額勒賽下游水電站上電站溢洪道設(shè)計(jì)研究

劉 文 勝

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京　100024)

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額勒賽下游水電站上電站溢洪道設(shè)計(jì)研究

劉 文 勝

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

摘要：額勒賽上電站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能問題突出。為此在可研階段對(duì)溢洪道布置進(jìn)行了深入研究，結(jié)合水工模型試驗(yàn)報(bào)告對(duì)消能防沖和各級(jí)洪水泄洪建筑物的運(yùn)行方式進(jìn)行了多方案比較，設(shè)計(jì)了適合該工程的分槽泄洪，中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應(yīng)使水舌盡量向左擴(kuò)散，避免水舌中右側(cè)與左孔水舌疊加，有效地解決了消能問題。

關(guān)鍵詞：溢洪道布置；溢洪道水力設(shè)計(jì)；溢洪道水工模型試驗(yàn)；分槽設(shè)計(jì)

1工程概況

額勒賽下游水電站(Lower Stung Russei Chrum Hydro- electric Power Project)位于柬埔寨首都金邊以西180 km，戈公省會(huì)戈公市以北20 km的額勒賽河下游。該電站由相距8 km的上下兩個(gè)電站組成，分別稱為額勒賽下游水電站上電站和額勒賽下游水電站下電站。額勒賽下游水電站總裝機(jī)338 MW，是目前柬埔寨已投產(chǎn)的最大的水電項(xiàng)目。

上電站正常蓄水位為260 m，裝機(jī)容量為206 MW。電站采用混合式開發(fā)，主要建筑物均由攔河壩、進(jìn)水口、壓力引水道、調(diào)壓井、壓力管道、地面廠房和開關(guān)站等組成。

2額勒賽上電站泄水建筑物布置及特點(diǎn)

額勒賽上電站工程等別為二等大(2)型工程，泄水消能建筑物為2級(jí)建筑物。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為7 020 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為9 450 m3/s。消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)：采用50年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為3 930 m3/s。

本工程擋水建筑物為面板堆石壩，經(jīng)泄水建筑物布置方案比較論證，采用國內(nèi)同類工程中常用的表孔溢洪道+深孔泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式，表孔溢洪道具有較強(qiáng)的超泄能力，深孔泄洪洞可兼起水庫放空作用，溢洪道和泄洪洞既可單獨(dú)泄洪，又可聯(lián)合運(yùn)用，調(diào)度靈活、方便。根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)、地形條件，將泄水消能建筑物布置在右案。

為確保泄洪安全，開敞式溢洪道承擔(dān)主要泄洪任務(wù)，發(fā)生常遇洪水時(shí)，采用溢洪道宣泄；泄洪放空洞，施工期兼顧導(dǎo)流洞的作用，運(yùn)行期一般在發(fā)生設(shè)計(jì)洪水及其以上標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，和溢洪道一起承擔(dān)泄洪任務(wù)，其最大泄量為1 400 m3/s，其余泄量由溢洪道承擔(dān)。在非常情況下，泄洪放空洞承擔(dān)降低水位、放空水庫的作用。泄水建筑物調(diào)洪演算成果見表1。

表1　調(diào)洪演算成果表

3溢洪道布置

根據(jù)地形地質(zhì)條件，右岸岸邊開敞式溢洪道布置于右壩肩內(nèi)側(cè)，與右壩頭相接，由引水渠、控制段、泄槽和出口消能工組成。

額勒賽溢洪道布置區(qū)域地層巖性較單一，巖層近水平，巖性主要為侏羅系中統(tǒng)石英砂巖、紫紅色泥巖、泥質(zhì)砂巖等。以砂巖為主的砂巖巖組與以泥巖為主的泥巖巖組相間分布，層位相對(duì)較穩(wěn)定，相鄰巖層均為漸變過渡。250～243 m高程段巖體為弱風(fēng)化砂巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度30～60 MPa，屬堅(jiān)硬巖，巖體中厚層狀，巖體較完整，邊坡巖體Ⅲ2類為主。234～243 m高程為J29層微風(fēng)化石英砂巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度60～80 MPa，屬堅(jiān)硬巖，巖體中厚層狀，巖體較完整，巖體為Ⅲ1類。216～234 m高程地基巖石主要為J28層弱～強(qiáng)風(fēng)化泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度5～15 MPa，為軟巖，巖體中厚層狀，巖體宜崩解。182～216 m高程地基巖石主要為J27弱風(fēng)化灰白色石英砂巖夾少量灰黑色泥巖條帶。

圖1　額勒賽下游水電站上電站溢洪道平面布置

3.1引渠段

根據(jù)地形地質(zhì)條件，引水渠靠右岸一側(cè)順直布置；靠壩體一側(cè)設(shè)置直線段和圓弧段，直線段長40 m，圓弧段半徑110 m，圓弧段與直線段平順連接。引渠段開挖長約140 m，樁號(hào)0-002.00～樁號(hào)0-040.00范圍內(nèi)設(shè)置重力式擋墻，擋墻與開挖邊坡平順連接。引渠段開挖底高程為240 m，240～255 m高程開挖坡比1∶0.5，在255 m高程設(shè)置3 m寬馬道，255 m高程以上開挖坡比1∶1.5。

3.2閘室控制段

溢洪道閘室控制段溢流堰分3孔，閘墩厚度4 m，控制段長為40 m。閘門尺寸為14×18 m，為WES實(shí)用堰，堰頂高程245 m，堰高5 m，堰上游面坡度3∶1，原點(diǎn)上游采用雙圓弧曲線。每孔設(shè)弧形工作門，溢流前沿凈寬50 m，接壩邊墩采用重力式，頂寬4m，坡率為1∶0.3。

3.3泄槽段

泄槽段分為緩坡段、拋物線連接段和陡槽段。緩坡段長度76 m，坡率1∶15；拋物線連接段長度65.68 m；陡槽段長度74.32 m，坡率1∶1.801。泄槽底板厚度為0.5 m～1 m。

3.4出口消能工段

溢洪道出口消能初步設(shè)計(jì)時(shí)采用等寬連續(xù)挑坎，挑坎段長度30 m左右，挑流鼻坎反弧半徑30 m，鼻坎出口高程約178.00 m。

4溢洪道水力設(shè)計(jì)

4.1泄流能力計(jì)算

開敞式溢洪道采用WES型實(shí)用堰，按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5166-2002)規(guī)定泄水能力計(jì)算公式為：

式中Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m；H0為堰上水頭，m；m為流量系數(shù)；溢洪道泄流能力計(jì)算成果見表2。

表2　溢洪道泄流能力曲線

4.2溢洪道泄槽水面線計(jì)算

選取校核洪水位工況時(shí)，溢洪道下泄流量7 457 m3/s進(jìn)行泄槽水面線推求，水面線推求分為泄槽段水面線推求、消能段水面線推求兩部分。水面線推求公式：

家境貧寒，沒有打擊到這個(gè)樂觀的小女孩，相反，也沒有熄滅她對(duì)街舞的熱愛。第一次接觸到街舞時(shí)，嘉琪才7歲半。當(dāng)時(shí)她已經(jīng)學(xué)過一年的拉丁舞，也嘗試過芭蕾、鋼琴、吉他，但統(tǒng)統(tǒng)都不感興趣。直到有一天路過一間舞蹈教室，因剛開業(yè)，生源不多，但街舞那富有韻律的節(jié)奏和爆發(fā)力驚艷到了她?！皨寢?，讓我試一下跳街舞吧?！眿寢尫浅ＶС炙膼酆谩?/p>

水面線考慮波動(dòng)及摻氣影響，摻氣水深按以下公式計(jì)算：

式中h為未計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深，m；hb為計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深，m；v為未計(jì)入波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面上的平均流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，計(jì)算中按不同流速截面取1.15～1.4s/m。

溢洪道水面線計(jì)算成果見表3。

表3　溢洪道水面線計(jì)算成果

泄槽起始段計(jì)算臨界水深6.937 m；臨界流速21.499 m/s。

4.3消能計(jì)算

出口采用挑流消能，挑坎頂高程為178 m，初擬挑角在18.79～30°范圍內(nèi)取值。進(jìn)行挑距近似計(jì)算和沖坑深度估算。

挑距計(jì)算公式：

L=

式中L為水舌拋距，m，如有水流向心集中者,則拋距還應(yīng)乘以0.90～0.95的折減系數(shù)；v1為坎頂水面流速，m/s,v為坎頂平均流速，m/s；H0為水庫水位至坎頂?shù)穆洳睿琺；θ為鼻坎挑角；h1為坎頂垂直方向水深，m；h為坎頂平均水深，m；h2為坎頂至下游河床高差，m，如形成沖坑，可算至坑底 。

最大沖坑處水墊厚度計(jì)算公式：

tk=α1q0.5H0.25

式中tk為最大沖坑水墊厚度，m，q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量，m3/(sm)；H為上、下游水位差，m；α1為基巖特征影響系數(shù)，采用1.2。挑流消能計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　挑流消能計(jì)算結(jié)果

當(dāng)沖刷坑后坡i

5溢洪道水工模型試驗(yàn)

額勒賽上電站水工模型試驗(yàn)首先率定了溢洪道的泄流能力。試驗(yàn)率定各特征水位泄量均與設(shè)計(jì)計(jì)算值基本吻合，整體泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)和校核洪水位，溢洪道進(jìn)口引渠右側(cè)水流平順，左側(cè)導(dǎo)墻曲線段內(nèi)側(cè)由于繞流作用水面凹陷。堰上流態(tài)正常，泄槽緩坡段兩側(cè)水深沿程逐漸減小，兩中墩后水流交匯形成“水翅”。渥奇段和陡坡段和挑流鼻坎內(nèi)水流平順。挑射水流最大挑距超過130 m，入水偏于左岸并頂沖左岸。

各部位壓力分布正常。溢洪道中線堰頂3#測點(diǎn)(溢0+008.95 m)處壓力最小，校核洪水始其值為-1.65×9.81 kPa，設(shè)計(jì)洪水時(shí)其值為-1.16×9.81 kPa?！兑绾榈涝O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：對(duì)于設(shè)計(jì)洪水閘門全開情況，堰頂附近負(fù)壓值不得大于0.03 MPa(約為3×9.81 kPa)；對(duì)于核核洪水閘門全開情況，堰頂附近負(fù)壓值不得大于0.06 MPa(約為6×9.81 kPa)。

溢洪道需要經(jīng)常開起宣泄不同的洪水流量，無論從泄洪消能還是從運(yùn)行角度考慮，對(duì)溢洪道進(jìn)行分槽泄洪是十分必要的。溢洪道經(jīng)模型試驗(yàn)比較后推薦采用左孔單獨(dú)成一槽，中孔和右孔成一槽的分槽方案；推薦在中孔和右孔隔墩末設(shè)穩(wěn)流墩。左孔單獨(dú)兩槽方案在溢洪道左孔右側(cè)設(shè)1 m厚的隔墻與其它兩孔隔開，左孔泄槽凈寬17 m。該方案中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應(yīng)使水舌盡量向左擴(kuò)散，避免水舌中右側(cè)與左孔水舌左側(cè)疊加。在設(shè)計(jì)洪水沖刷情況下，沖坑最深點(diǎn)沖刷到122.0 m高程，深23 m；左岸最深點(diǎn)沖刷到127.0 m，沖深18.0 m；右岸最深沖刷到127.8 m高程，沖深17.2 m。50年一遇洪峰流量，可通過三孔均局開8 m泄放。最深點(diǎn)沖刷到129.0 m高程，深16.0 m；左岸最深點(diǎn)沖刷到138.0 m，沖深7.0 m；右岸最深沖刷到130.3 m高程，沖深14.7 m。

推薦方案沒有改變泄洪放空底孔的出口體型和溢洪道的堰面體型，溢洪道進(jìn)口引渠的修改對(duì)流量的影響很小，可以忽略不計(jì)。因此推薦方案泄水建筑物的的泄流能力與原方案相同。

本工程設(shè)計(jì)的泄水建筑物運(yùn)行方式為：來水量為常遇洪水洪峰流量時(shí)采用溢洪道泄洪；來水量大于200年一遇洪水洪峰流量時(shí)，同時(shí)開啟泄洪洞和溢洪道聯(lián)合泄洪。溢洪道需下泄的流量變化幅度較大各頻率的洪水，而三孔溢洪道閘后只用一道隔墻分成兩槽，運(yùn)行靈活性較小，有必要對(duì)泄洪運(yùn)行方式進(jìn)行研究。

泄洪運(yùn)行方式的選擇應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：(1)流態(tài)良好，避免出現(xiàn)可能危及建筑物安全的不良流態(tài)。(2)下游沖刷較淺，不危及挑流鼻坎的安全。(3)操作簡單。試驗(yàn)優(yōu)選的各級(jí)洪水泄水建筑物運(yùn)行方式見表5。表中開度為弧門下緣與堰頂?shù)母叱滩睢Ｔ囼?yàn)研究表明，溢洪道各孔局開4 m時(shí)，兩泄槽的水流基本能夠挑離本岸，開度小于4 m時(shí)水舌砸岸，因此，應(yīng)避免各孔開度小于4 m。開度過大時(shí)，閘前壅水波動(dòng)較大，漩渦較強(qiáng)，可能危及閘門安全。設(shè)計(jì)洪水位溢洪道全開時(shí)，堰頂處水深約16 m，經(jīng)試驗(yàn)研究認(rèn)為，閘門局開開度應(yīng)小于12 m。2#孔和3#孔公用一個(gè)泄槽，兩孔開度應(yīng)盡量保持相同，2#孔開度可大于3#孔，但當(dāng)2#孔開度小于3#孔時(shí)，水舌絕大部分砸在本岸。

表5　試驗(yàn)優(yōu)選的各級(jí)洪水泄洪建筑物運(yùn)行方式

水工模型試驗(yàn)證明溢洪道總體布置是合理的。泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。推薦的左孔單獨(dú)成槽兩槽方案，可滿足泄放各頻率洪水的要求。各

級(jí)洪水對(duì)下游河道的沖刷不會(huì)危及泄水建筑物的安全。

6結(jié)語

額勒賽上電站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能問題突出。為此在可研階段對(duì)溢洪道布置進(jìn)行了深入研究，結(jié)合水工模型試驗(yàn)報(bào)告對(duì)消能防沖和各級(jí)洪水泄洪建筑物的運(yùn)行方式進(jìn)行了多方案比較，設(shè)計(jì)了適合該工程的分槽泄洪，中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應(yīng)使水舌盡量向左擴(kuò)散，避免水舌中右側(cè)與左孔水舌左側(cè)疊加，有效地解決了消能問題。

(責(zé)任編輯：卓政昌)

劉文勝(1986-)，男，湖南衡陽人，畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè) ，工程師，現(xiàn)于中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水利水電工程壩工專業(yè)設(shè)計(jì)工作.

作者簡介:

文章編號(hào):1001-2184(2016)02-0098-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV651.1；TG802

收稿日期:2016-02-18