瑞士擴建格洛里特斯壩提高泄洪能力

[瑞士]M.比爾里 M.費德施皮爾 J.L.博伊拉特[法國 ]B.烏當 F.德洛米

胡衛東 譯自英刊《水電與大壩》2010年第5期

對于格洛里特斯(Gloriettes)壩的擴建方案,考慮到幾何與水力邊界條件,除了尾水渠之外,兩種不同形狀的鋼琴鍵型堰在瑞士的 EPFL水利建設實驗室(LCH)通過物理模擬(比例尺1∶30)進行了試驗與優化。

由于實測的水文數據增加并且研究開發了一些新方法用于洪水流量估算,社會上就有關安全方面的問題也提出了更高的要求,因此現有的許多大壩都需要對溢洪道進行改建,以提高它們的泄洪能力。正如其他許多國家的情況一樣,就修改的設計洪水流量而言,已發現法國電力公司的數座大壩的泄洪能力不足。因而,提高溢洪道的泄洪能力,已成為水電工程管理者所面臨的一個重要問題。

1 格洛里特斯壩

由法國電力公司(EDF)負責管理的奧德埃斯陶伯(Gave d'Estaubé)河上的格洛里特斯混凝土拱壩位于比利牛斯(Pyrenees)山山區,建于1949年至1951年間。最初的泄洪系統包括有壩頂高程1667 m處的 4孔自由溢流閘,在最高運行水位為1667.8m時,其泄流量約為70m3/s。對于重現期為1000a一遇的新設計洪水流量,洪峰流量定為150m3/s。為了彌補80m3/s的不足泄流能力,需要在右岸增修一座溢洪道,選用被稱之為鋼琴鍵型堰(PKW)的迷宮式溢洪道設計方案。設計了兩種不同的堰頂形狀,其堰頂高程與原有溢洪道的堰頂高程相同,并已通過了物理模型試驗且進行了評估。

新 PKW壩址的下游屬于巖土不穩定帶,除了環境整體化的要求之外,不允許在尾水渠進行簡單與直接的射流,但可用水流方向突變的方式替代。主要設計目的是產生連續的、最大的消能,以避免水流泛濫。

尾水渠的最初設計包括通過夾角為120°的曲線來相互連接的兩段斜坡渠底(平面上成)直線的渠段,初步評價是基于分析水位、流速與消能。應用柏努利方程計算陡坡上水流的能頭,消能以經典的科爾布魯克 -懷特法(Colebrook-White approach)為基礎。原來的設計只允許低水平的消能,從而導致流速過高(約25m/s)。采用標準的空化公式對渠底的空化指數(σ)進行了計算,結果表明,有數個渠段超過了臨界值,即 σ＜0.2(空化風險)。

另一方面,采用納普(Knapp)經驗公式進行了計算,結果表明,在小半徑的渠道曲線處形成的內外水深高達 6 m,這是由于離心加速度和駐波所造成的結果,鑒于這種水力特性,作出了具有兩個階梯型渠段與一個中間的消力池的歸河渠道的完全新型的設計,要求方向改變120°(圖1)。

圖1 歸河渠道最終設計的平面布置

2 設計準則

2.1 邊界條件

歸河渠道的上游邊界條件由 PKW確定。為了評估涉及到壩頂原有溢洪道的兩種類型的 PKW的泄水能力,進行了數次試驗。關于溢流堰系統的水力學問題,在雷特(Leite)等人(2009年)與比厄里(Bieri)等人(2009年)的著作中都進行了討論。對于150m3/s的設計洪水流量,這些試驗得出的歸河渠道中最大泄流量為 80m3/s。采用一維數值模擬(HEC-RAS,version 3.1.3)對河道匯流處的水力學條件進行了計算,并對歸河渠道的下游段以及奧德埃斯陶伯河天然河道的一部分進行了模擬,這段天然河段的泄流量為原溢洪道下泄的流量。簡單的分析證明,渠道與河道的水流為亞臨界流。河道的原有地形在渠道的倒數第2個階梯上形成水躍,并且在匯流區還產生側向溢流。

已經提出數次改進河道與渠道下游段形狀的建議,包括局部加寬與疏浚,并在數值模型上進行了試驗。但是,作為初步數值模擬結果,在物理模擬中未考慮匯流對歸河渠道出流的局部會產生一定的影響。

2.2 階梯渠道段

為了在兩個渠道段上獲得最大的消能效果,將階梯沿渠道的縱剖面設置。初步設計是以最近研究的階梯溢洪道工程為基礎。低流量發生跌流水舌,大流量形成滑行水流情況。跌流消能是通過水流對階梯的沖擊進行的。因為階梯間有截留的水體,滑行水流效率更低。當兩種水流流態都部分存在時,這種流態稱為漸變流。定義水流流態的公式(1)為漸變流;公式(2)為滑行流;公式(3)中 hc為臨界水深;hs為階梯高度;ls為階梯長度;qw為單寬流量;g為重力加速度。

對于階梯高度與長度的不同比值,消除的能量ΔH一般在有效水頭 H0的 85%與 95%之間,水頭損失 ΔH是根據實驗建立的單寬流量和相對能量損失ΔH/H0兩者間的關系進行估算的。這些結果是在試驗水槽中按0.06 m階梯高度取得的。對于1 m的階梯,比例系數 λ為16.67,對于2m的階梯,比例系數為33.33。相應的流量比例系數(λ5/2)分別為1.134與6.415。對于泄流量為 80m3/s,且渠道寬度為7.5m的條件,該情形為滑行水流,而且兩個階梯高度的消能率約為 90%。

對兩個階梯的高度(1 m與2m)和階梯長度是可變的的情況進行了分析。在兩種情況下,階梯構造的主要設計標準則是避免溢流,并使開挖量最小,從而導致階梯長度是變化的。已知兩個渠道段的泄槽坡度θ,階梯的法向高度 ks(公式4)和陡坡的佛汝德數 Fθ(公式5)是可確定的,并可導出混合均勻流的深度 Z90,u(公式 6)。這個水流深度相當于摻氣濃度為 90%。

對于1 m和2 m高的階梯,Z90,u大約分別為1.2m和1.3m。使用安全系數1.5,最大泄流量為80m3/s時,水深為2m。需要用這個深度來確定周邊地形至渠底的高差Zs。它可以得出渠道底的下限線,渠道階梯不應該超出這一下限線。由于階梯很長,要求開挖的方量很大,而在經濟上不可能接受2 m高的階梯。

2.3 消力池

消力池必須能消除回水渠上段下游端處水流的剩余能量。消力池的布置與設計必須結合原有地形考慮,以便在第2段渠道的入口處得到臨界水流條件,為了確保消力池突擴段具有令人滿意的性能,已證實中央消力檻是有效的。消力檻的最優設計導致消力池內形成對稱而且穩定的水躍,側面漩渦對消能過程有明顯作用的尾水流速分布近乎均勻。

對于給定的泄流量,入流深度 h1、水流速度 v1與第1段渠道出流處的佛汝德數 F1都能采用公式(6)進行計算。然后采用貝蘭格爾(Bélanger)公式計算下游水流共軛水深 h2。對于 80m3/s的設計洪水流量,h1為1.1m;v1為9.7 m/s;Fr1為 3.0,結果h2為 4.1 m。

在麻城市石橋垸村，共同締造活動實施了村莊環境提升、垃圾分類評比等工程，清理了雜亂的建筑，生活垃圾和污水收集處理更加規范，村里的水塘也通過專業的環保企業進行了治理，村莊環境得到明顯改善。

按不萊梅(Bremen)法,消力池長度 xj用公式(7)確定。為了引導消力池曲線部分的水流流向出口,將 xj的計算值(約16 m)增加了5 m。

除了 h1和 b1之外,消力檻的最佳形狀主要取決于 Fr1、消力池寬度 b2和渠道寬度 b1之間的擴展比。在目前情況下,b2(15 m)選定為 b1(7.5m)值的2倍。最佳水流條件通過高于0.8的無量綱的消力檻位置 Xp獲得。考慮到入流部分逐漸擴大,Xp固定在1.75。相對于渠道出口的消力檻最優位置 xs可通過公式(8)確定,計算結果為6.5m:

消力檻高度 s由公式(9)確定,等于1.6 m。

消力檻寬度 bs可用公式(10)計算,計算結果為9.4m。

由于要求環境整體化,最初的模型構造和理論要求之間唯一的不同之處是消力池光滑而成圓形的邊墻,因而水流流態十分相似。

3 物理模型試驗

3.1 實驗裝置和測量設施

考慮到原有溢洪道格洛里特斯壩的新 PKW和歸河渠道的水力學特性,認為采用1∶30的總幾何比尺是恰當的,以避免縮尺效應。應用佛汝德相似性,這就意味著慣性力與重力之比保持不變。

模型包括兩個相關聯的部分。第一部分布置在正方形的鋼板水池內,復制水庫、拱壩和溢洪道。另一部分就是模擬歸河渠道,在周邊擋墻范圍內對該渠道進行復制,允許在整個三維方向擴展。渠道段和消力池用 PVC制作。為了在回水渠道上開展試驗,已將原有溢洪道關閉。這種措施可以對 PKW的下泄流量進行精確地控制,這一部分的流量由實驗室的供水網絡提供并用電磁流量計測量,鋼板水池中的水位由兩個超聲波傳感器控制,流速用精度為1 mm/s的微型螺旋槳測量,作用在消力池中消力檻上的靜水與動水壓力,由測壓管和取樣頻率為100Hz的壓力電阻效應傳感器進行測量。

3.2 試驗程序與優化過程

為了進行性能測試和優化,應用了一個迭代的系統程序。所有的試驗最初都是按 80m3/s的設計洪水流量來完成的。優化后的結構體型則是用20m3/s、40m3/s和 60m3/s的較小流量進行驗證。

第一步只是模擬、試驗和改進歸河渠道的第1段。為了檢查水流的橫向分布情況,測量了階梯兩邊邊界區的水位。緊靠 PKW下游的曲線部分的水流性狀需要加以特別注意。已經制定了水流平衡與防止漫溢的兩種綜合措施,并進行了試驗。一方面,通過降低轉彎渠段內側的高度和增加外側高度,使階梯成橫向傾斜。另一方面,對階梯的縱向體型也做了相應的修改。

此外,為了降低拱壩基礎附近的漫流和沖蝕的風險,在外岸設置了一面導墻。不僅該結構的高度,而且其形狀都是優化過程的組成部分。

第1段渠道下游的消力池的主要作用是允許方向在亞臨界流條件下改變120°。簡易而適宜的試驗設施就可對消力池的幾個單元進行優化。除了毗鄰的天然地形之外,消力池的底部高程、周圍的形狀、入流和出流結構體型、消力檻的高度和形式都進行了系統的調整和定性的評估,而且對特大洪水情況下的消力檻上的靜水和動水壓力都進行了測量。為了從結構上確定有問題的頻率,還進行了能譜密度分析。

為了模擬無覆蓋開挖的巖石面的糙率,采用估計的原型不平整度為5～10cm,在渠道和消力池相對應的表面處增加了一層粗糙水泥漿。另外還在橫向上敷設了一些約2 mm高和10mm寬的板條。原型上的實際糙率在理論上相當于斯特里克勒(Strickler)系數 35m1/3/s。

對于有無加糙層兩種情況的最終外形,又測量了水位。對于兩個渠道段末端處的出流流速,按規則網格采用微型螺旋槳進行了測量。亞臨界水流的總體平均流速使得有可能估算其動能以及總水頭,并最終估算對應的消能效率。

3.3 結 果

與上游部分有關的渠道第1段的優化,導致對橫向傾斜的混凝土階梯和邊墻進行特殊的設計,以便避免漫溢。歸河渠道的第2段平滑地彎曲,且其階梯比第1段的階梯長。在消力池的出口處,側面導墻為獲得適當的水流分布創造了條件。在第2段渠道的出口處,水流被安全地引導到朝向天然河道的軸線方向。

渠道兩段出口處的平均流速使得計算消能效率、水頭損失比與總水頭之比成為可能。效率隨流量增大而下降,這也是通過計算值預測的,計算值略低于實測值。對于低泄流量的水頭損失進行了計算(對應跌流水舌情況),計算結果表明,其與實驗結果非常相符。對于滑行水流情況,差別則是隨泄流量增大而增大,不規則的階梯布置以及渠道的曲率可能是導致這些差異的原因。對于粗糙層,在渠道出口處實測的流速較低,而結果是水頭損失和消能效率較高。

消力池優化后的設計為方向上要求作120°變化創造了條件。它由一個開挖的圓池組成,并受到左岸和下游部分的側墻的限制。為了在設計洪水條件下的消力池的水深穩定在 4m到5m之間,出口的寬度必須有6.2m寬,且必須由混凝土制作。最大水躍高度大約為 9m。消力檻位于距上段渠道出口5m處,最初確定的1.6m檻高是通過試驗確認的。圓形消力池避免了側面的回流區,但減小了過水斷面。由于這個原因,檻寬縮短到7.5m,使其保持與渠寬一致。消力檻前部的實測壓力約為5.3m水柱(見表1),且壓力分布的左右點不對稱,可以解釋這是由于消力池的不對稱形狀引起的。1.3～1.9的標準偏差表明,變化很快的水流具有產生負壓的風險。消力檻后部壓力負荷約小50%。

表1 設計洪水流量為 80m3/s時消力檻前部和后部實測的靜水壓力和動水壓力

4 施工進度與費用

格洛里特斯壩位于法國高海拔的比利牛斯山脈的偏僻帶。由于道路被雪覆蓋且穿過幾個雪崩區,在整個冬季期間不可能到壩址區。即使在夏季,從所有的公用設施到壩址都有很長一段路程。例如,驅車到最近的混凝土攪拌廠要1.5 h。

由于施工作業只能在夏季進行(從 6月開始到9月底),因此決定將工程分為2個階段進行:

(1)第1階段,在2009年夏季期間,主要工程包括第2段渠道、消力池及第1段渠道的下半部分巖石爆破與開挖,并修建消力池邊墻和渠道段。

(2)第2階段,在2010年夏季期間,主要工程包括第1段渠道上半部分巖石爆破和開挖、修建第1段渠道上半部分的邊墻、鋸混凝土墻和修建PKW。

由于拱壩布置在非常靠近開挖地區的位置,所以巖石爆破由位于大壩上和其基礎周圍的若干個加速計嚴格控制。2009年7月,對消力池與第2段渠道所在區進行爆破時,記錄的最大速度為 4 mm/s,頻率為 30Hz。

從地質學觀點來看,新溢洪道和渠道段位于河流的右岸,此處由具有強烈的葉理構造方向垂直于河谷軸線的陡傾角片麻巖構成。巖石被先前的冰川割斷和磨削,但巖質變化并不是非常嚴重。尤其是在消力池修建期間,遇到了一些地質難題,比如對粘土斷層必須采用混凝土填充的亂堆來進行處理。

溢洪道擴建工程的總費用約120萬歐元。主要費用與消能設施(渠道階梯段和消力池)有關。

5 結 語

為了提高原有大壩的泄洪能力,采用了 PKW這種緊湊而適用的結構。這些結構向下游泄水往往需要采用原有的與創新性相結合的解決方法。格洛里特斯壩溢洪道擴建工程涉及到極其復雜的邊界條件,包括120°的方向變化。有2個階梯段與一個中間消力池的渠道結構布置方案,使得通過消能后引導水流到天然河道成為可能。通過理論方法預先設計幾何特征,并通過物理模型試驗進行優化,最終達到了以下目的:溢洪道中的水流為均勻流、消能效率大于 90%、開挖量最小,并滿足與山區環境融于一體的要求。

所選擇的方法涉及初步設計,是以最近研究的理論方法和簡單的數值計算為基礎的,隨后在物理模型上進行系統試驗。從技術與經濟兩個方面來說,這種方法是令人滿意的。考慮到環境、結構和經濟標準,迭代的試驗程序加上適當的試驗設備,使得解決復雜的工程問題成為可能。

目前該工程還在建設中。第1階段的工程已于2009年10月完成,包括第1段渠道的下游部分、消力池與第2段渠道。PKW和第1段渠道的上部分工程目前正在繼續施工中。