鳳凰山水電站溢洪道消能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

謝　龍，陳　李，麻　超，姚　科，曹偉崢

鳳凰山水電站溢洪道消能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

謝龍1，陳李1，麻超2，姚科1，曹偉崢1

（1.江蘇交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 210017；2.江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇南京 210000）

鳳凰山水電站位于山區(qū)轉(zhuǎn)平原入口的沖積扇上，樞紐消能防沖的方案設(shè)計(jì)關(guān)系到建筑物的安全和下游河床河岸的穩(wěn)定。為改善其消能段的水流流態(tài)，提高效能效率，通過整體水工模型試驗(yàn)，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)消能段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際效果表明，推薦方案下消能段水流流態(tài)有了明顯改善，下泄水流能夠平順地與天然河床相銜接，水流流態(tài)平順，河勢(shì)穩(wěn)定，滿足工程設(shè)計(jì)和施工的要求。

溢洪道；優(yōu)化設(shè)計(jì)；水流流態(tài)；消能工；消力池

在現(xiàn)代山區(qū)水電站建設(shè)中，由于山區(qū)河流坡降大、地表裸露系數(shù)高、流速急，且受工程造價(jià)及地形限制，溢洪道寬度一般較窄［1］，因此，溢洪道下泄水流往往流態(tài)急能量大，若不采取合理的工程措施，勢(shì)必將對(duì)溢洪道邊壁與下游河床造成嚴(yán)重的沖刷，甚至可能導(dǎo)致溢洪道建筑物失穩(wěn)、影響下游河勢(shì)。因此，科學(xué)合理地選擇消能措施，減小溢洪道下泄能力，對(duì)溢洪道的正常運(yùn)行，降低工程量與工程造價(jià)都具有十分重要的意義［2］。本文以鳳凰山水電站溢洪道建設(shè)為研究背景，采用物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)山區(qū)水電站溢洪道的消能措施進(jìn)行探討。

1　工程概況及模型比尺

鳳凰山水電站工程位于重慶市開縣境內(nèi)，電站壩址位于青竹溪上游觀音巖處，壩址控制流域面積36.4 km3，水庫正常蓄水位680.0 m，正常蓄水位以下庫容1 001.0萬m3，校核洪水位681.2 m，總庫容1 047 萬m3，裝機(jī)容量為3 600 kW。

工程物理模型在重慶交通大學(xué)內(nèi)河航道整治中心完成，根據(jù)模型試驗(yàn)［3］范圍、試驗(yàn)研究目的、場地要求、相似性原理所要求的水流流態(tài)、表面張力等條件，采用平面比尺和垂直比尺相等的正態(tài)模型。根據(jù)河工模型制作的要求，必須滿足基本的相似條件。表1中列出了滿足幾何相似、重力相似以及阻力相似等相似條件［4］的模型比尺。

2　原方案試驗(yàn)結(jié)果

2.1消能工布置

鳳凰山水電站的消能工由陡槽梯坎和下挖式消力池兩部分組成。其中，陡槽段分為2段：陡槽段1 為20級(jí)2.5 m長、2 m高的梯坎，陡槽段2為13級(jí)6 m長、2 m高的梯坎；消力池長55.6 m，深2 m。整個(gè)消能段寬度由8 m漸變至24 m，兩邊墻與中軸線側(cè)向夾角為6.8°。原方案縱向剖面圖見圖1。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別進(jìn)行了各級(jí)洪水流量情況下，溢洪道下游水流流速和沖刷影響范圍的觀測試驗(yàn)。圖2為原方案消能段在設(shè)計(jì)工況（447 m3/s）下的流態(tài)圖。

圖2　原方案設(shè)計(jì)工況下消能段水流流態(tài)

由圖2（a）可見在陡槽段1，下泄水流均貼著每級(jí)梯坎末端連線高速下泄，水體底部與各級(jí)梯坎間形成了三角狀的低壓區(qū)，同時(shí)由于梯坎凹陷處的穩(wěn)定渦流與主流的摩擦而產(chǎn)生強(qiáng)烈混摻效應(yīng)，導(dǎo)致部分水流向兩邊壁匯聚。在陡槽段1與陡槽段2連接處附近，在梯坎高度不變的情況下，由于長度大幅增加（由2.5 m增大至6 m），大量水體在同一級(jí)梯坎內(nèi)形成連續(xù)水躍，在下泄過程中形成紊亂、不連續(xù)的射流，水流流速較大，流態(tài)惡劣，對(duì)梯坎段底板以及邊墻的抗沖穩(wěn)定性也造成了極大的威脅。

由圖2（b）可見，水流進(jìn)入消力池內(nèi)后流速較大，流向紊亂，形成明顯高于主流的水翅現(xiàn)象，且池內(nèi)水深逼近池邊壁高程，水翅最高處高程甚至高于邊壁，池深不足。同時(shí)，與實(shí)測資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，下泄水流偏離天然河床主流線位置，河床中水流流速較大，對(duì)下游河道沖刷比較嚴(yán)重，而且溢洪道出口下游右岸有一由松散巖石堆積而成的大型崩滑體，較大的溢洪道出流流速容易破壞崩滑體的穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)水電站的正常安全運(yùn)行和天然河道河勢(shì)穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

原方案模型試驗(yàn)結(jié)果表明，鳳凰山電站采用該方案建設(shè)運(yùn)行后，存在下游河床中水流流速較大，河道沖刷較為嚴(yán)重，對(duì)右岸松散崩滑體穩(wěn)定和下游岸邊建筑物設(shè)施的安全構(gòu)成威脅等問題，有必要對(duì)溢洪道的泄洪消能形式進(jìn)行修改和優(yōu)化。

3　溢洪道消能工優(yōu)化

3.1溢洪道消能工優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1梯坎式陡槽優(yōu)化

階梯式陡槽的主要消能方式是通過尾坎的作用，強(qiáng)迫水流在最佳位置形成連續(xù)的水躍［5］，并且從上一級(jí)尾坎跌下的水流在下一級(jí)的梯坎內(nèi)形成以跌落水股，向下游旋滾為主的正反2個(gè)旋滾，使得水流所挾帶的大量能量通過摩擦、沖擊而消散，從而達(dá)到消能的目的。

（1） 陡槽段1上半段部分水流貼梯坎末端下泄，可略微延長每級(jí)梯坎長度（由原來的2.5 m延長至2.6 m），使水流在與每級(jí)梯坎沖擊、摩擦后再下泄至下一級(jí)梯坎。

（2） 陡槽段1末端（16級(jí)梯坎處）水流逐漸脫離梯坎底板，應(yīng)從此處開始對(duì)每級(jí)梯坎長度進(jìn)行延長，且陡槽段1和陡槽段梯坎長度差異過大，應(yīng)改變此處體形，引導(dǎo)水流漸變。綜合考慮，將陡槽段1由20級(jí)改為15級(jí)，并在陡槽段1末端設(shè)置連接過渡段。過渡段共5級(jí)，級(jí)高均為2 m，長度由3 m漸變至5 m。

（3） 陡槽段2每級(jí)長度略長，下跌水股在每級(jí)梯坎跌落處不一致，導(dǎo)致射流幅度、方向相互交錯(cuò)，水流流態(tài)紊亂，因此根據(jù)陡槽段2入口處射流下泄軌跡，將長度由6 m縮短至5.5 m；并根據(jù)周圍實(shí)際地形條件，將梯坎數(shù)由13級(jí)縮減為11級(jí)。

3.1.2消力池優(yōu)化

高速下泄水流在消力池內(nèi)可能發(fā)生臨界式水躍、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍、淹沒式水躍，這3種水躍，特別是遠(yuǎn)驅(qū)式水躍對(duì)消力池的池底及邊墻具有相當(dāng)巨大的沖刷破壞作用［6］，為防止這種破壞，保證水工建筑物的正常運(yùn)行，應(yīng)盡可能在短距離內(nèi)消除水流余能，使高速集中水流安全地轉(zhuǎn)為下游的正常緩流［7］。

針對(duì)原方案消力池池深不足、出口流速過大等問題，可采用二元水躍公式確定消力池的池長L和池深d。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮施工可行性及原方案不足，將消力池池長由55.6 m增加至65 m，池深由2 m增大至3 m。計(jì)算公式如下［8］：

式中：h1為躍前水深；h2為躍后水深；q為溢洪道下泄流量；h'為初始水頭；H0為計(jì)算斷面渠底以上總水頭；φ為消力池出流的流速系數(shù)，根據(jù)鳳凰山電站等別取0.92。Frc為沸汝德數(shù)；Lk為連續(xù)水躍長度；δ為安全系數(shù)，根據(jù)鳳凰山水電站等別取1.35。

3.1.3設(shè)計(jì)成果

經(jīng)計(jì)算并考慮設(shè)計(jì)施工方便，將陡槽分為3段，其中，陡槽段1為15級(jí)2.6 m長、2 m高的梯坎；陡槽段2共5級(jí)梯坎，長度由3 m均勻增至5 m，高度都為2 m；陡槽段3為11級(jí)5.5 m長、2 m高的梯坎。消力池的池深為3 m，池長為64.5m。整個(gè)消能段寬度由8 m漸變至24 m。推薦方案消能工布置圖見圖3。

圖3　推薦方案消能工組合設(shè)計(jì)成果圖

3.2推薦方案消能效果

梯坎段和消力池流速值分別見表2、表3。

表2　梯坎段流速值分析比較　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 m/s

表3　消力池流速值分析比較

結(jié)果表明，推薦方案在陡槽段出口處的流速小于入口處的流速，不但損耗了整個(gè)梯坎處水頭落差的重力勢(shì)能，還減小了一部分動(dòng)能。相比之下，原方案在陡槽段出口處的流速要大于其在進(jìn)口處的流速，消能效果不理想。同時(shí)，推薦方案下的梯坎段流態(tài)有了明顯的改善，水流基本貼底坡下泄，空化現(xiàn)象顯著減弱，陡槽末端的亂向射流有了明顯改善，各梯坎處水躍趨于均勻。

從表3中數(shù)據(jù)可看出，推薦方案在增加消力池池長、池深的情況下，下泄水體在池內(nèi)有更充分的空間不斷旋滾、摩擦，很好地耗散了高速水流所挾帶的動(dòng)能。推薦方案的出池流速以及下泄流速均小于原方案，消能效率提升比較明顯，消能效果良好。同時(shí)，由圖4也可知，推薦方案下，消力池內(nèi)水流流速更加平緩，很好地消除了水翅現(xiàn)象，提高了工程運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖4　推薦方案設(shè)計(jì)工況下消能段水流流態(tài)

4　結(jié)論

水庫溢洪道是水庫安全的重要保障，而消能形式又是溢洪道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，關(guān)系到樞紐其他主要建筑物及下游建筑物的安全問題。合理選擇消能形式不僅使工程安全可靠，而且能夠節(jié)約工程投資。本文根據(jù)鳳凰山電站原方案消能工存在的不足，綜合地質(zhì)地形條件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1） 將陡槽段1的每級(jí)梯坎的長度由2.5 m延長至2.6 m，保證了水流與梯坎充分的旋滾、摩擦。

（2） 根據(jù)原方案流態(tài)情況，從水體開始脫離底板形成亂向射流的區(qū)域開始設(shè)置過渡段，將原陡槽段1由20級(jí)改為15級(jí)，并在陡槽段1末端設(shè)置過渡段。過渡段共5級(jí)，級(jí)高均為2 m，長度由3 m漸變至5 m。

（3） 將原方案陡槽段2每級(jí)梯坎長度由6 m縮減至5.5 m，梯坎數(shù)由13級(jí)縮減為11級(jí)，很好地改善了原方案該位置下跌水流在每級(jí)梯坎落點(diǎn)差異大，射流幅度、方向相互交錯(cuò)、水流流態(tài)紊亂的不利現(xiàn)象。

（4） 參照二元水躍公式，將原方案消力池池長由55.6 m增加至65 m，池深由2 m增大至3 m，很好地耗散了高速水流所挾帶的動(dòng)能，消減了水翅現(xiàn)象，提高了消能率。同時(shí)，池深的增加也緩解了兩邊壁高度不夠，水流漫溢的威脅。

本文針對(duì)鳳凰山水電站溢洪道“連續(xù)陡槽梯坎+消力池”的消能工組合進(jìn)行了體形優(yōu)化設(shè)計(jì)，在各級(jí)流量工況下，均很好地提高了梯坎段與消力池的消能效率，大幅降低了下泄流速，減小了對(duì)下游河道的沖刷破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，推薦方案下消能段水流流態(tài)有了明顯改善，達(dá)到了較為理想的消能效果，下泄水流能夠平順地與天然河床相銜接，水流流態(tài)平順，河勢(shì)穩(wěn)定，滿足工程設(shè)計(jì)和施工的要求，對(duì)其他類似工程有著重要的參考價(jià)值。

［1］SL253—2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］ .

［2］吳持恭.水利學(xué)（第三版，下冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］王世夏.水工設(shè)計(jì)的理論和方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［4］楊勝發(fā)，付旭輝，重慶市彭水縣羊頭鋪水電站水工模型研究報(bào)告［D］.重慶：重慶交通學(xué)院，2005.

［5］宋永嘉，田林鋼，李河.溢洪道進(jìn)水渠進(jìn)口形式試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2005，27（9）：56-57.

［6］李建中，寧利中.高速水力學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［7］胡鵬飛，袁觀棟.劉家溝水電站溢洪道進(jìn)口導(dǎo)墻體型優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.吉林水利，2011（1）：25-27.

［8］胡鵬，胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，29（5）：813-815.

Optimization Design of Spillway Energy Dissipation for Fenghuangshan Hydropower Station

Xie Long1， Che Li1， Ma Chao2， Yao Ke1， Cao Weizheng1
（1. Jiangsu Transportation Institute， Nanjing 210017， China；2. Jiangsu Weixin Engineering Consulting Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Fenghuangshan hydropower station locates in the entrance of alluvial fan， it's energy dissipation design relates to the building safety and stability of downstream river banks. To improve water flow regime of energy dissipation section and increase the efficiency， energy dissipation section is optimized using integral hydraulic model test on the basis of the original design scheme， the actual effects show that water flow regime of energy dissipation section is improved significantly， the drainage water links up with natural river smoothly， the river regime is stability. The spillway energy dissipation meets the requirements of engineering design and construction.

spillway； optimization design； water flow regime； energy dissipator； strilling basin

F562.0

A

1672-9889（2015）01-0071-04

國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：50879006）

謝龍（1988-），男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事港口、海岸工程模擬技術(shù)的研究工作。

（2014-03-24）