對(duì)泄水槽中消力池的消能改造探析

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局, 烏魯木齊 830000)

對(duì)泄水槽中消力池的消能改造探析

楊文莉

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局, 烏魯木齊 830000)

水庫(kù)的消能設(shè)施是消減和擴(kuò)散水閘下泄水流能量，預(yù)防下游發(fā)生嚴(yán)重沖刷，提升水閘安全的重要設(shè)施。對(duì)于水電站泄水能力的研究無(wú)論是對(duì)于水電站本身還是對(duì)于社會(huì)都有著非常重要的研究?jī)r(jià)值。為此，本文主要研究對(duì)水庫(kù)泄水槽中消力池進(jìn)行消能改造的措施，以某水利樞紐工程為例，從特殊到一般，總結(jié)了泄水槽中消力池的效能改造。事實(shí)證明，這對(duì)于增強(qiáng)水閘下泄水流能力以及水電站的安全具有非常重要的作用。

泄水槽； 消力池； 消能改造

1 引 言

隨著自然環(huán)境的不斷惡化，洪災(zāi)發(fā)生頻繁，導(dǎo)致水庫(kù)的抗洪泄洪任務(wù)艱巨。加上采礦、采砂等人類活動(dòng)不斷增加，使得水庫(kù)的防洪泄洪形勢(shì)更加嚴(yán)峻。對(duì)于水電站而言，為了能夠增強(qiáng)水庫(kù)的泄流能力，加強(qiáng)水庫(kù)泄水槽中消力池的消能改造勢(shì)在必行?；诖耍疚囊阅乘麡屑~的消力池消能改造為例，總結(jié)了一般情況下對(duì)泄水槽中消力池不同類型的消能改造方案，并進(jìn)行了詳細(xì)闡述和分析。

2 某水電站工程

2.1 工程簡(jiǎn)介

該水利樞紐工程是以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等綜合效益的大型水庫(kù)。它不僅是治理開(kāi)發(fā)郁江的關(guān)鍵性工程，也是國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)十大標(biāo)志性工程之一。2001年9月主體工程開(kāi)工建設(shè)，2005年10月開(kāi)始第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電；2002年12月工程正式竣工。該水利樞紐工程主要分為兩期進(jìn)行建設(shè)，一期建設(shè)任務(wù)主要是：興建主壩、水電站和副壩；二期建設(shè)任務(wù)主要是：興建升船機(jī)。一期工程施工總工期為6年，其中準(zhǔn)備期2年，主體工程建設(shè)期為4年。水電站的總裝機(jī)容量為540MW，共安裝4臺(tái)135 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，年利用小時(shí)數(shù)為3150h，多年平均發(fā)電量為1690GW·h，枯水期保證出力123 MW。 水庫(kù)正常蓄水位為228m，總庫(kù)容為56.6億m3，預(yù)留防洪庫(kù)容16.4億m3。 壩址以上集雨面積19600km2，占右江流域面積的47.57%，多年平均流量263m3/s，年徑流量82.9億m3。

2.2 現(xiàn)有消能設(shè)施

工程中，消力池的消能防沖設(shè)計(jì)主要采用100年一遇的洪水為判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，水閘下泄流量為9021m3/s。消力池的常遇下泄洪水流量為3000m3/s(50年一遇洪水控泄標(biāo)準(zhǔn))。該工程的消力池順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度，即反弧段尾端至尾坎頂內(nèi)緣的長(zhǎng)度，為11414m，消力池凈寬82m，池底高程105m，尾坎頂高程為121m。輝綠巖段消力池底板厚度為6m，蝕變帶下游底板厚度為5～9m。此外，在消力池周邊設(shè)置防滲帷幕和排水幕，在消力池底板中部設(shè)置縱橫的排水幕，并采取抽排措施降低揚(yáng)壓力。

3 消力池的消能改造

3.1 影響消力池消能工的環(huán)境因素

客觀來(lái)說(shuō)，隨著自然條件的不斷變化，消力池墻體的巖石被逐漸風(fēng)化或腐蝕，導(dǎo)致消力池的消能工下降。客觀來(lái)說(shuō)，由于采砂采礦活動(dòng)的頻繁，樞紐下游河床下切幅度大，進(jìn)而使得水閘下泄水流的能力下降，導(dǎo)致原有的消能設(shè)計(jì)被破壞。這樣的情況下，下游水深根本無(wú)法滿足淹沒(méi)水深，相應(yīng)地，消力池也無(wú)法進(jìn)一步完成底流消能。因此，只有根據(jù)工程的實(shí)際地形和地質(zhì)條件、水流特點(diǎn)，并參考類似改造工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出真正既能提高本工程消力池的消能工，又能最大限度地節(jié)省工程投資的消力池，使得改造工程的成本效益最大化。為了能夠有效地進(jìn)行消力池消能能力的改造，除了環(huán)境因素外，還需要明白消力池設(shè)置中坎的消能機(jī)理。由紊流力學(xué)的知識(shí)可知，水流中存在著不同尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，這種渦旋結(jié)構(gòu)具有一定的隨機(jī)性。而這些渦旋在水流中做著各種各樣的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，也正是由于這些隨機(jī)渦旋的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了水體中不同強(qiáng)度和不同頻率的壓力脈動(dòng)。圖1所示即為紊動(dòng)能譜，其分為大漩渦區(qū)、載能漩渦區(qū)、慣性區(qū)和耗散區(qū)。

圖1 紊動(dòng)能譜示意圖

3.2 增設(shè)二級(jí)消力池

圖2 二級(jí)消力池的基本構(gòu)造原理

3.3 防滲排水設(shè)計(jì)

除了以上措施以外，對(duì)于泄水槽中的消力池而言，還應(yīng)當(dāng)注意其防滲排水的設(shè)計(jì)問(wèn)題。消力池為了能夠達(dá)到防滲排水的效果，其基本設(shè)計(jì)思想可以是“三條廊道”的原則。這三條廊道分別是：周邊灌溉排水廊道、中部縱橫十字排水廊道以及中部縱向廊道兩側(cè)的兩個(gè)縱向小排水廊道。這三條廊道的斷面設(shè)計(jì)分別為：2.5m×3m城門洞形、2m×2.5m城門洞形以及1.5m×2m城門洞形?；镜男顾巯Τ胤罎B排水結(jié)構(gòu)出來(lái)之后，進(jìn)一步需要考慮的就是消力池全風(fēng)化基礎(chǔ)容易發(fā)生流土滲透破壞的特性。為此，在全風(fēng)化基礎(chǔ)的部位，進(jìn)行預(yù)防修護(hù)。即在灌溉排水廊道的25m深處增設(shè)一道15m深的副帷幕，從而有效地防止?jié)B透問(wèn)題的出現(xiàn)。由于在尾坎部位的排水廊道內(nèi)設(shè)置了兩道防滲帷幕，因而沒(méi)有辦法再在該廊道內(nèi)設(shè)置排水幕。但是，為了能夠有效地降低底板的基礎(chǔ)揚(yáng)壓力，需要在尾坎前端增設(shè)橫向小排水廊道。

3.4 在消力池收縮斷面增設(shè)T形消力墩

首先，根據(jù)以往類似工程的消力池設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算方程式：K=(α-1)[2F12-α(1+α)]/F12αβ，計(jì)算出本水利工程泄水槽中的消力池新增T形消力墩和差動(dòng)尾坎各部分尺寸。上述計(jì)算方程式中，K表示單寬阻力系數(shù)；α表示下游水深h2(m)和第一共軛水深h1(m)的比值，即α=h2/h1；β表示尾坎高度h坎(m)和h1的比值，即β=h坎/h1；F1=V1/(gh1)1/2。然后，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SD 133—84)計(jì)算出消力池加深和加長(zhǎng)的相關(guān)尺寸。在消力池收縮斷面加設(shè)消力墩，不僅可以通過(guò)急流碰撞轉(zhuǎn)折達(dá)到消能、擴(kuò)散的作用，而且增加了水流的紊動(dòng)，穩(wěn)定水躍，從而減少了對(duì)下游水深的要求。此外，在消力池收縮斷面增設(shè)T形消力墩還具有工程量較少、工程投資較低的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

綜上所述，對(duì)于泄水槽中消力池效能的探討仍然是水電站效能領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。本文以某水利樞紐工程為具體實(shí)例，說(shuō)明泄水槽消力池的效能改造具有典型的代表性。通過(guò)對(duì)泄水槽消力池周邊環(huán)境的分析，可以充分了解泄水槽的外部環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)對(duì)消力池的布置，設(shè)置二級(jí)消力池的方法以及對(duì)邊墻、尾坎和底板穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)對(duì)泄水槽的消能設(shè)施進(jìn)行充分的研究和改造，從而得到較為合理科學(xué)的消力池設(shè)計(jì)。當(dāng)然，對(duì)于工程中的消力池消能安全的嚴(yán)峻情況，國(guó)內(nèi)的有關(guān)專家有著極大的關(guān)注。只有泄水槽中消力池的效能改造保障了水電站的安全，此工程才可以畫(huà)上完美的句號(hào)。

[1] 郝志猛.淺談泄水槽槽體結(jié)構(gòu)[J].黑龍江交通科技,2008(11).

[2] 蔡勝利，張秀崧，劉萬(wàn)新，李梅，李霞.臺(tái)階式消能在某水電站泄水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)應(yīng)用,2011(04).

Analysis of Energy Dissipation Reconstruction of Absorption Basin in Sluicing Sink

YANG Wen-li

(Xinjiang Ili River Basin Development and Construction Authority, Urumqi 830000, China)

Energy dissipation facilities of the reservoir are important for dissipating and diffusing discharge water flow energy under sluice, preventing serious downstream erosion and improving sluice safety. Study on water discharge ability in the hydropower station has very important research value on both hydropower station itself and the society. Therefore, measures of energy dissipation reconstruction of absorption basin in the reservoir sluicing sink are mainly studied in the paper. One water conservancy project is adopted as an example. Energy dissipation reconstruction of absorption basin in the sluicing sink is summarized from general to specific. The fact proves that the reconstruction is very important for enhancing water discharge flow ability of sluice and safety of hydropower station.

sluicing sink; absorption basin; energy dissipation reconstruction

TV65

A

1005-4774(2014)08-0059-03