猴子巖水電站導(dǎo)流洞改建非常泄洪洞體型研究

石江濤 劉宇

【摘 要】猴子巖電站非常泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，非常泄洪洞體型的合理性及抗空化性能的好壞直接關(guān)系到該工程能否安全運(yùn)行。本文通過(guò)研究，在常壓模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用有壓洞塞式泄洪洞改建方案；并通過(guò)減壓模型試驗(yàn)，提出了“垂直射流+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，確定非常泄洪洞的最終體型。減壓模型試驗(yàn)表明，該體型的抗空化性能滿足工程要求。這一成果，為導(dǎo)流洞改建泄洪洞的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。

【關(guān)鍵詞】猴子巖 泄洪洞 減壓模型 體型

1.前言

猴子巖水電站壩址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉(xiāng)，部分庫(kù)區(qū)位于甘孜藏族自治州丹巴縣和阿壩藏族羌族自治州小金縣境內(nèi)。是大渡河水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”的第9級(jí)電站，上接丹巴水電站，下接長(zhǎng)河壩水電站。

大渡河徑流豐沛，洪峰流量大，猴子巖水電站壩址處多年平均流量約774m3/s，年徑流量244億m3，相當(dāng)于黃河徑流量的51倍。

電站的設(shè)計(jì)洪水為千年一遇，洪峰流量7550 m3/s，校核洪水為最大可能洪水（PMF），洪峰流量9940 m3/s，最大泄洪水頭約135m，總泄洪功率約為13000MWs。

猴子巖水電站泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點(diǎn)。綜合考慮猴子巖水電站地形地質(zhì)條件、泄洪、導(dǎo)流建筑物布置條件、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、施工條件、建筑物直接投資等因素，泄洪放空建筑物由1條溢洪洞、1條深孔泄洪洞、1條非常泄洪洞（由1#導(dǎo)流洞改建）和1條泄洪放空洞組成。

非常泄洪洞布置在左岸，由1#導(dǎo)流洞改建而成，布置上利用一條豎井連接泄洪洞與導(dǎo)流洞，最大泄量約1600m3/s，出口流速約20m/s。非常泄洪洞體型是否合理、是否具有足夠的抗空化能力，是猴子巖水電站導(dǎo)流洞改建泄洪洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.導(dǎo)流洞改建泄洪洞型式研究

根據(jù)猴子巖水電站樞紐布置，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合猴子巖工程布置條件及泄量要求，本工程不宜采用龍?zhí)ь^和豎井旋流消能形式。

本文重點(diǎn)研究了水平旋流消能型式和有壓洞塞消能方式。國(guó)內(nèi)外水平旋流和有壓洞塞工程運(yùn)用情況見(jiàn)表1。

水平旋流和有壓洞塞工程運(yùn)用表

表1

工程

名稱 國(guó)別 壩型 泄洪洞最 大泄量 （m3.s-1） 水頭 型式 說(shuō) 明

買加 加拿大 土石壩 850 186 有壓洞塞 已建

小浪底 中國(guó) 堆石壩 1500 150 有壓孔板 已建

特里 印度 堆石壩 1820 203 水平漩流 已建

羅貢 俄羅斯 土石壩 1980 250 水平漩流 已建

公伯峽 中國(guó) 堆石壩 1060 110 水平漩流 已建

猴子巖 中國(guó) 土石壩 1600 128

2.1有壓洞塞式泄洪洞研究

（1）有壓洞塞式泄洪洞布置

有壓洞塞式泄洪洞由短壓力進(jìn)口、上平段、上彎段、豎井段及下平段（與導(dǎo)流洞結(jié)合段）組成。

進(jìn)水口型式為短壓力進(jìn)口，平板門擋水，工作閘門孔口尺寸為9m×11m（寬×高），進(jìn)口閘底板高程1786.00m。

上平段長(zhǎng)199.542m，豎井和上平段均采用圓形斷面，直徑11m，豎井與下平段相交處為直彎洞塞，直彎洞塞內(nèi)徑10.2m。

下平段為與導(dǎo)流洞結(jié)合段，導(dǎo)流洞為城門洞形斷面，斷面尺寸為13m×15m（寬×高）。下平段內(nèi)共設(shè)置三級(jí)洞塞，，第一級(jí)洞塞在導(dǎo)流結(jié)束后改建為直徑12m的圓形斷面，第一級(jí)洞塞以后，洞塞處需局部改建，其余洞段完全利用導(dǎo)流洞斷面。泄洪洞出口設(shè)置突縮段，出口采用壓坡，壓坡孔口高7.5，寬11m。

（2）有壓洞塞泄洪常壓模型試驗(yàn)

有壓洞塞式泄洪洞采用有壓流突縮突擴(kuò)的消能方式。該型式的體型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行情況平穩(wěn)。

有壓洞塞式泄洪洞常壓模型試驗(yàn)成果表明：

① 導(dǎo)流洞改建泄洪洞是可行的。上彎段壓力分布的詳細(xì)測(cè)量表明，上彎段的防空化性能有充分的保證。上彎段的最小水流空化數(shù)為1.15。

② 泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

③ 直彎洞塞水流特性、消能效果均很好，整個(gè)泄洪洞為有壓流，沒(méi)有出現(xiàn)不良的水流流態(tài)。

④ 有壓洞塞方案從沿程的時(shí)均壓力圖表明，各級(jí)洞塞在洞塞進(jìn)口處壓力突減，然后再突然增大后會(huì)迅速降低，最小壓力都出現(xiàn)在洞塞出口之后，各級(jí)洞塞能消能充分。

⑤ 各級(jí)洞塞的水流空化數(shù)滿足不產(chǎn)生空化空蝕破壞的要求。

2.2水平旋流式泄洪洞研究

（1）水平旋流式泄洪洞布置

水平旋流式泄洪洞由短壓力進(jìn)口、上平段、上彎段、豎井段及下平段（與導(dǎo)流洞結(jié)合段）組成。

水平旋流式泄洪洞進(jìn)水口型式為短壓力進(jìn)口，平板門擋水，工作閘門孔口尺寸為9.5m×9m（寬×高），進(jìn)口閘底板高程1786.00m；上平段、上彎段為圓形斷面，直徑9.5m；豎井段為漸變段，由圓形漸變?yōu)榫匦危匦纬隹诔叽鐬?2m×5.25m（長(zhǎng)×寬）。

下平段為與導(dǎo)流洞結(jié)合段，由水旋段、旋流阻塞漸縮段、突擴(kuò)段組成。水旋段和旋流阻塞漸縮段利用導(dǎo)流洞改建，而突擴(kuò)段完全利用導(dǎo)流洞斷面。

水旋段始端設(shè)置通氣孔，直徑1.44m，并設(shè)置增壓帶，以消除起旋器低壓區(qū)的負(fù)壓。無(wú)壓明流段設(shè)置11個(gè)排氣洞。

泄洪洞出口：下游水位高于出口洞頂，洞內(nèi)存在氣壓，為了控制出口氣爆等不利影響，在出口設(shè)置排氣洞。

（2）水平旋流式泄洪洞常壓模型試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)多方案優(yōu)化，水平旋流式泄洪洞解決了消能和排氣問(wèn)題，其常壓模型試驗(yàn)成果表明：

① 有壓進(jìn)水口、上平段和豎井洞段為有壓流，流態(tài)穩(wěn)定。水平旋流洞壁面壓強(qiáng)和旋流水流流速增大，通風(fēng)孔轉(zhuǎn)為吸氣狀態(tài)，通風(fēng)順暢，旋流洞內(nèi)消能效果好，流態(tài)穩(wěn)定。阻塞孔口后的突擴(kuò)旋轉(zhuǎn)出流對(duì)導(dǎo)流洞四周壁面沖擊力度增大，并且導(dǎo)致銜接段導(dǎo)流洞的振動(dòng)開(kāi)始增大，水流隨旋轉(zhuǎn)慣性作用繞壁面旋轉(zhuǎn)下泄。隨后氣體隨沿程逐漸析出水面。后接導(dǎo)流洞基本為滿流形式下泄，流態(tài)穩(wěn)定。

② 泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

③在導(dǎo)流洞壁面沖擊點(diǎn)附近有虛負(fù)壓產(chǎn)生，該區(qū)域水氣摻混充分，摻氣濃度高，基本不會(huì)產(chǎn)生空蝕破壞，但須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，增強(qiáng)抗沖抗空蝕性能。

④在旋流阻塞突擴(kuò)段平均流速在25.75m/s～29.35m/s之間。因摻氣濃度高，消能效果明顯，隨后導(dǎo)流洞內(nèi)的流速快速減小。

④在水平旋流洞直線段各水流空化數(shù)K隨沿程波動(dòng)變化，大于水流空化數(shù)臨界值0.3，旋流洞內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。阻塞段水流空化數(shù)K隨沿程降低，局部水流空化數(shù)小于空化臨界值為0.3，表明該段有可能發(fā)生空化現(xiàn)象。

3.3導(dǎo)流洞改建泄洪洞型式選擇

常壓模型試驗(yàn)表明，水平旋流式泄洪洞和有壓洞塞式泄洪方案技術(shù)上都是可行的。

水平旋流式消能方案具有洞內(nèi)壓力相對(duì)較低、消能率高的優(yōu)點(diǎn)。但主要存在以下不利因素：

① 起旋器部分位置有負(fù)壓，可能引起空蝕；

② 旋流段由于旋轉(zhuǎn)水流的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切向流速增大，對(duì)施工質(zhì)量要求較嚴(yán)；

③ 消能主要在阻塞段至突擴(kuò)段，該段水流流態(tài)非常紊亂，容易空蝕空化及引起振動(dòng)。

④ 下游尾水位較高，洞內(nèi)無(wú)法保持明流流態(tài)，摻入水體的大量氣體不能從洞口順利排出，這就需要增加專門的進(jìn)排氣設(shè)施，該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，改建工程量大，改建工期較長(zhǎng)。

有壓洞塞式消能方案采用直彎洞和三道水平洞塞利用水流的突縮突擴(kuò)作用消能，出口收縮段與下游平順連接，在整個(gè)洞內(nèi)形成有壓流系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

該消能方式流態(tài)穩(wěn)定、水流參數(shù)易于控制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，消能特性好。買加壩自70年代運(yùn)行至今，未見(jiàn)發(fā)生空蝕破壞的報(bào)道。

綜合考慮，猴子巖非常泄洪洞采用有壓洞塞消能方案。

3.有壓洞塞式泄洪洞減壓模型試驗(yàn)研究

為保證泄洪洞有足夠的抗空化富余度、更有利于提高消能率及降低水平洞段前部的壓力，在常壓試驗(yàn)推薦體型基礎(chǔ)上進(jìn)行了減壓模型試驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)經(jīng)過(guò)多方案的試驗(yàn)比較，提出了“垂直洞塞+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，即：豎井直徑為12m，豎井段設(shè)一級(jí)收縮洞塞，洞塞出口直徑為8.5m，同時(shí)直彎洞塞的進(jìn)、出口直徑均為12m，直彎出口無(wú)突擴(kuò)，水平段洞塞設(shè)五級(jí)水平洞塞組，其出口直徑分別為8.4m、8.7m、9.2m、10.0m及10.2m（詳見(jiàn)圖1～圖2）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在校核水及汛限水位下各洞塞段均沒(méi)有出現(xiàn)空化，該體型滿足工程需要。

4.結(jié)論

本文通過(guò)研究，在常壓模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定采用有壓洞塞式泄洪洞改建方案；并通過(guò)減壓模型試驗(yàn)，提出了“垂直射流+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，確定非常泄洪洞的最終體型。減壓模型試驗(yàn)表明，該體型的抗空化性能滿足工程要求。

作者簡(jiǎn)介：

1. 石江濤（1974～ ），男，四川筠連人，工程碩士，中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作

2. 劉宇（1982～ ），女，四川南充人，工程碩士，中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作

圖2 泄洪洞豎井段詳圖