加拿大拉斯金工程的性狀評估

[加拿大] B.休斯 等

拉斯金水電站位于加拿大溫哥華以東約 65 k m的斯泰夫河上。工程于 1930年完成,包括海沃德湖水庫(拉斯金壩水庫)、拉斯金發(fā)電廠房和拉斯金壩。海沃德湖水庫集水面積可以忽略,來水幾乎完全來自上游約5.6 k m的斯泰夫瀑布發(fā)電站的泄水。拉斯金發(fā)電廠房安裝 3臺 35MW的混流式水輪機,拉斯金壩為混凝土重力壩。

現(xiàn)有的溢洪道為 7孔弧形閘門壩頂或溢流溢洪道。從大壩右側(cè)(向下游看)起,依次編號為 1孔到7孔。S形溢洪道的堰頂高程為34.98 m,溢洪道上面的現(xiàn)有道路的面板高程為45.75 m。在溢洪道的下游兩岸,混凝土臺階和導(dǎo)墻的布設(shè)與自然渠岸的等高線一致。除了保護(hù)兩岸不受沖刷破壞外,這些混凝土臺階還將泄水重新導(dǎo)向主渠,尤其是當(dāng)使用外側(cè)閘門時。雖然這些臺階的平面形狀不同,高程不同,但是兩岸均有幾個較大的混凝土臺階。最大的臺階長 27 m、寬 12 m,位于右岸6.8 m的高程處,在 2號與 3號孔的下游。在 5號和 6號孔的下游,左岸有一個稍小的臺階,長 19 m、寬 8 m、高程為-6.2 m。溢洪道斜槽末端為混凝土護(hù)坦,高程為-10.13 m,在 4號和 5號孔的下游,將兩岸最低的混凝土臺階相連。

緊靠溢洪道的下游河道由基巖和粒狀材料組成,高程為 -10 m至 -13 m。尾水位決定于工程的流量(發(fā)電廠房和溢洪道流量)和位于下游約 3 k m處的受潮水影響的弗雷澤河的水位。估計最高和最低尾水位分別為10 m和2.4 m高程。在溢洪道護(hù)坦末端的下游約 35 m處,一座發(fā)電廠房的交通橋橫跨溢洪道渠道。一個約寬 17 m的混凝土橋墩位于渠中偏中心線的右側(cè)處。

目前,拉斯金水電站的發(fā)電運行次序(G O O)規(guī)定了首選的溢洪道閘門運行順序,這種順序的設(shè)計,是為了使溢洪道下游河道中產(chǎn)生的沖刷和總氣體壓力(T G P)水平最小。表 1列出了拉斯金壩目前G O O中提出的首選溢洪道運行情況。

表1 原有 7孔溢洪道閘門開度的首選順序

本工程的可能最大洪水 (P M F)流量估計為3650 m3/s,電廠最大下泄流量為 351 m3/s。在過去 25 a(記錄時期)中經(jīng)歷的最大日平均流量估計為1100 m3/s。

1 建議的工程改造

作為抗地震改造的一部分,原先的拉斯金溢洪道將實施部分重建。目前的規(guī)劃涉及保留原有的堰頂形狀,但將用 5扇閘門/6個閘墩的布置替換原先7扇閘門/8個閘墩的布置形式。S形溢洪道的堰頂高程保持34.98 m不變;同時溢洪道單孔寬度增加到17 m,溢洪道橋的高程也將抬高到46.1 m高程(橋面高程)。

作為建議的改造工程的組成部分,B C水電局正在尋找方案,以改善與工程運行有關(guān)的總氣體壓力特性,降低對該系統(tǒng)中重要水生生物的危害風(fēng)險。為此,B C水電局進(jìn)行了模型試驗,以便更好地了解改造后的溢洪道有關(guān)總氣體壓力產(chǎn)生機制的性能和評估可能減輕總氣體壓力的辦法。

1.1 總氣體壓力

當(dāng)摻有空氣的水跌入溢洪道下面的深水或有類似的跌水(如瀑布)時,總氣體壓力水平可能會超過100%,而增加的壓力會迫使空氣溶解,形成溶解空氣過飽和。通常,水流的跌入深度一旦超過 8 m,就會產(chǎn)生空氣過飽和。魚會將過飽和溶液吸入其身體組織,當(dāng)魚游到淺水區(qū)時,空氣將從溶液中放出,這樣會產(chǎn)生水泡和造成出血,通常稱之為氣泡創(chuàng)傷(G B T)。

拉斯金溢洪道產(chǎn)生的總氣體壓力備受關(guān)注,因為在緊靠溢洪道的下游有溯河鮭魚產(chǎn)卵。從深秋到初冬,這些鮭魚在大面積淺卵石層中產(chǎn)卵。如果拉斯金壩溢洪(在過去 23 a中有 6 a沒有泄洪),則通常是發(fā)生在下半年,海沃德湖水庫接近其正常蓄水位,而且因強降雨產(chǎn)生的入流量很大。泄洪持續(xù)時間一般小于 4 d。但是,泄洪往往總是與弗雷澤河的高流量(導(dǎo)致水深更大)遇在一起,因此,可使大壩下游的總氣體壓力水平提高。這些不太常見、持續(xù)時間短的事件,使魚暴露在較高的總氣體壓力的情況較少,而相比之下,哥倫比亞河流域的大多數(shù)水電站,其總氣體壓力過高的時間每年均會持續(xù)幾星期或幾個月。

1.2 總氣體壓力的緩解措施

減小一個工程處的總氣體壓力的一般方法是將產(chǎn)生總氣體壓力的條件降低到最小,尤其是要減少跌落到水深大于 8 m的深水區(qū)中的水量。減少總?cè)芙鈿怏w(T D G)的最有效措施,通常是將運行措施與工程措施相結(jié)合。

1.3 改變運行方式

在正常流量條件下,對于有多余泄洪孔和溢洪道容量過大的溢洪道而言,改變運行方式最有效。在溢洪道下游的尾水深度變化很大的地帶,還考慮了其他一些運行方式的改變。在這些情況下,在正常洪水流量行洪期間,用溢洪道的一側(cè)泄洪可能對降低總氣體壓力更加有效。

1.4 修改溢洪道斜槽

溢洪道下游總氣體壓力水平的提高,是由溢洪道斜槽下游端的水流跌入相當(dāng)深的尾水區(qū)所產(chǎn)生的。根據(jù)這一特點,常常需要對溢洪道斜槽和/或尾水渠做出如下改變:

(1)在溢洪道斜槽或消力池中,增加消力墩、消力檻等消能裝置來進(jìn)行消能,以便降低下游渠道中的跌入水深;

(2)在溢洪道斜槽面上,加設(shè)折流裝置(挑坎),以使下泄水流在下游河槽中變?yōu)楸韺印盎小彼?

(3)在溢洪道趾部,抬高和延伸原先的護(hù)坦,以提供類似于由常規(guī)折流裝置建立的那種表層“滑行”水流;

(4)延伸一個(或多個)分隔溢流孔和斜槽的溢洪道閘墩,以允許在為數(shù)有限的溢洪道孔中產(chǎn)生一個總氣體壓力的比選方案,從而使有利于保護(hù)魚類非常重要的“正常”水流通過。

1.5 修改尾水渠

通過修改尾水渠的結(jié)構(gòu)形狀,可以降低水流跌入尾水渠水域的深度,并可在溢洪道水流中進(jìn)行消能。可行的修改方法包括在溢洪道下游簡單地填充尾水渠區(qū)域(用足夠大的材料,在工程設(shè)計洪水以下,將保持穩(wěn)定),或者在溢洪道斜槽趾部增加一個抬高的平臺或斜面。其他可行的尾水渠修改方案可能還包括在尾水渠區(qū)域砌一堵墻,以便將水流更加有效地導(dǎo)入下游渠道,從而降低尾水渠水域中大量摻氣水流的紊動與混合。

1.6 泄水底孔/導(dǎo)流隧洞

為了降低泄放到工程下游的摻氣水流量,常常會考慮利用底孔或施工用導(dǎo)流隧洞來泄水。

1.7 水輪機改造

通過對水輪機實施改造,可以增加通過發(fā)電廠房的不含氣水流量,從而降低工程溢洪(摻氣)的頻率,這樣往往也可以降低工程下游的凈總氣體壓力水平。

某些水電站已經(jīng)采用了改變運行方式的措施,但由于拉斯金工程的高水頭和溢洪道結(jié)構(gòu)形狀的特殊性,預(yù)計在較高流量下,可能還需要采取一些工程措施。運行方式的改變,包括修改溢洪道的運行順序,而工程結(jié)構(gòu)的改變,則包括在溢洪道下游兩岸改變臺階的布置(例如,在幾個較大的混凝土臺階上,增加折流墩或延伸選擇的混凝土臺階)或修改溢洪道斜槽的結(jié)構(gòu)(例如,增加折流裝置或抬高和延長斜槽趾部現(xiàn)有的溢洪道護(hù)坦)。

2 模型研究

在西北水力咨詢公司的實驗室建立了推薦用于拉斯金工程的 1∶40的非變態(tài)縮尺模型,專門用于評估新溢洪道布置的總氣體壓力的產(chǎn)生機制以及評估降低渠道下游總氣體壓力的運行方法和工程方法。

模型試驗檢查了從 200 m3/s到 1200 m3/s的溢洪道流量范圍,包含過去 25 a間工程所經(jīng)歷的溢洪道流量范圍,評估了渠道下游降低總氣體壓力的運行方式和工程方法。為了幫助定性分析,美國陸軍工程師團(tuán)已經(jīng)制訂了水流性能分類方法,用于類似的溢洪道模型研究,如圖 1所示。

通常,認(rèn)為滑行水流流態(tài)是使溢洪道下游的總氣體壓力集中最小的最佳水流流態(tài),而將跌落水流流態(tài)看作是總氣體壓力高度集中的原因。但是,要想在很寬的泄水和尾水位范圍內(nèi)得到滑行水流是不可能的;因此,認(rèn)為波動表面射流分類也是可以接受的。在水流分類時,也考慮了總流量。例如,與較大的流量相比,小流量對總氣體壓力水平的影響較小。因此,在流量較低時,認(rèn)為可能不理想的水流分類更加易于接受。

圖 1 總氣體壓力水流分類

拉斯金工程溢洪道下游的流態(tài)受到第 1、2號和5號泄水孔下游的混凝土臺階、溢洪道下游支撐發(fā)電廠房交通橋的大型橋墩以及橋墩附近渠道水深較淺的嚴(yán)重影響。因此,許多試驗不可能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的總氣體壓力水流分類來對水流進(jìn)行分類。最值得注意的流態(tài)(不包括在標(biāo)準(zhǔn)分類中)是水流受到一個或多個混凝土臺階的偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入下游河道中水深受到高河床或其他臺階限制的區(qū)域。在這些情況下,將通常的“跌落”水流稱為“水深受限的跌落”水流。

3 首選閘門開度順序的研究

對于新的 5孔溢洪道布置方案,試驗是以評估閘門運行順序方案開始的。因為尾水深度在中心孔(3號和 4號孔)以下超過 8 m,就會導(dǎo)致氣體的過飽和,所以模型運行狀況的試驗重點是靠外邊的溢洪孔(1號、2號和 5號孔),以確定使溢洪道底部區(qū)域的水流跌落和回流最小的最佳組合。對于每一種流量,均考慮單扇閘門、兩扇閘門和 3扇閘門的運行順序。如前所述,這樣將限于使用 1號、2號和 5號孔,避免 3號和 4號孔下游的深水區(qū),并利用與外側(cè)泄水孔下游混凝土臺階有關(guān)的消能作用。兩扇閘門和 3扇閘門的運行順序試驗主要是考慮均勻和不均勻的閘門操作。首選操作的選擇是基于達(dá)到“滑行”、“波動表面射流”或“水深受限的跌落”水流流態(tài);使溢洪道趾部(水深最大處)的回流最小;以及使發(fā)電廠房交通橋的濺水和漫溢最小。

借助于模型試驗,對以下各方面進(jìn)行了觀測:

(1)1號和 2號孔下泄水流受到混凝土臺階的影響,向發(fā)電廠房交通橋附近的淺水區(qū)偏移,導(dǎo)致產(chǎn)生“水深受限的跌落”水流。

(2)5號孔下泄水流同樣也受到混凝土臺階的影響,向發(fā)電廠房交通橋橋墩偏移,但是以較陡的角度入水,導(dǎo)致在橋墩上游出現(xiàn)垂直回流。

(3)當(dāng) 1號和 2號孔同時打開時,尤其是在溢洪道流量超過 500 m3/s時,觀察到橋面上有些濺水和作用在橋墩上的壓力稍高。

(4)1號閘門高單寬流量的下泄水流受到混凝土臺階的影響,向發(fā)電廠房偏移,導(dǎo)致在溢洪道趾部出現(xiàn)一定程度的跌落和回流,而且溢洪道下泄水流與發(fā)電廠房水流混合的程度較高。

(5)2號閘門高單寬流量的下泄水流受到高混凝土臺階的影響,向位于橋墩和右岸壩肩之間的淺水渠中偏移,導(dǎo)致水深受限的高速跌落(或滑行)水流。

(6)1號和 2號閘門聯(lián)合的高寬流量泄流,使發(fā)電廠房交通橋上產(chǎn)生過多的濺水和漫溢。當(dāng) 2號閘門全開或接近全開運行時,將 1號閘門的最大開度限制于1.5 m,以限制該橋上的濺水量。

(7)當(dāng) 5號閘門開度超過 2 m時,其跌落流量隨開度增加而增加。

在進(jìn)行上述試驗的基礎(chǔ)上,提出了采用 5孔溢洪道的新的操作順序。

4 結(jié)構(gòu)的修改

在制訂了首選的閘門操作順序之后,采用該模型,對溢洪道斜槽、混凝土臺階和尾水渠區(qū)域幾項結(jié)構(gòu)修改工作的有效性進(jìn)行了快速評估。尤其是進(jìn)行了有限的試驗,以評估以下修改的性能:

(1)在 3號和 4號孔下面的溢洪道斜槽上設(shè)一折流裝置(挑流坎);

(2)延伸到 2號孔下游的大混凝土臺階,挖除在 5號孔下游臺階上的巖石露頭;

(3)拆除支撐發(fā)電廠房交通橋的大型橋墩(假設(shè)該橋墩可用許多較小的、對流態(tài)影響小的流線形橋墩代替)。

利用該模型,對幾種不同形狀的溢洪道斜槽折流裝置進(jìn)行了評估,包括不同的折流裝置高程(浸沒在正常尾水位以下)和折流裝置長度。試驗結(jié)果證明,將一套長1.5 m至3 m的折流裝置安裝在正常尾水位以下約 3 m,當(dāng) 3號和 4號閘門的閘門開度在 2 m以內(nèi)時,能夠提供令人滿意的滑行水流流態(tài)(相當(dāng)于約 500 m3/s的總泄水量)。類似地,該試驗結(jié)果還證明了從尾水渠區(qū)域拆除橋墩,可得出紊動較小的水流流態(tài),同時減少摻氣水流溢洪道下游深水區(qū)混合的可能性。修改 2號孔下面的大型混凝土臺階會起到相反的作用,而挖除 5號孔下游的巖石露頭,則會大大降低前面與 5號閘門操作有關(guān)的跌落水流的流態(tài)。