高水頭窄河道多洞聯(lián)合泄洪模型試驗研究

，，

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

1 研究背景

某水電站是以單一發(fā)電為主的大型水庫電站,無航運、漂木等綜合利用要求。

引水發(fā)電建筑物布置于河道左岸，泄水建筑物布置在河道右岸，由泄洪洞、放空洞組成。泄洪洞由1條深孔泄洪洞(1#泄洪洞)和2條開敞式泄洪洞(2#，3#泄洪洞)組成，放空洞不參與泄洪。整體樞紐布置如圖1所示。

整體樞紐下泄流量大，上游設(shè)計水位相應(yīng)下泄流量7 650 m3/s，校核水位洪水峰值流量10 400 m3/s。下泄水頭高，上下游水位差約210 m，因此，需要多條泄洪洞聯(lián)合參與泄洪，3條泄洪洞均采用挑流消能。

其中1#泄洪洞出口正對河道狹窄處，軸線與河道軸線的夾角大約為35°，此外，該挑坎出口離電站尾水出口較近且正對左岸山嘴，歸槽問題比較突出。2#泄洪洞軸線與河道軸線夾角很小，歸槽條件相對較好，但由于該泄洪洞位于1#泄洪洞與3#泄洪洞之間，水舌入水位置比較集中，由此產(chǎn)生的能量集中現(xiàn)象引起的沖刷和霧化問題需要引起重視[1]。3#泄洪洞緊鄰放空洞且靠近右岸，相對有一定的水舌調(diào)整空間，但由于水墊塘的挑流消能區(qū)旋滾劇烈，會在右岸產(chǎn)生較大的回流流速從而會對岸坡的穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。針對上述特點，需要綜合考慮多方面因素來設(shè)計挑坎。

以上內(nèi)容涉及到較復(fù)雜的水流現(xiàn)象。水工模型試驗?zāi)軓?fù)演和預(yù)演原型的復(fù)雜水流現(xiàn)象，因此本文通過1∶50整體水工模型試驗[2-3]，對以上課題開展研究。

2 試驗研究技術(shù)路線

2.1 泄洪洞挑坎體型設(shè)計思路

由于該水電站泄洪洞下泄水流的能量集中問題和水舌的歸槽問題比較突出，同時又是多洞聯(lián)合泄洪，消能防沖設(shè)計難度大，對挑流鼻坎的水力性能要求很高。在進(jìn)行挑坎設(shè)計時除了要考慮每個泄水建筑物單獨的運行條件以外，更要對聯(lián)合消能的整體情況進(jìn)行分析和研究。因此，在泄洪洞出口挑坎優(yōu)化設(shè)計過程中，需要綜合多個因素來改善出口挑流的水流流態(tài)：

(1) 1#泄洪洞挑坎出口距離左岸凸起處較近，為了解決好歸槽問題，需盡量避免水舌在縱向上擴(kuò)散較大，使水舌前端挑距過長，從而發(fā)生直接頂沖岸坡的情況。

(2) 2#泄洪洞挑坎雖然歸槽條件較好，但是由于該挑坎位置在中間且受上游地形限制，所以沒有很大的調(diào)整空間，在設(shè)計上主要起到一個銜接作用，且需避免與另外2條泄洪洞的水舌重疊產(chǎn)生能量集中和嚴(yán)重霧化的現(xiàn)象。

(3) 3#泄洪洞挑坎歸槽條件較好，且有一定的調(diào)整空間，因此應(yīng)在不影響其它泄洪樞紐結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上盡量地將出射水流擴(kuò)散，緩解入水能量集中的現(xiàn)象，同時也要避免右岸產(chǎn)生過大的回流流速影響岸坡的穩(wěn)定。

表1 水庫特征水位及下泄流量

表2 原方案試驗成果

2.2 下游河道流態(tài)

下泄水流進(jìn)入下游河道后的流態(tài)比較復(fù)雜，為了更清晰地描述試驗現(xiàn)象，現(xiàn)將下游河道劃分為3個區(qū)域，如圖2所示：Ⅰ區(qū)域為挑射水流和電站尾水共同作用影響的區(qū)域；Ⅱ區(qū)域為挑流消能區(qū)域；Ⅲ區(qū)域為下泄水流歸槽區(qū)域。各分區(qū)劃線見圖2(圖中河道內(nèi)實線為分區(qū)邊界)。

圖2 下游河道分區(qū)

經(jīng)泄洪建筑物下泄的水流在Ⅱ區(qū)域內(nèi)形成強(qiáng)烈旋滾，產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的紊動并消耗大量的動能，同時主流周圍摻有大量的氣泡且入水位置水面在挑射水流的沖擊作用下形成凹陷，下游河床砂石不斷翻滾。中部主流經(jīng)消能后逐漸歸入下游主河道即進(jìn)入Ⅲ區(qū)域，水流流態(tài)逐漸平穩(wěn)。Ⅰ區(qū)域流態(tài)情況平穩(wěn)，尾水受下泄水流影響較小。

2.3 試驗工況

試驗主要觀測不同挑流消能方案對泄洪沖刷的影響，選取具有代表性的工況進(jìn)行消能防沖試驗研究，通過對比分析確定最優(yōu)方案。根據(jù)本工程的實際情況，選取2個具有代表性的工況，即校核工況、設(shè)計工況。水庫特征水位及下泄流量如表1所示。每個工況在連續(xù)放水3 h后測量沖坑地形。

3 試驗方案及結(jié)果分析

整體水工模型試驗的挑坎設(shè)計要考慮每條泄洪洞單獨運行時的特點，此外，更要著重考慮聯(lián)合泄洪的運行要求，根據(jù)前人經(jīng)驗[4-6]，綜合以上的設(shè)計思路提出設(shè)計方案。

下游河道流速大小及分布對于下游岸坡穩(wěn)定性來說是非常重要的指標(biāo)之一，沖坑深度及范圍是判定消能防沖效果最重要的指標(biāo)之一。下面就原設(shè)計方案及優(yōu)化方案在設(shè)計及校核洪水時下游流速特征值及沖坑地形數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較。

3.1 原設(shè)計方案

1#泄洪洞水頭高、流量大、能量集中、歸槽條件較差，出于對岸坡的保護(hù)，不向左岸擴(kuò)散、不增加縱向挑距，并且考慮到泄洪洞軸線偏右，所以首先采取等寬型挑坎[7]。

2#泄洪洞軸線與河道基本平行，出口挑坎水舌落點位于河道中部，但由于2#泄洪洞空間上處于中間位置，可以嘗試縱向上對出射水流進(jìn)行拉伸。根據(jù)相應(yīng)工程經(jīng)驗[8]，首先使用燕尾型挑坎。

3#泄洪洞歸槽條件較好，但在位置上靠近右岸，且右側(cè)有不參與泄洪的放空洞，在設(shè)計時要避免產(chǎn)生過大的回流流速同時也要考慮擴(kuò)散的水流對放空洞的結(jié)構(gòu)安全的影響，首先嘗試單邊擴(kuò)散的斜切挑坎[7]。

綜上所述，1#泄洪洞采用等寬挑坎，2#泄洪洞采用燕尾型挑坎，3#泄洪洞采用單邊擴(kuò)散斜切挑坎(見圖3)。試驗數(shù)據(jù)見表2。

經(jīng)過試驗觀測，該方案挑射水流入水后消能較為充分,能量主要集中消剎于水墊塘內(nèi),挑射水流主要在Ⅱ區(qū)形成了回流，原設(shè)計方案中，1#泄洪洞水舌入水產(chǎn)生的部分浪涌沖擊岸坡，同時由于回流位置距離I區(qū)較近，對電站的出力有一定影響。下泄水流經(jīng)過回流影響后逐漸歸入下游主河道(即進(jìn)入Ⅲ區(qū))，水流流態(tài)逐漸平穩(wěn)。2#泄洪洞挑坎的鏤空位置由于地形原因，出流水舌下部水體沖擊本岸，且水流縱向分布較為不均勻?qū)е滤谒w比較厚重，未起到縱向拉伸降低能量集中的作用。3#泄洪洞水舌還有一定的調(diào)整空間，進(jìn)一步對水舌進(jìn)行擴(kuò)散。此外，泄洪洞整體回流距離電站尾水出口較近，造成一定不利影響，可以嘗試新方案。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案

為防止浪涌沖擊對岸，1#泄洪洞挑坎可考慮斜切扭曲型[9]，首先在入水位置上將入水點向右側(cè)偏移，防止浪涌沖擊岸坡，同時能夠順應(yīng)河勢；其次為了可以使水舌適當(dāng)橫向擴(kuò)散，減小入水單寬，避免聯(lián)合泄洪時的能量集中問題。

2#泄洪洞受地形限制，對于燕尾挑坎的缺口位置及兩翼長度限制較大，不能起到很好的優(yōu)化效果[10]，同時考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件限制，方案2采用斜切等寬挑坎[11]，在適應(yīng)上游地形的基礎(chǔ)上起到與1#，3#挑坎水舌的銜接與過渡作用，且該體型結(jié)構(gòu)簡單，便于施工。

3#泄洪洞可考慮雙邊的擴(kuò)散[12-13]，更大程度地分散入水能量，且右側(cè)的擴(kuò)散水舌可以起到頂沖右岸回流的作用，同時為了避免水流脫壁現(xiàn)象，對3#泄洪洞挑坎采用曲線邊墻連接，因此采用雙邊斜切擴(kuò)散挑坎。

尺寸單位:m

綜上所述，1#泄洪洞采用斜切扭曲挑坎,2#泄洪洞采用等寬挑坎,3#泄洪洞雙邊擴(kuò)散斜切挑坎，見圖4。試驗數(shù)據(jù)見表3。

尺寸單位:m

表3優(yōu)化方案試驗成果

Table3Testresultsoftheoptimizeddesign

工況沖坑深度/m波浪爬高/m左岸右岸尾水波動/m兩岸流速/(m·s-1)回流位置左岸右岸左岸右岸對兩岸的沖擊校核31.20530.4310.6510.14Ⅱ區(qū)中部Ⅱ區(qū)中部歸槽情況良好設(shè)計25.354.752.750.3210.189.55Ⅱ區(qū)中部Ⅱ區(qū)中部歸槽情況良好

與原設(shè)計方案相比，在整體樞紐泄流的情況下，優(yōu)化設(shè)計方案的沖坑深度、波浪爬高、兩岸流速、尾水波動均比原設(shè)計方案要小，且回流距離電站尾水出口較遠(yuǎn)，對電站出力影響較小。在2種方案下堆丘都沿河槽分布，電站出口位置無堆積石塊。此外，原設(shè)計方案的水舌有小部分沖擊左岸岸坡，不利于岸坡穩(wěn)定；優(yōu)化設(shè)計方案整體的歸槽效果良好。2種設(shè)計方案下，在整體水舌的空間位置上均無明顯相交，無能量疊加和嚴(yán)重霧化問題產(chǎn)生。因此將優(yōu)化方案作為最終推薦方案。

4 結(jié) 論

對于高水頭、大單寬流量、窄河床的泄洪樞紐而言，消能方式一直是需要深入探討的問題。本次水工模型試驗通過對泄水建筑物的消能防沖效果和運行安全性兩方面的研究，同時針對該項目特殊的大交角、下游河床抗沖刷能力弱等問題進(jìn)行了研究。將優(yōu)化設(shè)計方案作為推薦方案，對同類型工程樞紐具有借鑒意義。

(1) 優(yōu)化設(shè)計方案能夠較好地解決下泄水流的能量集中問題和歸槽問題。同時也減小了對下游堆積體的沖刷侵蝕。

(2) 在聯(lián)合消能的情況下，對于挑坎的設(shè)計除了要考慮每個泄水建筑物單獨的運行條件以外，更要對聯(lián)合消能的整體情況進(jìn)行分析和研究。

(3) 該水電站是以單一發(fā)電為主的大型水庫電站，壩址控制流域面積比例大，樞紐流量大，提高水資源利用率對該地區(qū)供電能力有很大作用,將會產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文研究成果為保證電站安全運行提供了科學(xué)依據(jù)。

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