)象，且沖坑范圍也很小；中小洪水泄洪時，沖坑最深點始終在416m以上，范圍也很小，且沖刷也未觸及到堆積體混凝土護面，部分護面還被淤積體所覆蓋。由于試驗是全覆蓋層模擬條件下進行，因此結(jié)合前面的敏感性分析結(jié)果可知，實際沖刷程度只能比試驗小，可能到原基巖面422.0 m，或最大深入到原基巖面以下4m～5m，而這些沖坑位置均在壩腳安全位置以后，因此可基本滿足工程安全運行的要求。

3 結(jié) 語

通過設(shè)計與試驗研究，為石埡子水電站泄洪消能提出一種新型消能工——半圓錐挑坎雙縫消能工，該消能工由兩側(cè)兩個窄挑坎與中間一個寬挑坎構(gòu)成，試驗結(jié)果表明，該消能工使水舌呈現(xiàn)一孔雙窄縫＋頂部橫向展開的分布形式，最大限度的利用了下游河道的消能空間與水體，同時水舌與沖坑又不危及壩腳、兩岸、下游堆積體的穩(wěn)定，流速與壓強也能滿足結(jié)構(gòu)本身的安全要求。該體型布置形式在滿足石埡子水電站泄洪消能要求的同時，也為同類工程的設(shè)計提供一定參考。

［1］ 陳椿庭.高壩大流量泄洪建筑物［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［2］ 童顯武，李桂芬，謝省宗，等.高水頭泄水建筑物收縮式消能工［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［3］ 尹進步.洪渡河石埡子水電站水工水力學模型試驗報告［R］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2007.

［4］ 尹進步，劉韓生，梁宗祥.用于大單寬泄洪臺階壩面上的一種新型寬尾墩［J］.西北水電，2002，（1）：44-46.

［5］ 梁宗祥，尹進步，劉韓生，等.寬尾墩與臺階壩面聯(lián)合消能工的試驗探索［J］.長江科學院院報，2003，20（6）：3-5.

［6］ 林可冀，韓 立，鄧毅國.大朝山水電站RCC溢流壩寬尾墩、臺階式壩面聯(lián)合消能工的研究及應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2002，18（4）：6-15.

［7］ 劉宣烈，劉 鈞，姚仲達，等.空中摻氣水舌運動軌跡及射距［J］.天津大學學報，1989，22（2）：23-30.

［8］ 寧利中.挑流鼻坎反弧半徑及臨界條件探討［J］.陜西水力發(fā)電，1989，4（2）：9-15.

［9］ 陳忠儒，陳義東，黃國兵.窄縫式挑坎體型研究及其挑流水舌距離的估算［J］.長江科學院院報，2002，19（4）：11-14.

［10］ 尹進步.洪渡河石埡子水電站水工水力學模型2009試驗報告［R］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2009.

［11］ 胡敏良.挑流水舌霧化的研究［J］.水動力學研究與進展：A輯，1994，（3）：344-349.

［12］ 梁在潮.霧化水流濺水區(qū)的分析和計算［J］.長江科學院院報，1996，13（1）：9-13.

［13］ 周 輝，吳時強，陳惠玲.泄洪霧化降雨模型相似性探討［J］.水科學進展，2009，20（1）：58-62.

［14］ 水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院.SL253－2000.溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［15］ 夏毓常.水力計算論文集［M］.北京：中國水利水電出版社，1997.

Design Study on Energy Dissipator for Shiyazi Hydropower Station

RUAN Xiang-ming，LUOGuang-qi
（Guiyang Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，China Hydropower Consulting Group，Guiyang，Guizhou 550081，China）

Shiyazi Hydropower Station is characterized by narrow vally and large unit discharge，and a relatively large slidingmass is developed not far from the dam toe.Affected by topographical and geological conditions and restricted by construction conditions，ski-jump energy dissipation is the only pattern to be adopted，but the atomized water formed by conventional ski-jump energy dissipation structurewillaffect the stability of the downstream slidingmass on the leftbank.By carrying out the shape design of energy dissipation structure and hydraulicmodel tests，a new type energy dissipation structure named semi-cone-shaped ski-jump energy dissipation structure with double joints is proposed.The test results show that this kind of energy dissipation structure can achieve the better effects of energy dissipation，atomization reduction and cavitation resistance.

flood discharging and energy dissipation；hydraulicmodel test；pressure intensity；flow velocity

TV653

A

1672—1144（2014）01—0201—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.042

2013-09-10

2013-10-23

阮祥明（1978—），男，湖北廣水人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。