喀麥隆Mekin水電站工程臺(tái)階式溢流壩設(shè)計(jì)

范 鵬

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

根據(jù)喀麥隆政府規(guī)劃，Mekin水電站是以發(fā)電為主，兼有內(nèi)陸?zhàn)B魚、旅游及灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。Mekin水電站壩址位于Dja河、Lobo河、Sabe河匯合處下游約1.50km處，距喀麥隆首都雅溫德約200km。

Mekin水電站正常蓄水位612.00m，相應(yīng)庫(kù)容1.05億m3，設(shè)計(jì)洪水位(1%)613.45m，相應(yīng)庫(kù)容1.85億m3，校核洪水位(0.05%)613.80m，總庫(kù)容2.10億m3。Mekin水電站電站總裝機(jī)1.50萬kW，年發(fā)電量7628.00萬kW·h，年利用小時(shí)5085.00h。Mekin水電站水庫(kù)為大(2)型水利樞紐工程，樞紐主要由攔河壩(主副壩)、溢洪壩、重力擋水壩、泄洪沖沙閘、電站廠房、升壓站、進(jìn)場(chǎng)公路、輸電線路、變電所及管理生活廠區(qū)等部分組成。

2 溢流壩消能方式綜合比較

2.1 溢流壩概況

溢流壩位于Dja河主槽，與主壩同軸，左與漿砌石重力壩、右與泄洪沖沙閘連接。溢流壩采用開敞式溢流壩，總寬115.00m，過流凈寬96.00m，堰頂高程612.00m，最大壩高15.00m，壩體采用漿砌石結(jié)構(gòu)，上游側(cè)布置0.30m厚鋼筋混凝土防滲層，基礎(chǔ)坐落在強(qiáng)風(fēng)化下限基巖以下0.50～1.00m。溢流壩特征水位及特征泄量詳見表1。

表1 水庫(kù)特征水位及溢流壩特征泄量

2.2 常用消能方式適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐總結(jié)，常用壩下消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能、戽流消能等。其中，挑流、底流消能方式應(yīng)用最廣，面流和戽流消能方式一般應(yīng)用較少。各消能方式使用條件及優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2。

表2 常用消能方式適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

2.3 消能方式比選

Mekin水電站地處東非熱帶雨林氣候區(qū)，天然徑流十分豐富，多年平均入庫(kù)水量為41.19億m3，多年平均流量130.30m3/s，正常蓄水位612.00m，庫(kù)容為1.05億m3，工程庫(kù)容系數(shù)僅為2.50%。

考慮本工程來水流量較大、水頭較低、水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容小及下游河道抗沖刷能力較弱的特點(diǎn)，Mekin水電站溢流壩采用挑流、面流、戽流消能方式均不合適，常用消能方式只能選擇底流消能，但若采用底流消能須修建龐大消力池，工程量大，投資大。可見，常用消能方式均不適用于熱帶雨林氣候區(qū)大流量、低水頭電站工程。因此，須探索應(yīng)用新型消能設(shè)計(jì)，解決工程設(shè)計(jì)難題。

近年來臺(tái)階式溢流壩逐漸受到重視并開始在水利工程中廣泛應(yīng)用，臺(tái)階式溢流壩利用下游壩面臺(tái)階，使下泄水流在臺(tái)階間形成水平漩滾，與壩面主流產(chǎn)生強(qiáng)烈摻混作用，致使水流紊動(dòng)加劇，摻氣效果增強(qiáng)，大大減少了下泄水流的能量，改善了壩址處水力條件，使壩下消能設(shè)施得以簡(jiǎn)化甚至取消，節(jié)省工程投資。

綜上，臺(tái)階式溢流壩具有大流量、低水頭條件下消能效果顯著、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省工程投資等優(yōu)點(diǎn)，因此，本工程溢流壩適宜采用臺(tái)階消能方式。

3 臺(tái)階式溢流壩研究成果

3.1 臺(tái)階式溢流壩水流流態(tài)

根據(jù)臨界水深與臺(tái)階高度的比值，以及溢流壩斜坡與水平面的夾角的不同，可以將臺(tái)階式溢流壩水流流態(tài)分為以下三種：

a.滑行水流：水流流經(jīng)臺(tái)階表面時(shí)，各臺(tái)階內(nèi)全部被水填充，不存在空腔，并在各臺(tái)階隅角和主流間形成一個(gè)水平軸漩渦，靠近主流漩渦的旋轉(zhuǎn)方向和主流流動(dòng)方向一致。

b.跌落水流：在各臺(tái)階隅角和主流間總存在一個(gè)近似于三角形的空腔，空腔下為一近似于梯形的靜水池，流股出現(xiàn)較大的彎曲，實(shí)質(zhì)上就是多級(jí)跌水。

c.過渡水流：介于滑行水流和跌落水流之間，在一些臺(tái)階內(nèi)有類似跌落水流的三角形空腔存在，另一些臺(tái)階內(nèi)有類似滑行水流的水平軸漩渦形成，且兩種水流形態(tài)沿臺(tái)階向下游交替存在于臺(tái)階表面與主流之間。

3.2 臺(tái)階式溢流壩的摻氣

臺(tái)階式溢流壩由于其特殊的結(jié)構(gòu)型式，在臺(tái)階豎直面容易產(chǎn)生負(fù)壓，從而導(dǎo)致發(fā)生空蝕破壞。目前，摻氣減蝕是解決空蝕破壞的有效措施。大量實(shí)驗(yàn)表明，臺(tái)階式溢流壩的摻氣與單寬流量密切相關(guān)：?jiǎn)螌捔髁枯^小，臺(tái)階式溢流壩會(huì)很快摻氣，并迅速達(dá)到全斷面均摻氣；隨著單寬流量的增大，起始摻氣點(diǎn)位置向下游推移，水流摻氣量隨之減小；當(dāng)單寬流量大到一定程度時(shí)，可能會(huì)對(duì)臺(tái)階造成空蝕破壞。

4 臺(tái)階式溢流壩設(shè)計(jì)

Mekin水電站工程臺(tái)階式溢流壩溢流面采用雙圓弧平順連接，考慮施工分層澆筑，確定臺(tái)階高度為1.5m，臺(tái)階寬度為1.15m。溢流壩標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

圖1 臺(tái)階式溢流壩標(biāo)準(zhǔn)斷面

4.1 水流流態(tài)判別

堰頂水流臨界水深計(jì)算公式為

式中hk——臨界水深,m；

q——單寬流量，m2/s；

α——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；

g——重力加速度，m/s2。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)臨界水深為1.118m，校核水位對(duì)應(yīng)臨界水深為1.388m。

臺(tái)階高度h為1.5m，臺(tái)階長(zhǎng)度l為1.15m。

在0.2≤h/l=1.304≤6時(shí)，跌落水流臨界值為

滑行水流臨界值為

設(shè)計(jì)水位hk/h=0.745，大于滑行水流臨界值0.45，臺(tái)階水流流態(tài)為滑行水流。

校核水位hk/h=0.925，大于滑行水流臨界值0.45，臺(tái)階水流流態(tài)為滑行水流。

4.2 壩面消能率

直角臺(tái)階式溢流壩壩面消能率的計(jì)算式為

η=-0.3916-0.2247ln[(q/p1.5)(0.014/n)2.4]

n=Δ1/6/24

式中η——直角臺(tái)階式溢流壩壩面消能率；

p——溢流壩高度，m；

Δ——壩面臺(tái)階的突出高度，m。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)溢流壩壩面消能率為55.85%，校核水位對(duì)應(yīng)溢流壩壩面消能率為48.55%。

4.3 沖刷計(jì)算

臺(tái)階式溢流壩下游的水流流速的計(jì)算式為

v=3.92h-0.12qE

E=0.44(h/p)0.024

式中v——臺(tái)階式溢流壩下游的水流流速，m/s；

h——臺(tái)階高度，m；

p——溢流壩高度，m；

q——單寬流量，m2/s。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)溢流壩下游的水流流速為6.5m/s，校核水位對(duì)應(yīng)溢流壩下游的水流流速為7.5m/s。

溢流壩下游水流流速均小于壩基石英巖的最小允許不沖流速15.0m/s。

基巖面流設(shè)計(jì)和校核工況時(shí)的沖坑最大估算為

tc=(pc+c)h1η

η=ξ-0.4+1.41Fr

式中d——沖坑深度，m；

v1——跌坎斷面平均流速，m/s；

h1——跌坎斷面平均水深，m；

va——河床允許抗沖流速，m/s；

k——河床特性系數(shù)；

tc——混合淹沒流界限水深，m；

t——下游水深，m；

Fr——弗勞德數(shù)；

ξ——混合比；

η——共軛比；

pc——坎面壓力修正系數(shù)；

c——離心力修正系數(shù)；

a——坎高，m。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位及校核水位對(duì)應(yīng)沖坑深度均小于0，即不會(huì)對(duì)壩基產(chǎn)生沖刷。

4.4 空蝕破壞

衡量水流是否發(fā)生空化的水流空化數(shù)計(jì)算公式如下：

式中δ——水流空化數(shù)；

h0——來流參考斷面時(shí)均壓力水頭，m；

ha——水柱表示的大氣壓力水柱，m；

hv——水柱表示的水蒸氣壓強(qiáng)，Pa；

v——斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)水流空化數(shù)為18.85；校核水位對(duì)應(yīng)水流空化數(shù)為10.4。溢流壩水流空化數(shù)均較大，不會(huì)出現(xiàn)壩面空蝕現(xiàn)象。

4.5 小結(jié)

通過以上計(jì)算可知：

a.設(shè)計(jì)和校核水位情況下，臺(tái)階水流流態(tài)均為滑行水流，水流流態(tài)良好。

b.壩面消能率分別為55.85%(設(shè)計(jì)水位)和48.55%(設(shè)計(jì)水位)，消能效果較好。

c.溢流壩下游水流流速均小于壩基石英巖的最小允許不沖流速，設(shè)計(jì)水位及校核水位對(duì)應(yīng)沖坑深度均小于0，不會(huì)對(duì)壩基產(chǎn)生沖刷，因此無須設(shè)置消力池及護(hù)坦。

d.溢流壩水流空化數(shù)均較大，摻氣效果好，不會(huì)出現(xiàn)壩面空蝕現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

臺(tái)階式溢流壩利用下游壩面臺(tái)階，使下泄水流在臺(tái)階間形成水平漩滾，與壩面主流產(chǎn)生強(qiáng)烈摻混作用，致使水流紊動(dòng)加劇、摻氣效果增強(qiáng)，大大減少了下泄水流的能量，改善了壩址處水力條件，使壩下消能設(shè)施得以簡(jiǎn)化，甚至取消，節(jié)省了工程投資。

在喀麥隆Mekin水電站工程溢流壩下游消能設(shè)計(jì)中，成功地運(yùn)用了臺(tái)階消能的原理，取消了壩下消能設(shè)施，節(jié)省了工程投資，使本工程下游消能問題得到圓滿解決，可供其他類似工程設(shè)計(jì)等參考和借鑒。