消力池底板磨蝕破壞的水力學試驗研究

張 澤 彬， 王 川， 鄧 林 森， 易 旭 濤

(1.國家能源集團大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山 614900；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著高水頭電站的陸續(xù)興建，消力池底板破壞問題日益突出，直接影響水電站的安全運行。鹽鍋峽水電站[1]由于建成后鑿除了輔助消能工并受施工缺陷的影響，導致消力池多塊底板被沖走。

因此，采取了加厚底板、設置錨筋、補強新老混凝土施工縫結(jié)構(gòu)面等修復措施；五強溪水電站[2]在建期間遭遇大洪水，被迫采用庫水位抬高閘門局開控泄的非正常運行方式，且消力池水位遠低于相應洪水的下游水位，導致右消力池底板發(fā)生大范圍的沖刷破壞，采取了水下混凝土回填及兩次補強處理措施；安康水電站[3]消力池底板存在沖蝕坑、裂縫、錯臺及止水破壞，與基礎混凝土和抗沖磨混凝土之間結(jié)合不良、表孔寬尾墩射流對底板的沖擊動壓較大有關。因此，采取回填抗沖混凝土及環(huán)氧砂漿、預應力錨筋、接縫和回填灌漿等修復措施；景洪水電站[4]溢流表孔反弧段及消力池底板存在多處沖蝕坑及止水破壞，與高速水流的脈動作用及表面聚脲涂層老化變形有關，采用環(huán)氧砂漿和化學灌漿進行修補處理；此外，蘇只水電站[5]和萬家寨水電站[6]也曾發(fā)生過消力池底板破壞的情況。總結(jié)消力池底板破壞的原因，主要包括體型設計、施工質(zhì)量、水力學影響等方面，而電站運行方式導致底板破壞的研究成果并不多，筆者擬在此方面開展研究。

2 工程概況

銅街子水電站位于大渡河下游四川省樂山市沙灣區(qū)境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼有漂木和改善下游通航效益的二等大(2)型水電工程，電站裝機總?cè)萘?00 MW，4臺機組總引用流量為2 300 m3/s。銅街子水電站全景照片見圖1，樞紐工程主要由攔河壩、河床式地面廠房、筏閘等組成?；炷林亓慰傞L513.4 m，最大壩高82 m，由左岸堆石壩接頭壩段、明渠擋水壩段、左右2個沖沙底孔、4個廠房壩段、5個溢流壩段和右岸堆石壩擋墻等水工建筑物組成。水庫正常蓄水位474 m，50年一遇消能防沖洪水流量為10 300 m3/s，2年一遇洪水流量為6 280 m3/s。泄洪設施包括5孔溢流壩和2孔沖沙底孔。5孔溢流壩布置于右沖沙底孔以右的主河槽段。溢流表孔及消力池縱剖面見圖2，溢流壩面曲線為冪曲線，堰頂高程456.5 m，設有弧形工作閘門及平板檢修閘門。溢流壩下游設有兩級底流消力池，兩級消力池長度均為100 m，底板高程均為420 m；第一級消力池池深6 m，末端設頂部高程為426 m的連續(xù)尾坎，第二級消力池池深為4 m，尾部設頂部高程為424 m的差動尾坎。

圖1 銅街子水電站全景照片

經(jīng)過20多年運行后，庫區(qū)泥沙洲頭已達壩前，近壩區(qū)河底高程超過溢流表孔堰頂高程，汛期溢流壩泄洪時，大量泥沙經(jīng)溢流壩進入到下游消力池內(nèi)，受泥沙磨損影響，消力池前池、消力坎頂部及消力坎后出現(xiàn)不同程度的破壞，見圖3。前池底板形成了一個近似橢圓形的環(huán)狀磨蝕坑，長度約70 m，寬度約35 m，深度為0.3～0.7 m，且該區(qū)域底板上普遍存在薄層泥沙。結(jié)合大壩第三次定檢意見，為查明消力池底板的破壞原因，指導消力池修復工作，并優(yōu)化電站運行方式，提高泄洪效率和安全性，需開展水力學模型試驗進行研究。

3 水力學模型設計

筆者主要采用模型試驗和理論分析相結(jié)合的方法對消力池破壞原因進行研究，重點分析閘孔開啟方式對水流流態(tài)和流場分布的影響，并對電站運行方式進行了優(yōu)化。根據(jù)相似要求，水力學模型按重力相似準則設計，采用正態(tài)模型，幾何比尺為1∶60；模型模擬河道地形范圍全長約1 400 m，其中壩軸線上游約500 m，壩軸線下游約900 m，庫區(qū)地形高程模擬至479 m，下游河道地形高程模擬至450 m。溢流壩、消力池、沖沙底孔及廠房尾水出口均采用有機玻璃制作，天然地形采用斷面板法控制、水泥砂漿成型。動床模擬范圍為壩軸線以下300～750 m，動床范圍內(nèi)覆蓋層按其粒徑組成用散粒體進行模擬，試驗模型見圖4。

圖2 溢流表孔及消力池剖面圖

圖3 銅街子水電站消力池底板缺陷部位示意圖

4 試驗研究成果及分析

圖4 試驗模型全貌(比尺1∶60)

4.1 消力池破壞原因分析

根據(jù)溢流表孔閘門2013～2017年運行記錄可知，溢流表孔共運行437 d。其中，閘門對稱開啟運行262 d，非對稱開啟運行175 d，非對稱運行以2號、1號和3號、2號和3號、3號和4號閘門開啟居多。

模型試驗對表孔閘門對稱開啟和非對稱開啟兩種情況下消力池的水力特性進行了觀測分析。5個表孔全部開啟及多孔對稱開啟運行時，消力池內(nèi)消能效果較好，消力池前端水舌觸底區(qū)流速最大，為23～25.9 m/s，形成淹沒水躍消能后流速值大幅度衰減，出池最大流速為3.4～7.3 m/s；消力池底板壓力分布均勻，時均壓力值與消力池內(nèi)水深接近，最大時均壓力值為21.7～30.8×9.81 kPa，位于消力池前部水舌觸底區(qū)及后部水面上升區(qū)；消力池底板脈動壓力不大，最大脈動壓力均方根為2.1～3.6×9.81 kPa，位于消力池前部水流觸底區(qū)。從消力池水力特性判斷，溢流表孔及消力池體型設計合理，消力池底板破壞與體型設計無關。

表孔閘門非對稱開啟運行時，消力池內(nèi)出現(xiàn)不同程度的回旋水流；表孔1號和3號非對稱開啟運行時，消力池內(nèi)回旋水流流速值達10.1 m/s(圖5)，且回旋水流位置及尺寸與消力池底板環(huán)形破壞帶基本重合(圖6)。因此，從水力學角度判斷，表孔閘門非對稱開啟引起的池內(nèi)回旋水流裹挾泥沙對消力池底板的長期磨蝕是破壞的主要原因。

4.2 電站運行方式優(yōu)化

模型試驗對5孔溢流表孔、2孔沖沙底孔單獨及不同組合開啟運行時消力池及下游河道內(nèi)的水力特性進行研究，研究結(jié)果表明：

(1)1號表孔或2號表孔開啟運行時，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，最大回旋流速達7.91 m/s；當消力池內(nèi)存在粗顆粒泥沙時，回旋流裹挾泥沙易對消力池底板造成沖磨破壞。因此，表孔單孔運行時，1號或5號表孔、2號或4號表孔不宜開啟。3號表孔單獨開啟運行時，溢流壩下泄水流入池后沿消力池中部向兩側(cè)均勻擴散，消力池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池入池流速為23.52 m/s。經(jīng)過兩級消力池消能后出池流速衰減至2.03 m/s，出池水流對下游河床沖刷較輕。

(2)1號和2號表孔、1號和3號表孔、2號和3號表孔非對稱開啟運行時，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運行。1號和5號表孔與2號和4號表孔對稱開啟運行時，消力池內(nèi)水流流態(tài)較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大；其中，2號和4號表孔開啟運行時消力池水流消能效果更好。

圖5 1號和3號表孔開啟運行時消力池內(nèi)流速分布

圖6 模型試驗消力池環(huán)形回旋水流與消力池底板環(huán)形破壞帶位置對比圖

(3)1號、2號和3號表孔、1號、2號和4號表孔、1號、2號和5號表孔、1號、3號和4號表孔非對稱開啟運行時，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運行。1號、3號和5號表孔、2號、3號和4號表孔對稱開啟運行時，消力池內(nèi)水力特性值相當，消力池內(nèi)水流流態(tài)均較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值均不大。

(4)1號、2號、3號、4號表孔非對稱開啟運行時，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運行。1號、2號、4號、5號表孔對稱開啟與1號、2號、3號、5號表孔非對稱開啟運行時，消力池內(nèi)水流流態(tài)較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大；其中，1號、2號、4號、5號表孔開啟運行時消力池水流消能效果更好。

(5)1號、2號、3號、4號、5號表孔全部開啟運行時，消力池內(nèi)消能效果較好，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大。

(6)沖沙底孔為深有壓出流，底孔出口水流集中，流速值可達20.97 m/s，兩孔沖沙底孔單獨開啟運行，下泄水流對下游河床沖刷較深；但隨著表孔參與泄洪、下游水位抬升，底孔下泄水流對下游河床沖刷大幅減輕。沖沙底孔不宜單獨開啟運行。

4.3 電站運行方式建議

(1)表孔閘門宜同步、對稱、均勻開啟，相同泄量時多孔開啟優(yōu)于單孔或兩孔開啟，同時，應避免閘門小開度長時間運行引起的閘門振動問題。表孔閘門推薦開啟方式為：開一孔：開啟3號；開二孔：優(yōu)先開啟2號和4號，其次為1號和5號；開三孔：開啟1號、3號、5號或2號、3號、4號；開四孔：優(yōu)先開啟1號、2號、4號、5號，其次為1號、2號、3號、5號或1號、3號、4號、5號；開五孔：開啟1號、2號、3號、4號、5號。

(2)當出庫流量Q≥3 800 m3/s時，沖沙底孔可開啟泄洪沖沙，并同步開啟臨近的表孔和機組以減少下游泥沙回淤，沖沙底孔閘門不允許局開運行。

(3)四臺機組運行時，表孔推薦運行方式為：Q<3 300 m3/s：開一孔；3 300 m3/s≤Q≤4 300 m3/s：開二孔；4 300 m3/s≤Q≤5 300 m3/s：開三孔；5 300 m3/s≤Q≤6 300 m3/s：開四孔；Q>6 300 m3/s：開五孔。

5 結(jié) 語

筆者采用水力學模型試驗對銅街子水電站泄洪消能問題進行研究，重點分析消力池底板破壞的原因，并結(jié)合試驗成果對電站運行方式進行了優(yōu)化。表孔閘門對稱開啟時，消力池的消能效果較好，從流場和壓力分布特性可排除體型設計的影響；表孔閘門非對稱開啟時，消力池內(nèi)形成流速較大的橫向回流，回流形態(tài)與底板環(huán)形破壞帶相似，可以判斷回流攜沙長期磨損是消力池底板破壞的主要原因，運行時應盡量避免非對稱的開啟方式。本文的研究成果對消力池的修復工作和電站后期的安全運行具有較大的指導作用。