異形挑流坎在抽水蓄能電站下水庫(kù)溢洪道水工模型的試驗(yàn)研究

【摘要】本文在對(duì)某抽水蓄能電站下水庫(kù)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)下水庫(kù)泄洪建筑物進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后方案進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的的研究，為后續(xù)如溢洪道布置、各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和下游防沖護(hù)岸方案等提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；下水庫(kù)泄洪；水工模型；優(yōu)化

1、概述

抽水蓄能電站工程樞紐主要由上水庫(kù)主壩、副壩、下水庫(kù)大壩、溢洪道、泄洪洞、輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等建筑物組成，本文模型試驗(yàn)的電站下水庫(kù)位于綦江一級(jí)支流清溪河上游右岸支流石家溝上，該河谷為“V”字形溝谷，下水庫(kù)常水位時(shí)其水面寬度一般小于10m，而水深小于1m。電站下水庫(kù)的正常蓄水位為549.0m，下水庫(kù)的總庫(kù)容為1412萬m3，電站總裝機(jī)容量為1200MW。

抽水蓄能電站下水庫(kù)分別沿河床兩岸順河與垂直河流方向以卸荷裂隙的方式發(fā)育，兩岸砂巖表面部分巖體呈強(qiáng)風(fēng)化，泥巖部分呈全風(fēng)化。

2、試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本文通過對(duì)抽水蓄能電站下水庫(kù)溢洪道、泄洪洞二者聯(lián)合運(yùn)行以及單獨(dú)運(yùn)行時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。通過對(duì)數(shù)據(jù)的的研究，最終溢洪道進(jìn)水條件、消能工體型以及下游防沖工程措施進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化，為后續(xù)如溢洪道布置、各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和下游防沖護(hù)岸方案等提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

通過對(duì)抽水蓄能電站下水庫(kù)常年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得知水庫(kù)常水位為549.0m。因而，此次試驗(yàn)擬在水庫(kù)常水位條件下，分別對(duì)溢洪道提出等寬連續(xù)挑坎和窄縫式挑坎兩種方式進(jìn)行消能工型式試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步由試驗(yàn)得出結(jié)果設(shè)計(jì)出以不同高度設(shè)計(jì)的斜鼻坎體溢洪道模型，通過對(duì)泄流能力，溢洪道流態(tài)、流速與水面線，下游沖刷數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)并通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出優(yōu)化調(diào)整措施建議，并為后續(xù)的護(hù)岸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 等寬連續(xù)挑流鼻坎方案分析

在溢洪道等寬連續(xù)挑流鼻坎方案試驗(yàn)中，在泄洪洞與溢洪道在正常549.00m的蓄水位條件下工作時(shí)，溢洪道進(jìn)水口流態(tài)較為平順，左導(dǎo)墻端部局部出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，且部分區(qū)域繞流流速可達(dá)到1.50m/s左右。由觀察發(fā)現(xiàn)泄槽內(nèi)流態(tài)較好，斷面水深分布較為均勻，槽內(nèi)無明顯沖擊波產(chǎn)生。通過對(duì)溢洪道挑流水舌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水舌落點(diǎn)靠近右岸邊，其入水寬度大于河床平均寬度其值約為16m，通過對(duì)挑流水舌進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)其橫向擴(kuò)散雖然不夠充分，但由于能量較為集中，使得水流入水后可以對(duì)左岸開挖邊坡形成一定沖擊力量，泄洪洞水流呈遠(yuǎn)驅(qū)水躍下泄，與溢洪道挑射下潛水流形成碰撞摻混，二者的碰撞可以在一定程度上起到消能的作用，下游動(dòng)床由溢洪道與泄洪洞下泄水流沖刷形成兩個(gè)較為明顯的沖坑，沖坑深度可達(dá)12.89m且坑體靠近右岸邊，威脅邊坡穩(wěn)定。

3.2 窄縫式挑流鼻坎方案分析

在窄縫式挑流鼻坎方案試驗(yàn)中，當(dāng)溢洪道與泄洪洞聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，泄洪洞進(jìn)口上方會(huì)偶有游動(dòng)小漩渦出現(xiàn)，但此類游動(dòng)小漩渦并未能形成挾氣漏斗，因而，泄洪洞總體進(jìn)口水面平穩(wěn)，流態(tài)較好。但當(dāng)下泄水流進(jìn)入平面轉(zhuǎn)彎段后，水流會(huì)在慣性的作用對(duì)左側(cè)洞壁造成沖擊，致使平面轉(zhuǎn)彎段全程的水深左側(cè)明顯大于右側(cè)，斷面左側(cè)水深最大值為4.80m，右側(cè)水深最大值為3.20m，兩側(cè)最大水深值均低于泄洪洞兩側(cè)直墻高度。對(duì)于溢洪道挑流水舌觀察發(fā)現(xiàn)水舌未沿縱向充分拉開，導(dǎo)致水舌入水處能量仍較集中，且動(dòng)床沖坑位于右岸邊坡處，威脅邊坡穩(wěn)定，因而，利用窄縫式挑流鼻坎無法達(dá)到開始的預(yù)期效果。

3.3 斜鼻坎體優(yōu)化方案分析

通過對(duì)等寬連續(xù)挑流鼻坎方案以及窄縫式挑流鼻坎方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩種設(shè)計(jì)方案均無法達(dá)到預(yù)期效果，因而，仍需對(duì)溢洪道挑流鼻坎體型進(jìn)行進(jìn)一步研究，得出優(yōu)化調(diào)整措施建議，以改善下游河道流態(tài)和減輕沖刷，并為后續(xù)的護(hù)岸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.3.1 泄流能力

以高度溢洪道挑流鼻坎體型在溢洪道單獨(dú)運(yùn)行以及溢洪道和泄洪洞聯(lián)合運(yùn)行的不同工況下運(yùn)行，通過對(duì)實(shí)測(cè)上游水位與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行分析可知，溢洪道在正常蓄水位下單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，下泄流量為654m3/s，略小于20年一遇洪水下泄流量662m3/s；溢洪道與泄洪洞全開聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)泄流能力為1230m3/s，比設(shè)計(jì)值大31.1%。由此可見，通過改變流鼻坎體型泄水建筑物高度，可以使建筑物的泄流能力基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 溢洪道流態(tài)、流速與水面線

試驗(yàn)以百年一遇以下泄洪工況按正常蓄水位進(jìn)行調(diào)控，百年一遇及以上洪水按泄洪樞紐下泄流量進(jìn)行調(diào)控，下游水位則按實(shí)際下泄流量進(jìn)行控制，通過對(duì)溢洪道流態(tài)、流速與水面線的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可以很看出：不同工況下泄槽斜坡段臨底流速隨著泄水的流程增加而增大，基本上在圓弧銜接段末樁處達(dá)到最大值，并且在末端處測(cè)得水流流速范圍在26.49m/s～29.27 m/s之間。

通過對(duì)從以上試驗(yàn)成果進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，此時(shí)溢洪道進(jìn)口水流較為平順，無明顯不利流態(tài)產(chǎn)生。雖然在閘門全開情況下進(jìn)行泄洪，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口水流側(cè)向收縮的位置并不對(duì)稱，但經(jīng)過渡段調(diào)整，水流水面高程已基本達(dá)到一致，下泄水流經(jīng)過閘室后迅速發(fā)生均化，最終不會(huì)對(duì)泄槽內(nèi)流態(tài)造成不利影響。

3.3.3 下游沖刷

隨著試驗(yàn)工況的改變，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出以流鼻坎體型方案運(yùn)行時(shí)，下泄流量不斷增加，導(dǎo)致溢洪道水舌挑距也隨之增大，最終水舌入水后直接沖擊左岸，沖坑最深點(diǎn)均位于左岸坡腳處，同時(shí)，下游沖坑最深點(diǎn)高程為473.87m，基本位于泄洪洞軸線方向，距離泄洪洞出口平臺(tái)約27.00m。從各試驗(yàn)工況溢洪道參與泄洪時(shí)的沖坑位置與形態(tài)這兩方面來看，由于下游水位低，河床水墊淺，造成水舌基本均直接砸落在動(dòng)床上，使得河床及兩岸沖刷較為嚴(yán)重，因此，在這種流鼻坎體型試驗(yàn)方案中，可考慮改為溢洪道與泄洪洞聯(lián)合運(yùn)行，用以減輕下游河床沖刷。

4、結(jié)論與建議

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)等寬連續(xù)挑流鼻坎方案以及窄縫式挑流鼻坎方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)這兩種設(shè)計(jì)方案均無法達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果，因而，在這兩種基礎(chǔ)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)計(jì)出結(jié)果設(shè)計(jì)出以不同高度設(shè)計(jì)的斜鼻坎體溢洪道模型。通過對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，證明了優(yōu)化方案可完全滿足實(shí)際水庫(kù)泄洪要求，并充分減少對(duì)河床的沖擊以及磨損。同時(shí)提出應(yīng)需對(duì)壩下260.00m～壩下360.00m的范圍內(nèi)兩岸邊坡以及其相應(yīng)基礎(chǔ)、泄洪洞出口進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，用以保證邊坡穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院編，《泄水建筑物下游的消能防沖問題》，1980年

[2]劉子榕等，挑流消能中的反弧半徑和臨界挑射流量問題，泄水建筑物肖能防沖論文集

[3]鄒紹剛，《泄洪洞挑流坎臨界起挑流量計(jì)算（數(shù)解法）》，吉林省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院科研所