大單寬、中水頭水流挑流消能試驗(yàn)研究

蒲 云 娟， 王 一 飛， 呂 海 艷， 李 光 偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

大單寬、中水頭水流挑流消能試驗(yàn)研究

蒲 云 娟， 王 一 飛， 呂 海 艷， 李 光 偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

結(jié)合某國外水電站工程，通過1∶80的整體水工模型對其泄洪消能布置方案進(jìn)行了系列優(yōu)化試驗(yàn)研究，最終提出了小差動(dòng)坎的泄洪消能體型。該體型能使挑射水舌在縱向充分拉開，入水寬度增加，改善了傳統(tǒng)的連續(xù)式挑坎所存在的挑射水舌集中、空中擴(kuò)散差的不足，大大增加了挑射水流的消能率，使下游河道的沖刷明顯減輕。試驗(yàn)結(jié)果表明：該體型很好地適應(yīng)了某國外水電站單寬流量大、泄流水頭適中的特點(diǎn)，為類似工程提供了一種新的泄洪消能思路。

大單寬流量；中水頭；水工模型試驗(yàn)；挑流消能；下游沖刷

1 問題的提出

泄水建筑物常用的消能形式有底流消能、面流消能、挑流消能以及上述三種形式的結(jié)合運(yùn)用[1]。在一般工程中，大單寬流量、泄洪水頭適中的溢流重力壩基本采用底流消能。雖然底流消能工作可靠，但其存在工程量大、工程造價(jià)高的不足。如果水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)條件良好(基巖出露明顯、基巖巖性好)，采用挑流消能更能節(jié)約工程量、降低工程造價(jià)。因此，研究大單寬流量、水頭適中的水流的挑流消能形式十分必要。

筆者結(jié)合某國外水電站進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該水電站為大型工程，永久建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按10 000年一遇(P=0.01%)洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)流量為3 870 m3/s。樞紐建筑物主要由河床碾壓混凝土重力壩、右岸心墻土質(zhì)壩、埡口土質(zhì)副壩及壩后廠房等建筑物組成。泄洪建筑物由四孔溢流表孔、一孔泄洪底孔、一孔生態(tài)流量孔組成。溢流表孔布置于主河床，每孔凈寬12 m，采用挑流消能，挑坎挑射半徑為18 m，挑角為15°，挑坎出口高程為49 m。

根據(jù)相似原理，該水電站的水力學(xué)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型[2～6]，模型的比尺為1∶80。

2 原設(shè)計(jì)方案的泄洪消能分析

大單寬、中水頭水流挑流消能存在的主要問題：(1)泄洪的單寬流量大，導(dǎo)致下游河道沖刷較深；(2)泄洪水頭適中，導(dǎo)致挑坎出口水流流速不高，挑射水舌的挑距較近，下游河道沖刷嚴(yán)重可能會(huì)對工程建筑物的安全以及下游河道岸坡的穩(wěn)定不利。

設(shè)計(jì)流量3 870 m3/s時(shí)，該電站表孔溢流壩的單寬流量達(dá)59.25 m3/s·m，泄洪水頭為28.2 m，挑坎出口流速為23.71 m/s。溢流表孔挑射水舌水體集中、挑距較近，下游河道沖坑最深點(diǎn)高程為6.36 m，沖深達(dá)17.64 m，溢流壩壩腳處的貼壁沖刷高程為25.4 m，沖深達(dá)7.6 m(圖1)。鑒于原設(shè)計(jì)方案的下游河床沖刷比較嚴(yán)重，因此，從增加工程安全的角度考慮，需進(jìn)行泄洪消能體型的優(yōu)化研究。

3 體型優(yōu)化試驗(yàn)成果的研究與分析

該水電站泄洪消能的最大問題是下泄水流的單寬流量較大，導(dǎo)致下游河道沖刷較深。對于單寬流量較大的泄洪消能問題，傳統(tǒng)的解決辦法是采用使水流縱向或橫向擴(kuò)散的方法。所以，筆者在不修改該電站泄洪消能總布置的前提下，嘗試采用差動(dòng)式挑流消能工，使挑射水舌在縱向充分?jǐn)U散拉伸以減輕其對下游河道的沖刷。

經(jīng)過一系列的優(yōu)化方案試驗(yàn)研究，得出兩種效果較好的挑流消能體型：高低坎(圖2)和小差動(dòng)坎(圖3)，其體型主要參數(shù)見表1，各方案的試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖4。

高低坎方案其實(shí)是傳統(tǒng)差動(dòng)式鼻坎的一種延伸和變形，它將高坎的位置提前，增大高坎和低坎的高差，其試驗(yàn)結(jié)果研究表明：高低坎方案采用分流擴(kuò)散碰撞的工作原理，下泄水流一部分通過高坎提前挑出，其余水體則均勻分成兩部分通過高坎兩側(cè)、在低坎上發(fā)生碰撞后挑向下游，高坎挑出的水體與低坎挑出的水體在空中發(fā)生碰撞消能。高低坎方案的挑射水舌拉伸充分，下游河道沖刷有明顯改善。但該方案會(huì)導(dǎo)致霧化現(xiàn)象，可能會(huì)危及建筑物的安全運(yùn)行和下游岸坡的穩(wěn)定。

(a)水流流態(tài) (b)沖淤形態(tài)圖1 設(shè)計(jì)流量為3 870 m3/s時(shí)的工況

圖2 高低坎方案示意圖

圖3 小差動(dòng)坎方案示意圖

表1 各泄洪消能方案布置體型參數(shù)表

表2 各優(yōu)化方案在設(shè)計(jì)流量為3 870 m3/s工況的試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)中觀察到：在原設(shè)計(jì)方案中，各表孔中部下泄的這部分水體挑距較近，相鄰兩表孔在中墩尾部交匯的這部分水體挑距較遠(yuǎn)。因此，考慮在中墩正對下游處的溢流壩末端設(shè)置一大挑角的高坎將使這部分水體的挑距增大；而在表孔正對下游處設(shè)置小挑角的低坎，能夠使這部分水體的挑距減小，那么，挑射水舌在縱向上就可以充分拉開。同時(shí)，為了使挑坎末端的水流流速增大、水舌挑距增加，將挑坎末端高程降低，由此而得到了小差動(dòng)坎方案。小差動(dòng)坎方案挑射水舌的縱向拉伸長度增至42.4 m，下游河床的沖刷深度有了明顯的改善。小差動(dòng)坎方案實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)差動(dòng)式鼻坎的極限化，它將高坎的挑角最大限度地增大，將低坎的挑角盡量減小，并且通過調(diào)整高坎和低坎的寬度比來改善挑射水舌內(nèi)緣和外緣的水量分布，在保證挑射水舌能順利挑出和溢流壩壩腳不被淘刷的范圍內(nèi)，讓挑射水舌在縱向充分拉伸以減輕其對下游河道的沖刷。

(a)高低坎方案 (b)小差動(dòng)坎方案圖4 各優(yōu)化方案設(shè)計(jì)洪水3 870 m3/s工況挑射水舌形態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并從有利于建筑物安全以及減輕下游河道沖刷綜合考慮，最終選取了小差動(dòng)坎方案作為該水電站的泄洪消能布置體型。

4 結(jié) 語

大單寬、中水頭的水流采用挑流消能。由于其具有單寬流量大和挑射水舌挑距較近的特點(diǎn)，其泄洪消能問題較為突出。筆者結(jié)合某國外水電站的實(shí)際情況進(jìn)行了消能工體型優(yōu)化的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：選擇小差動(dòng)坎可以改變連續(xù)式挑坎所存在的挑射水流集中、空中擴(kuò)散差的問題。其挑射水舌可沿縱向充分拉開，使入水寬度增加；水舌的挑射高度增大，在空中形成高低不一的多層次水舌，增加了水舌在空中的擴(kuò)散消能效果，明顯減輕了其對下游河道的沖刷，效果良好。該消能工布置體型為解決以單寬流量大、泄洪水頭適中為特點(diǎn)的溢流重力壩泄洪消能問題提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

[1] 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.

[2] 夏毓常,張黎明.水工水力學(xué)原型觀測與模型試驗(yàn)[M].北京:中國電力出版社,1999.

[4] 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.

[5] 陳 立,明宗富.河流動(dòng)力學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2001.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV32+1;TV31;TV32

B

1001-2184(2017)01-0069-03

蒲云娟(1987-)，女，四川成都人，工程師，碩士，從事水力學(xué)研究；

王一飛(1985-)，男，甘肅蘭州人，工程師，碩士，從事水利水電工程施工技術(shù)研究；

呂海艷(1981-)，女，吉林農(nóng)安人，高級工程師，碩士，從事水力學(xué)研究；

李光偉(1962-)，男，湖北武漢人，副所長，教授級高級工程師，學(xué)士，從事水利水電工程材料及水力學(xué)研究.