雙層多股水平射流新型消能工安全運(yùn)行方式研究

張苾萃，潘江洋，曾少岳，苗寶廣，張永濤，戴曉兵，顧 莉

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

1 研究背景

高低跌坎式新型消能工首次應(yīng)用于向家壩水電站[1]。向家壩水電站樞紐由擋水建筑物、泄洪排沙建筑物、通航建筑物、左岸壩后廠房、泄水建筑物和右岸地下廠房等組成。電站最大壩高162 m，正常蓄水位380.00 m，汛期限制水位370.00 m。最大泄量48 680 m3/s，最大泄洪功率達(dá)40 000 MW。電站泄洪水頭高，單寬流量大，表孔最大單寬流量296.24 m3/(s·m)，中孔最大單寬流量達(dá)343.34 m3/(s·m)。消力池入池流速約40 m/s，單寬流量225 m3/(s·m)。電站下游河床覆蓋層深厚，右岸下游緊鄰生活區(qū)以及天然氣化工廠，左岸下游緊鄰升船機(jī)。因此，電站泄洪消能工必須滿足高水頭大單寬流量泄洪安全，消能效果優(yōu)，霧化程度低，泄洪尾水流態(tài)平穩(wěn)、流速小。采用傳統(tǒng)的挑流消能、底流消能和面流消能均不合適，經(jīng)過(guò)多家機(jī)構(gòu)研究、比較和論證，最終決定采用高低跌坎式消力池進(jìn)行消能。其泄水壩段由兩個(gè)消力池分隔成兩部分，每個(gè)消力池池寬均為108 m，各由5個(gè)中孔和6個(gè)表孔間隔布置而成，中孔進(jìn)口高程305.00 m，出口高程253.00 m，等寬布置，弧門(mén)尺寸6 m×11.24 m；表孔堰頂高程354.00 m，出口高程261.00 m，中間4孔出口對(duì)稱收縮成6 m，邊孔僅內(nèi)側(cè)收縮，收縮坡比1∶20，弧門(mén)尺寸8 m×26 m，如圖1所示[1]。

圖1 向家壩水電站中孔、表孔剖面布置(單位：m)

向家壩水電站泄洪消能研究成果表明，新型消能工使高速水流以雙層多股的方式進(jìn)入消力池水體中部，形成水平淹沒(méi)射流，各股水流紊動(dòng)摻混劇烈，消能效果好；高速水流的主流脫離消力池底部，臨底流速大幅度降低；出池水流平順，泄洪霧化影響范圍顯著減??；下游河床沖刷輕微[2-7]。但向家壩水電站泄洪孔口多達(dá)22個(gè)，入池水流擴(kuò)散空間大，平面流態(tài)穩(wěn)定性與泄洪孔口布置格局、閘門(mén)開(kāi)啟方式、單孔泄量等均有關(guān)系，影響因素多，情況極為復(fù)雜，且無(wú)運(yùn)行先例，故特對(duì)閘門(mén)開(kāi)啟方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，了解閘門(mén)不同開(kāi)啟方式下消力池的水力特性，制定合適的閘門(mén)調(diào)度方式，為電站科學(xué)運(yùn)行提供技術(shù)支持，也為該新型消能工的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

2 研究思路

依托向家壩工程，利用1∶100水工整體模型，對(duì)庫(kù)水位354、370 m和380 m下，中孔單獨(dú)開(kāi)啟、表孔單獨(dú)開(kāi)啟、中表孔聯(lián)合開(kāi)啟，孔口開(kāi)度從2 m到全開(kāi)的各種運(yùn)行組合進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

初期擬定調(diào)度原則：①先發(fā)電后棄水，即電站可發(fā)電的機(jī)組滿發(fā)后才泄洪。②考慮中孔閘門(mén)運(yùn)行水頭高，啟閉檢修不方便，正常運(yùn)行期中孔閘門(mén)只允許全開(kāi)運(yùn)行；蓄水初期只有中孔可運(yùn)行，考慮通航非恒定流控制的要求，允許中孔局部開(kāi)啟運(yùn)行。③考慮表孔可以局部開(kāi)啟，運(yùn)行方便，擬定先表孔后中孔運(yùn)行。④閘門(mén)孔口多，運(yùn)行調(diào)度極為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化運(yùn)行調(diào)度，閘門(mén)原則上對(duì)稱均勻開(kāi)啟。⑤左池出流較平順，利于下游通航，故采取先左池后右池運(yùn)行。⑥小流量運(yùn)行時(shí)，底板荷載較小，故重點(diǎn)關(guān)注消力池導(dǎo)墻安全和下游通航條件，即控制流態(tài)、出池流速和水面波動(dòng)。⑦閘門(mén)分序分級(jí)開(kāi)啟，控制下游水位小時(shí)變幅。⑧向家壩電站每年行洪時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上，泄水建筑物運(yùn)行頻繁，故應(yīng)力求簡(jiǎn)化調(diào)度，減少閘門(mén)啟閉次數(shù)。

因此，針對(duì)左池表孔單獨(dú)均勻?qū)ΨQ開(kāi)啟，研究表孔不同開(kāi)啟組合下運(yùn)行時(shí)合適的開(kāi)度區(qū)間。再根據(jù)水力學(xué)指標(biāo)確定何時(shí)啟用右池表孔和左右池中孔。研究表孔單獨(dú)運(yùn)行和表中孔聯(lián)合運(yùn)行的閘門(mén)調(diào)度方式。

3 研究成果

3.1 基于泄洪安全的閘門(mén)調(diào)度方式研究

3.1.1水力指標(biāo)

高低跌坎式消力池，雙層多股水流分散射入消力池水體中，主流與周?chē)w相互剪切摩擦，形成復(fù)雜的三元水躍流態(tài)。流態(tài)與泄量和主流的淹沒(méi)度密切相關(guān)，其平面穩(wěn)定性與主流的擴(kuò)散空間和淹沒(méi)度有關(guān)，閘門(mén)的開(kāi)啟方式直接影響消力池的各項(xiàng)水力學(xué)指標(biāo)。流態(tài)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到其他水力學(xué)指標(biāo)，是決定消力池結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)。臨底流速是決定消力池底板安全的重要指標(biāo)。消力池尾坎水面波動(dòng)影響下游通航。出池流速的大小影響下游河道沖刷、通航以及江岸穩(wěn)定。

流態(tài)試驗(yàn)成果顯示，表孔單獨(dú)泄流，從側(cè)面看，隨著泄量增大，流態(tài)從自由射流過(guò)渡到淹沒(méi)射流。單池部分孔口開(kāi)啟時(shí)，為自由射流(主流在表面)；6個(gè)表孔全開(kāi)，消力池流態(tài)為半潛射流(池首部分主流出露)；雙池所有表孔均勻開(kāi)啟，單孔泄量1 300 m3/s以上時(shí)才為淹沒(méi)射流。中孔單獨(dú)泄流和表中孔聯(lián)合泄流，消力池流態(tài)為淹沒(méi)射流。從平面上看，單池內(nèi)2孔對(duì)稱運(yùn)行，單孔泄量在700 m3/s以下時(shí)，流態(tài)較穩(wěn)定，兩個(gè)間距最大的泄流孔之間形成平面弱回流，尾坎流速和水面波動(dòng)均較??；單孔泄量大于700 m3/s時(shí)，主流行程逐漸增長(zhǎng)，并逐漸沖擊尾坎，回流增強(qiáng)，尾坎流速和水面波動(dòng)逐漸增大，指標(biāo)不理想，其中，③④孔開(kāi)啟時(shí)流態(tài)搖擺不定，直至沖擊尾坎后才穩(wěn)定地偏向一側(cè)。單池4孔對(duì)稱運(yùn)行，單孔泄量在500 m3/s以下時(shí)，流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，中間2～4孔開(kāi)啟運(yùn)行，擴(kuò)散空間較大時(shí)，主流間歇性擺動(dòng)，尾坎流速和水面波動(dòng)均較??；單孔泄量大于500 m3/s時(shí)，主流逐漸沖擊尾坎，流態(tài)搖擺頻率加快，尾坎流速和水面波動(dòng)逐漸增大，指標(biāo)不理想。中間4孔運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)增大②⑤孔泄量可增加流態(tài)的穩(wěn)定性，但泄量差應(yīng)小于50%。單池6個(gè)表孔開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，流態(tài)穩(wěn)定，但單孔泄量大于1 000 m3/s時(shí)，尾坎水面波動(dòng)超過(guò)3 m。6孔運(yùn)行，兩邊孔單孔泄量與中間4孔不同時(shí)，邊孔與中間單孔的泄量差應(yīng)小于50%。

中孔單獨(dú)運(yùn)行，單孔泄量小于350 m3/s時(shí)，1～2孔對(duì)稱開(kāi)啟流態(tài)均穩(wěn)定。單池內(nèi)3孔間隔對(duì)稱均勻開(kāi)啟和4孔對(duì)稱開(kāi)啟流態(tài)穩(wěn)定。5孔對(duì)稱開(kāi)啟，單孔泄量在700 m3/s以下時(shí)，閘門(mén)均勻開(kāi)啟消力池流態(tài)對(duì)稱穩(wěn)定；單孔泄量大于700 m3/s時(shí)，閘門(mén)均勻開(kāi)啟消力池流態(tài)不穩(wěn)定，兩邊孔泄量大于相鄰中間孔，有利于消力池流態(tài)穩(wěn)定。

中、表孔聯(lián)合泄流，下泄中小流量時(shí)消力池內(nèi)形成淹沒(méi)射流。單池內(nèi)所有表孔與部分或全部中孔聯(lián)合運(yùn)行，或單池內(nèi)所有中孔與邊表孔或者全部表孔聯(lián)合運(yùn)行，流態(tài)穩(wěn)定。

試驗(yàn)成果顯示，表孔單獨(dú)運(yùn)行，流態(tài)穩(wěn)定的工況，臨底流速最大僅為7.74 m/s，出池流速最大7.93 m/s，消力池尾坎最大水面波動(dòng)3.10 m。中孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，臨底流速最大為12.54 m/s，出池流速最大為6.69 m/s，消力池尾坎水面波動(dòng)最大為4.10 m。中、表孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，臨底流速最大為14.23 m/s，出池流速最大為6.64 m/s，消力池尾坎水面波動(dòng)最大為4.80 m。表孔單獨(dú)運(yùn)行指標(biāo)較優(yōu)。

3.1.2閘門(mén)調(diào)度方式

根據(jù)試驗(yàn)成果，結(jié)合調(diào)度原則，考慮減小閘門(mén)啟閉次數(shù)，兼顧下游通航，初擬庫(kù)水位370～380 m時(shí)閘門(mén)運(yùn)行方式為：小流量泄洪時(shí)，先對(duì)稱均勻開(kāi)啟左池表孔運(yùn)行。2個(gè)表孔運(yùn)行時(shí)，單孔泄量不大于700 m3/s；4個(gè)表孔開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，單孔泄量宜不大于500 m3/s，中間4個(gè)表孔開(kāi)啟時(shí)， ②⑤孔泄量可適當(dāng)增大到700 m3/s；6孔均勻開(kāi)啟，單池運(yùn)行時(shí)單孔泄量不宜大于1 000 m3/s。單孔泄量大于1 000 m3/s時(shí)，開(kāi)啟右池表孔泄流。表孔全開(kāi)后，中孔再參與運(yùn)行。閘門(mén)開(kāi)啟順序?yàn)椋阂来畏峙_(kāi)啟②⑤表孔、③④表孔、①⑥表孔、⑧表孔、⑨⑩表孔、⑦表孔、③中孔、①⑤中孔、②④中孔、⑧中孔、⑥⑩中孔、⑦⑨中孔，其中，閘孔編號(hào)從左到右遞增。閘門(mén)關(guān)閉的順序相反。

蓄水初期庫(kù)水位354.00 m，只能由中孔單獨(dú)對(duì)稱均勻開(kāi)啟運(yùn)行，依次分批開(kāi)啟③中孔、①⑤中孔、⑥⑩中孔、⑧中孔、②④中孔、⑦⑨中孔。部分閘孔開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，單孔泄量不超過(guò)300 m3/s。當(dāng)中孔全開(kāi)泄流，庫(kù)水位超過(guò)354.00 m時(shí)，表孔參與敞泄。

3.1.3實(shí)施效果

向家壩水電站于2012年10月下閘蓄水，隨后中孔開(kāi)閘泄洪，原型觀測(cè)成果顯示，各項(xiàng)水力學(xué)參數(shù)與模型試驗(yàn)成果相似，抽水檢查發(fā)現(xiàn)消力池完好，僅有局部磨損，表明新型消能工消能效果良好，泄洪安全，閘門(mén)運(yùn)行方式是合適的。

3.2 兼顧減振要求的閘門(mén)調(diào)度方式研究

3.2.1振動(dòng)與泄洪的關(guān)系

電站下閘蓄水初期，中孔開(kāi)閘泄洪后，水富縣城局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)有門(mén)窗振動(dòng)現(xiàn)象，育才路5棟7樓振動(dòng)最大，最大加速度峰值0.030 4g。泄洪引發(fā)的場(chǎng)地振動(dòng)一直存在，因其他工程多遠(yuǎn)離生活區(qū)，故未引起人們關(guān)注。發(fā)現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象后，多家院校和機(jī)構(gòu)立即開(kāi)展研究，成果顯示，振動(dòng)與泄洪有關(guān)，相同下泄流量泄水孔口調(diào)度方式對(duì)振動(dòng)大小影響較大。

為探明振動(dòng)與泄洪之間存在的關(guān)系，2013年～2015年進(jìn)行了原型閘門(mén)調(diào)度試驗(yàn)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)，成果[8]顯示：①振動(dòng)量與孔口下泄流量正相關(guān)。②多孔、小開(kāi)度、表孔中孔聯(lián)合泄洪可有效減小振動(dòng)，最優(yōu)減振調(diào)度方式為，當(dāng)Q孔≤1 500 m3/s時(shí)，單池中孔運(yùn)行；1 500 m3/s3 500 m3/s時(shí)，雙池中、表孔聯(lián)合運(yùn)行。③中、表孔聯(lián)合運(yùn)行，當(dāng)單池Q孔≤5 000 m3/s、雙池Q孔≤9 000 m3/s且單孔泄量不大于500 m3/s時(shí)，育才路5棟7樓的振動(dòng)加速度峰值可控在0.01g以下。④左池5個(gè)中孔和6個(gè)表孔聯(lián)合運(yùn)行，單池泄量不大于5 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在0.5～1.5之間時(shí)，育才路5棟7樓的振動(dòng)加速度峰值基本可控制在0.008g以下；單池泄量5 000～6 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在1.0～2.8之間時(shí)，育才路5棟7樓的振動(dòng)加速度峰值基本可控制在0.01g以下。

3.2.2閘門(mén)調(diào)度方式優(yōu)化

根據(jù)原型觀測(cè)成果，結(jié)合減振要求，對(duì)閘門(mén)調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化：①中孔改為可以局部開(kāi)啟；②提前開(kāi)啟中孔與表孔聯(lián)合運(yùn)行；③提前從單池運(yùn)行過(guò)渡到雙池運(yùn)行；④盡量使表、中孔泄量均衡和左右池泄量均衡。

同時(shí)考慮閘門(mén)操作方便性和運(yùn)行可靠性，調(diào)整閘門(mén)調(diào)度方式為：Q孔≤1 500 m3/s時(shí)，左池表孔運(yùn)行；Q孔=1 500～4 500 m3/s時(shí)，左池中、表孔聯(lián)合運(yùn)行；Q孔>4 500 m3/s時(shí)，雙池中、表孔聯(lián)合運(yùn)行。

3.2.3運(yùn)行結(jié)果

(1)中、表孔聯(lián)合泄流消力池流態(tài)穩(wěn)定。

(2)左消力池底板臨底最大順?biāo)鞣较蛄魉?.7 m/s，最大逆水流方向流速8.8 m/s。尾坎坎頂平均流速8.8 m/s。

(3)消力池底板壓強(qiáng)基本服從靜壓分布。

(4)消力池導(dǎo)墻、底板及壩面中隔墻的低頻振動(dòng)位移很小，均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

(5)2014年～2018年正常泄洪工況下水富縣最大振動(dòng)加速度峰值基本控制在0.015g以下；僅在孔口流量為4 700～5 100 m3/s時(shí)，由左池6個(gè)表孔均開(kāi)5 m、5個(gè)中孔均開(kāi)3 m運(yùn)行，轉(zhuǎn)到增加右池⑧表孔均開(kāi)2 m運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，最大加速度峰值0.016 2g。進(jìn)一步減小左池單獨(dú)運(yùn)行的泄量至4 000 m3/s，并增加右池表孔起始開(kāi)啟孔數(shù)到4孔，即均衡兩池的下泄流量，之后未見(jiàn)振動(dòng)加速度超過(guò)0.015g，為人體無(wú)感的振動(dòng)。原型監(jiān)測(cè)表明，工程運(yùn)行至今，振動(dòng)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)安全和人體舒適性的影響均在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)向家壩電站泄水建筑物閘門(mén)運(yùn)行方式的不斷深化研究，將雙層多股水平射流新型消能工最優(yōu)運(yùn)行方式概括為如下12個(gè)字：對(duì)稱均勻、先表后中、分散均衡。對(duì)稱均勻即閘門(mén)應(yīng)對(duì)稱均勻開(kāi)啟；先表后中是考慮便于閘門(mén)啟閉和減小消力池底板荷載；分散指多層多孔小開(kāi)度分散泄流，即水流分多層多股均勻分散進(jìn)入消力池水體，減小單孔泄量，增加與周?chē)w的剪切摻混，提高消能率；均衡是指中孔表孔均衡泄流和左池右池均衡泄流，中孔和表孔均衡泄流，使各股主流能量相當(dāng)，以保持主流穩(wěn)定，雙池均衡泄流，泄洪能量由左右消力池均衡分擔(dān)，降低單個(gè)消力池底板的荷載極值，提高消力池運(yùn)行的安全度。

場(chǎng)地振動(dòng)與泄洪消能孔口調(diào)度方式相關(guān)，消力池流態(tài)越平穩(wěn)，邊壁荷載越小，消能越充分，下游場(chǎng)地振動(dòng)也越小。