小山口水電站泄洪系統(tǒng)聯(lián)合消能工的消能率問題探究

張俊偉

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

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小山口水電站泄洪系統(tǒng)聯(lián)合消能工的消能率問題探究

張俊偉

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

摘要：小山口水電站采用表孔和底孔聯(lián)合泄流的泄洪方式。中小流量時(shí)，以底孔和機(jī)組泄流為主；大流量時(shí)，則以表孔、底孔和機(jī)組聯(lián)合泄流。實(shí)踐證明，“表孔寬尾墩+底孔+挖深式消力池”的聯(lián)合消能設(shè)施是一種高效的聯(lián)合消能工程，消能效果良好。

關(guān)鍵詞：泄洪消能；溢流壩；寬尾墩；臺階式壩面；消力池；聯(lián)合消能工

1工程概況

小山口水電站位于新疆開都河下游，工程以發(fā)電為主，兼有防洪等綜合效益，是開都河梯級開發(fā)規(guī)劃中的第十級電站。工程主要是由左岸混凝土重力壩+右岸混凝土面板砂礫石壩、重力壩上布置泄洪溢流表孔、導(dǎo)流兼泄洪底孔和發(fā)電引水系統(tǒng)以及壩后式地面廠房等組成。

水庫總庫容5 026 萬 m3，最大壩高46.6m，電站裝機(jī)容量49.5MW。水電站屬中型Ⅲ等工程。

大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇，洪峰流量1 277.50 m3/s，經(jīng)調(diào)洪演算后最大下泄流量1 210.88 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1 000 a一遇，洪峰流量2 079.80 m3/s，經(jīng)調(diào)洪演算后最大下泄流量1886.38m3/s。

表孔溢洪道河床覆蓋層為砂卵礫石，厚約5～7 m，相對密度0.78，密實(shí)，透水性強(qiáng)；沖積砂礫石層以下為泥巖及砂巖互層，強(qiáng)風(fēng)化層厚3～4.5 m，弱風(fēng)化厚8～12 m。巖石為軟巖，強(qiáng)度低，水理性質(zhì)不良，抗風(fēng)化、抗水性差(軟化系數(shù)<0.28)，透水性弱，抗沖流速極低。

溢流壩及消力池段基礎(chǔ)位于基面之下10m，為弱風(fēng)化—新鮮巖體，海漫段基礎(chǔ)大部位于砂礫石層上，海漫末端基礎(chǔ)砂礫石層厚度2～2.5m。

2溢流壩段聯(lián)合消能工設(shè)計(jì)

2.1寬尾墩聯(lián)合消能技術(shù)

寬尾墩與其它消能措施的聯(lián)合消能中，寬尾墩加臺階式溢流壩是一種附加消能措施，由此改變了原有的消能機(jī)理及消能過程[1]。其特點(diǎn)是將溢流壩閘墩尾部由常規(guī)的平尾改為寬尾，將溢流面由常規(guī)的光滑面改為臺階式，把堰頂原來的二元溢流水舌在墩尾加以收縮，迫使水舌沿壩面縱向擴(kuò)展而成為堰頂三元收縮射流[2]，同時(shí)加上臺階的強(qiáng)烈紊動作用，將大大加快紊流邊界層發(fā)展到水面的進(jìn)程，以上措施綜合構(gòu)成對片狀水舌下部的突擴(kuò)、突跌式的摻氣作用，使水流充分摻氣，既可使溢流壩面免遭空蝕，又提高了消能率[3] [4]。

這種新形態(tài)水流和各種傳統(tǒng)消能流(底流、面流、挑流)聯(lián)合運(yùn)用，形成各種寬尾墩聯(lián)合消能工，明顯提高傳統(tǒng)消能工的消能率，改善下游銜接流態(tài)，減少沖刷，尤其是和底流或戽流結(jié)合時(shí)，其效率更為顯著，是解決大單寬流量、低佛氏數(shù)泄洪消能難題的一條新的有效途徑[2]。

2.2設(shè)計(jì)構(gòu)想

設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)工況下，表孔泄量為842.28m3/s，底孔泄量為260.60 m3/s，消力池末端單寬流量為28.6 m3/s·m。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)工況下，表孔泄量1334.02 m3/s，底孔泄量為552.36 m3/s，消力池末端單寬流量為49.0 m3/s·m。

綜上所述，泄洪系統(tǒng)泄洪能量較大，而河床抗沖刷能力較低，若消能措施不當(dāng)，勢必造成下游河床及尾水渠防洪堤的嚴(yán)重沖刷，進(jìn)而危及大壩及廠房的安全。那么，提高泄洪系統(tǒng)消能工的消能率就成為關(guān)鍵所在。因此，結(jié)合寬尾墩聯(lián)合消能技術(shù)的應(yīng)用，小山口水電站泄洪系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)采用“表孔寬尾墩+臺階式溢流面+底孔+綜合式消力池”的聯(lián)合消能方案。

2.3聯(lián)合消能工設(shè)計(jì)

溢洪道布置在混凝土重力壩段，溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程+34.50m，單孔寬7.5m，共3孔，采用平板工作門；導(dǎo)流兼泄洪底孔布置在混凝土重力壩段的3孔溢流堰之間，共2孔，進(jìn)口底板高程+17.50m，進(jìn)口尺寸(寬×高)為3×4.5m，出口尺寸(寬×高)為3×4m，前期導(dǎo)流，后期泄洪。下游設(shè)綜合式消力池，凈寬38.5m，長67.1m，池底高程+4.50m。在表孔閘墩的墩尾采用收縮角16.7°、收縮比0.68的對稱“Y”型寬尾墩，在溢流壩下游坡比1∶1.0的直線段采用1.0m×1.0m的臺階式壩面消能工。溢流壩段布置見圖1，圖中尺寸單位除高程以米計(jì)外，其它均以厘米計(jì)。

3聯(lián)合消能工的模型試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)成果

根據(jù)泄洪系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行水力學(xué)模型試驗(yàn)研究。表孔溢流壩面寬尾墩后水流橫向收縮，垂向展寬，流量越大垂向展寬越大，且造成兩側(cè)水流碰撞對沖，可消耗部分水流能量。階梯壩面水流底層跌水和渦流現(xiàn)象明顯，摻氣較充分，具有一定的消能效果。溢流壩面縱剖面流態(tài)見圖2。

圖1　溢流壩段布置圖

消力池尾坎頂部橫斷面上各點(diǎn)垂向流速分布仍呈表流速小、底流速大的狀態(tài)。校核洪水位下消力池坎斷面流速分布見圖3。

海漫末端斷面各點(diǎn)流速分布基本合理，但流速值仍偏大，尤其是設(shè)計(jì)庫水位和校核庫水位時(shí)的斷面平均流速較消力池坎斷面還大。校核洪水位下海漫末端斷面流速分布見圖4。

圖3校核洪水位+44.22m時(shí)消力池尾坎流速分布圖

圖4　校核洪水位+44.22m時(shí)海漫末端流速分布圖

對以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步分析，得出以下結(jié)論：

1)寬尾墩及階梯壩面均有一定的消能效果。

2)表孔大流量泄流時(shí)，溢流壩面流速較大，寬尾墩尾邊角及階梯壩面棱角可能會受到?jīng)_蝕。

3)出池水流在防洪高庫水位時(shí)，海漫末端斷面平均流速較小，是由于這一級流量海漫下游局部沖刷較小，下游河道緩流可向上游影響到海漫，試驗(yàn)可觀測到下游緩流影響的交界面。設(shè)計(jì)庫水位和校核庫水位時(shí)海漫末端流速增大的原因有兩個(gè)，一是溢洪道泄流量較大海漫下游局部沖刷較大，增加了水流比降，所以流速增大；二是出消力池的水流由池尾坎發(fā)生又一次水面跌落，動能增加也導(dǎo)致流速增大。

3.2設(shè)計(jì)方案調(diào)整

為了驗(yàn)證不同的消能工對泄洪系統(tǒng)消能率的影響，依據(jù)以上設(shè)計(jì)試驗(yàn)成果，主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化對比試驗(yàn)：

1)將壩面階梯改為平面，并加高防沖板及海漫底高程，以觀測海漫與消力池尾坎高差對海漫流態(tài)影響；觀測對消能效果的影響；

2)增加寬尾墩收縮比，觀測消能效果。

3.2.1溢洪道壩面和防沖板底高程修改試驗(yàn)

修改階梯壩面為平面，同時(shí)防沖板首端高程由+10.70m抬高至消力池尾坎頂高程+11.50m，亦即取消消力池尾坎，消力池型式由綜合式調(diào)整為挖深式，海漫段底坡由1/500調(diào)整為1/2000。

試驗(yàn)觀測了防洪高庫水位(+40.30m)和設(shè)計(jì)庫水位(+41.88m)泄洪量的消能效果，初步整理資料發(fā)現(xiàn)，防洪高庫水位時(shí)消能率為82.9%(修改前為82.19%)；設(shè)計(jì)庫水位時(shí)消能率74.7%(修改前75.1%)，與修改前基本相當(dāng)。溢流壩面改為平面后，消能率應(yīng)減小，但由于同時(shí)抬高海漫高程，減小了池坎水面比降，流速減小，動能減小，綜合消能率與修改前基本相當(dāng)。

3.2.2寬尾墩收縮比修改試驗(yàn)

將寬尾墩尾翼寬度由原設(shè)計(jì)1.2m改為1.6m，收縮角由16.7°改為21.8°，收縮比(收縮后壩面過流寬/收縮前過流寬)由原0.68改為0.57。

試驗(yàn)觀測了3種工況的泄洪狀態(tài)，即防洪高庫水位(+40.30m)、設(shè)計(jì)庫水位(+41.88m)和1 000 a一遇校核庫水位(+44.22m)，發(fā)現(xiàn)增加收縮比后，比修改前溢洪道下泄相同流量時(shí)水位有升高，表明泄流能力受到影響，對庫水位的影響隨下泄流量的增加而減小。寬尾墩加寬后試驗(yàn)對比結(jié)果見表1。

表1　寬尾墩加寬后試驗(yàn)對比結(jié)果表

適當(dāng)降低寬尾墩收縮比有減小壩面單寬流量、提高臺階消能的效果，但本試驗(yàn)觀測結(jié)果為，收縮比減小至0.57時(shí)，消能率與收縮前變化不明顯，而且在設(shè)計(jì)工況還有收縮后水滴外濺，校核工況出現(xiàn)收縮水冠左右擺動、間歇外翻，故建議本設(shè)計(jì)寬尾墩收縮比應(yīng)>0.57，且≥0.63，或維持原設(shè)計(jì)不變。

3.3成果分析

通過以上試驗(yàn)研究，根據(jù)寬尾墩和階梯壩面對泄洪系統(tǒng)消能率的影響程度，且考慮到表孔大流量泄流時(shí)寬尾墩尾邊角及階梯壩面棱角存在受到?jīng)_蝕危害的風(fēng)險(xiǎn)，寬尾墩尾邊角采用半徑為1.2m圓弧與墩尾相接，收縮角17.5°，收縮比0.68，溢流壩面由階梯改為平面，同時(shí)取消消力池尾坎，亦即小山口水電站泄洪系統(tǒng)采用“表孔寬尾墩+底孔+底流挖深式消力池”的聯(lián)合消能方案。根據(jù)消能率觀測計(jì)算，泄洪系統(tǒng)消能充分，各種泄洪工況時(shí)的消能率均在70%以上。設(shè)計(jì)采用寬尾墩體型見圖5。

圖5設(shè)計(jì)采用寬尾墩體型圖

4結(jié)論

實(shí)踐證明，“表孔寬尾墩+底孔+底流挖深式消力池”的聯(lián)合消能設(shè)施是一種高效的聯(lián)合消能工程，消能效果良好。根據(jù)以往的水力學(xué)研究，在寬尾墩體型的選用上，收縮角15°～20°，收縮比0.4～0.5為宜[1]。但在本工程寬尾墩的體型設(shè)計(jì)中，收縮角15°～19°，選用17.5°，收縮比0.63～0.71，選用0.68，經(jīng)過模型試驗(yàn)驗(yàn)證，寬尾墩后水力學(xué)條件良好，消能充分。另外，在消力池型式的選用上，除了考慮河床開挖深度對工程造價(jià)的影響之外，還要考慮出池水流的水力學(xué)條件以及海漫下游沖刷程度的問題。

綜上所述，考慮到水電工程泄洪系統(tǒng)水力學(xué)邊界條件的多樣性和復(fù)雜性，在聯(lián)合消能工的選取中，除了以以往的水力學(xué)研究成果為基本依據(jù)外，還需要參考相關(guān)已建工程的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)更重要的是需要通過系統(tǒng)的水力學(xué)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，綜合考慮后方可選定聯(lián)合消能工的結(jié)構(gòu)型式。

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文章編號：1007-7596(2016)04-0169-04

[收稿日期]2016-03-09

[作者簡介]張俊偉(1981-)，男，河南汝州人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)研究工作。

中圖分類號：TV653

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B