某水電站表孔溢洪道消力池段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

徐莉平 ，葛旭峰，李 琳

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 工程概況及模型試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 工程概況

新疆某水電站由大壩、表孔溢洪道、導(dǎo)流兼深孔泄洪洞、發(fā)電引水洞及岸邊式電站廠房組成，工程屬中型Ⅲ等工程。表孔溢洪道布置在右岸，采用開(kāi)敞式，由引渠段、控制段、漸變段、泄槽段、消能段組成。進(jìn)口引渠段長(zhǎng)368.1 m，底板高程1 466.0 m，平坡寬44 m。控制段長(zhǎng)29.0 m，采用WES堰，堰頂高程1 469.0 m，堰高3.0 m，共3孔，單孔凈寬13 m，設(shè)置弧形工作門(mén)及平板檢修門(mén)各一道。泄槽段長(zhǎng)320.7 m，前段縱坡i=0.02，長(zhǎng)241.0 m，底寬44～34 m，采用矩形整體式結(jié)構(gòu)。泄槽末端接陡坡段及消能段，陡坡段縱坡i=0.5，長(zhǎng)79.7 m，底寬34 m，邊墻高7.8～17.8 m。出口采用底流消能，消力池底板高程1 424.5 m，長(zhǎng)82 m，池深7.5 m，底寬34 m，邊墻高度17.8 m。下游護(hù)坦段的底板高程1 432.00 m。溢洪道剖面圖見(jiàn)圖1。30 a一遇洪水、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水的水位分別為1 477.78 m(1 856.2 m3/s)、1 480 m、1 481.65 m。此消力池以30 a一遇洪水為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 原設(shè)計(jì)溢洪道剖面圖

1.2 模型試驗(yàn)的內(nèi)容

試驗(yàn)各運(yùn)行各工況下表孔溢洪道的流量及流態(tài)，驗(yàn)證表孔溢洪道控制段、泄槽段、陡坡段及消力池段各段體型設(shè)計(jì)的合理性：測(cè)定表孔各部分水深、流速、壓力分布情況提出防止空蝕及磨蝕破壞的措施及改進(jìn)意見(jiàn)；對(duì)出口消力池方案流態(tài)、消能效果、河床沖刷情況進(jìn)行測(cè)試，并改進(jìn)、優(yōu)化消力池結(jié)構(gòu)型式及尺寸，以減小對(duì)河床的沖刷；通過(guò)觀測(cè)水流對(duì)河床的沖於形態(tài)及岸邊的淘刷情況，提出修改措施及下游保護(hù)范圍。

1.3 模型設(shè)計(jì)制作

模擬范圍：選取壩體上游350 m，下游選取壩體下游1 600 m處。河道寬5～9.5 m。動(dòng)床模擬的范圍為0+434.66～0+537.42 m，動(dòng)床采用散粒體石塊。溢洪道的混凝土表面的粗糙系數(shù)為0.011～0.015，按比尺要求計(jì)算溢洪道模型表面糙率為0.007 6～0.008 6，換算成原型為0.014～0.016，與要求接近。各主要建筑物均用有機(jī)玻璃制作，已達(dá)到建筑物尺寸準(zhǔn)確、外觀光潔、并糙率相似，以便于觀測(cè)水流。

表1 模型的主要比尺關(guān)系

2 溢洪道消力池段試驗(yàn)研究

2.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)消力池尺寸如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同庫(kù)水位下，溢洪道消力池池內(nèi)均發(fā)生淹沒(méi)水躍，但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溢洪道通過(guò)設(shè)計(jì)流量1 856.2 m3/s時(shí)，消力池內(nèi)水流波動(dòng)劇烈，在樁號(hào)0+387.743 m處水深最大為19.83 m，遠(yuǎn)大于消力池邊墻高度，說(shuō)明邊墻高度不足；同時(shí)消力池內(nèi)水躍躍出池外，躍后斷面發(fā)生在0+403.28 m斷面(消力池末樁號(hào)0+402.66)，說(shuō)明消力池長(zhǎng)度明顯不足，如圖2所示。

鑒于原設(shè)計(jì)方案不能滿足設(shè)計(jì)泄洪的要求，且消力池在通過(guò)30 a一遇洪水1 856.2 m3/s時(shí)，消力池內(nèi)水流紊亂，水躍前后波動(dòng)劇烈，水流大量溢出，原設(shè)計(jì)方案的邊墻高度、池長(zhǎng)均不能滿足過(guò)流要求。因此需要對(duì)其體型及尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 溢洪道消力池設(shè)計(jì)流量Q=1 856.2 m3/s水流流態(tài)

2.2 修改優(yōu)化方案

試驗(yàn)主要對(duì)消力池進(jìn)行了四種不同方案的試驗(yàn)研究，通過(guò)調(diào)整池長(zhǎng)和邊墻高度、改變池深、池內(nèi)設(shè)置輔助消能工等方面進(jìn)行了研究。每種方案均是在消力池內(nèi)通過(guò)設(shè)計(jì)流量30 a一遇洪水1 856.2 m3/s，來(lái)觀測(cè)消力池內(nèi)的水流流態(tài)，從而得出最優(yōu)的修改方案。各試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 溢洪道消力池修改優(yōu)化方案

2.2.1 方案一試驗(yàn)

將原設(shè)計(jì)方案的消力池長(zhǎng)改為110 m，池深(7.5 m)不變，邊墻高度增加到22 m。在通過(guò)設(shè)計(jì)流量1 856.2 m3/s時(shí)，水流在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍，水躍發(fā)展充分，漩滾區(qū)水流大量摻氣，呈乳白狀泡沫，躍后區(qū)較清晰，水躍躍后斷面距消力池端約15 m，池內(nèi)最大水深19.47 m小于邊墻高度，所以沒(méi)有水流翻出池外。根據(jù)摻氣水深估算公式，取實(shí)測(cè)流速值，計(jì)算消力池內(nèi)計(jì)入摻氣時(shí)的水深約為21 m。因此，池長(zhǎng)110 m、池深7.5 m和邊墻高度22 m可以滿足設(shè)計(jì)泄流要求。但是，根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況的影響，修建此消力池有一定的難度，并提高了工程造價(jià)。因此，還需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以減小池長(zhǎng)、池深。

2.2.2 方案二試驗(yàn)

有關(guān)文獻(xiàn)指出[1-4]，消力池內(nèi)設(shè)輔助消能工，在達(dá)到同樣消能效果前提下，可縮短池長(zhǎng)，降低邊墻高度，節(jié)省工程造價(jià)。因此，在方案一的基礎(chǔ)上，根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》[5]擬定了消力墩尺寸及安裝個(gè)數(shù)，即在消力池進(jìn)口樁號(hào)0+332.66 m處設(shè)置了一排(5個(gè))高度3.5 m的梯形消力墩，即為方案二。由試驗(yàn)觀測(cè)到，在消力池進(jìn)口加消力墩后，形成強(qiáng)迫水躍，水躍長(zhǎng)度明顯縮短，約為68 m。但是在墩前位置水流比較混亂，水流濺出水花，池內(nèi)水面波動(dòng)較大，然而最大水深有所減小為19.25 m，但仍大于設(shè)計(jì)邊墻高度。

2.2.3 方案三試驗(yàn)

方案二的試驗(yàn)結(jié)果表明：在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩能有效地縮短池長(zhǎng)，但是對(duì)邊墻高度的減小不大。因此，為了將低邊墻高度，解決消力池內(nèi)的水面波動(dòng)，進(jìn)行了方案三的試驗(yàn)研究。

方案三在方案二的基礎(chǔ)上，消力墩位置不變，將池長(zhǎng)縮短至70 m，池深由7.5 m減小至4.5 m，并在消力池出口護(hù)坦上設(shè)置高3 m的梯形消能坎，將消力池改成綜合式消力池，如圖3所示。

圖3 方案三溢洪道消力池結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：溢洪道泄洪量為1 856.2 m3/s時(shí)，消力池內(nèi)形成稍有淹沒(méi)水躍，陡坡段下泄水流摻氣充分，呈乳白色，躍后水面平穩(wěn)，池長(zhǎng)滿足要求。消力池后，水面無(wú)涌浪，消力墩所在斷面水面稍有壅高，池內(nèi)躍后水深為17.52 m，小于設(shè)計(jì)邊墻高度17.8 m。溢洪道通過(guò)三十年一遇洪水時(shí)，溢洪道渥奇段至護(hù)坦段的水面線與其它修改方案相比，在消力池池長(zhǎng)、消力墩尺寸、個(gè)數(shù)和安裝位置相同、池深不同時(shí)，降低池深后的消力池內(nèi)各典型斷面的水深明顯小于池深降低前(即池深7.5 m)。說(shuō)明消力池的池深大小對(duì)消力池躍后水深的大小起著重要作用，即降低消力池池深可以減小池內(nèi)水深。

從消力池內(nèi)流態(tài)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，此方案滿足要求。但從結(jié)構(gòu)角度考慮，應(yīng)注意設(shè)置消力墩可能會(huì)使消能工產(chǎn)生氣蝕問(wèn)題。有資料表明[6-8]，設(shè)置消力墩的消力池入池流速不應(yīng)超過(guò)16 m/s，否則可能引起消能工的氣蝕破壞。在本試驗(yàn)中，在消力池設(shè)計(jì)流量下，墩前(即消力池入口)流速為17.8 m/s(大于16 m/s)。為此，在不同消力墩的墩頂、邊壁、斜面和消力池底板上安裝測(cè)壓管量測(cè)。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)流量1 856.2 m3/s時(shí)消力池底板上最大壓強(qiáng)為15.81 m水頭，③號(hào)消力墩的左側(cè)邊墻和②號(hào)的頂面均出現(xiàn)了較大的負(fù)壓，最大負(fù)壓值為-8.9 m，可能會(huì)產(chǎn)生汽蝕導(dǎo)致消力墩空蝕破壞，使消力池不能正常運(yùn)行。因此，對(duì)方案三進(jìn)行了修改，具體見(jiàn)方案四。

2.2.4 方案四試驗(yàn)

為了避免消力墩發(fā)生汽蝕破壞，在方案三的基礎(chǔ)上，方案四在陡坡段末端0+325.950 m設(shè)置7個(gè)梳流趾墩，將消力墩移至0+338.78 m處，消能坎坎高2 m，即“趾墩+消力墩+尾坎”方案，具體布置如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：溢洪道泄量為三十年一遇洪水時(shí)，趾墩起到了增加阻力、穩(wěn)定水躍、加大淹沒(méi)度的作用，消力池內(nèi)形成稍有淹沒(méi)水躍，與方案三相比，下泄水流在遇到趾墩時(shí)，將水流橫向分割，坎上水流呈挑射之勢(shì)，坎下順勢(shì)而下，使水流在進(jìn)入消力池前就進(jìn)行了充分?jǐn)U散，實(shí)現(xiàn)了水流的劇烈混摻流態(tài)，從而減小了入池水能量。同時(shí)，與無(wú)趾墩僅安裝一排消力墩時(shí)相比，消力池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)(如圖5)。下泄水流受趾墩的影響，消力池內(nèi)水深明顯降低，躍后水深為16.43 m。受趾墩和消力墩的阻滯作用，消力池的入池流速為13.78 m/s，小于消力池內(nèi)設(shè)置輔助消能工時(shí)消力池允許的入池流速16 m/s。在設(shè)計(jì)流量1 856.2 m3/s時(shí)，發(fā)現(xiàn)受趾墩的影響消力池底板上大部分測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)有所減小。除位于中軸線上的消力墩墩頂產(chǎn)生-3.09 m的負(fù)壓外，其它消力墩各個(gè)面上均為正壓。

圖4 方案四消力池體型優(yōu)化圖

圖5 優(yōu)化溢洪道消力池設(shè)計(jì)流量Q=1 856.2 m3/s水流流態(tài)

與原設(shè)計(jì)方案和前三種修改方案相比，方案四在設(shè)計(jì)流量下有效的改善了消力池內(nèi)的水流流態(tài)，將消力池長(zhǎng)度縮短了15%，池深減小了40%，減少了開(kāi)挖量，節(jié)省了工程投資。因此，建議采用方案四“趾墩+消力墩+尾坎”對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

3 河床沖刷試驗(yàn)研究

對(duì)于下游河床沖刷采用散粒體模擬。用散粒體模擬巖基的沖刷，其實(shí)質(zhì)是以模型散粒體沖料起動(dòng)流速與原型巖基的起始沖蝕流速相似的條件確定模型沖料的粒徑。

該試驗(yàn)主要觀測(cè)了優(yōu)化方案四在表孔和深孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)對(duì)泄洪沖刷的影響，完成了在設(shè)計(jì)水位和校核水位兩種工況下的沖坑試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)水位條件下，連續(xù)放水3.5小時(shí)后量測(cè)沖坑地形，校核工況在其基礎(chǔ)上進(jìn)行。

試驗(yàn)觀測(cè)得：優(yōu)化后的“趾墩+消力墩+尾坎”方案在設(shè)計(jì)水位1 480 m和校核水位1 481.65 m兩種情況下，表孔和深孔聯(lián)合泄洪時(shí)下游河道的沖刷和淤積形態(tài)基本相似，只是在校核水位時(shí)，沖坑深度相對(duì)深一些，淤積范圍大一點(diǎn)。在設(shè)計(jì)水位下，溢洪道下游沖坑起始位置離溢洪道出口較遠(yuǎn)，距消力池末端75 m，沖坑順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)173 m，寬52.5 m，最大沖坑深度大約16 m。深孔導(dǎo)流洞沖坑位置起始于彎道出口35 m，偏向右岸，沖坑順?biāo)飨蜷L(zhǎng)105 m，寬58 m，最大沖坑深度大約10.6 m。校核水位下，溢洪道沖坑起始位置距消力池末端68 m，沖坑順?biāo)飨蜷L(zhǎng)178 m，寬73 m，最大沖坑深度大約24.7 m。因此，方案四“趾墩+消力墩+尾坎”方案有效的解決了溢洪道消力池下游河床整治段的淘刷現(xiàn)象。圖6為校核洪水位下游河道沖於地形圖。

圖6 方案四表孔與深孔聯(lián)合泄洪校核水位下游河道沖於地形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以新疆某水電站溢洪道為例，在原設(shè)計(jì)消力池方案的池長(zhǎng)、邊墻高度不能滿足三十年一遇洪水1 856.2 m3/s的設(shè)計(jì)過(guò)流量時(shí)，對(duì)消力池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四種修改方案的試驗(yàn)研究：(1)增加池長(zhǎng)和邊墻高度，達(dá)到滿足宣泄設(shè)計(jì)流量1 856.2 m3/s的要求，但是增加了工程造價(jià)。(2)消力池進(jìn)口設(shè)一排消力墩，有效的縮短了消力池長(zhǎng)度，但對(duì)躍后水深的影響不大。(3)消力池進(jìn)口設(shè)一排消力墩，減小池深到4.5 m，消力池出口護(hù)坦上設(shè)置高3 m的梯形消能坎，降低了躍后水深，消力池內(nèi)水流平穩(wěn)，滿足要求，但是在消力池進(jìn)口流速17.8 m/s(大于16 m/s)，已引起消力墩汽蝕破壞。(4)消力池內(nèi)采用趾墩—消力墩—尾坎的布置方式，能有效的有效減小消力池入池流速、改善池內(nèi)水流流態(tài)、降低躍后水深、縮短消力池長(zhǎng)。因此，采用方案四能很好的解決原設(shè)計(jì)消力池所存在的問(wèn)題，并降低了工程造價(jià)，有效的解決了下游河床沖刷，試驗(yàn)成果對(duì)于同類工程設(shè)計(jì)具有借鑒意義。