安寧水電站溢洪道消能防沖試驗研究

趙健飛,王軍海,徐根海,紀志強

(1.中國水利水電第十四工程局有限公司,云南昆明650041;2.武功縣水利局,陜西武功712200;3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊凌712100)

1 工程概況

安寧水電站位于四川省阿壩州境內的大渡河干流上,是金川～丹巴河段分三級開發的第一級電站。安寧水電站以發電為主,電站裝機容量380 MW,水庫正常蓄水位2130.00 m,消能防沖水位為2126.00 m,設計洪水位為2 130.07 m,校核洪水位2 133.30 m,水庫總庫容1.492億m3。

安寧水電站擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩,泄水建筑物為右岸開敞式溢洪道和右岸岸塔式泄洪洞組成,電站地下廠房位于左岸,由四臺機組發電。溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。引渠段開挖成喇叭口狀,使水流平順進入溢洪道內。控制段采用WES堰,堰頂高程為2 113.50m,設3孔弧形閘門,單孔凈寬12 m,堰高3.50 m。泄槽長142.75 m,底坡i=10.5%;泄槽采用收縮布置,縮窄后泄槽寬度32.0 m,收縮角為7°;溢洪道采用挑流消能,挑坎頂高程2 090 m,反弧半徑采用80 m,挑角22°。挑坎長度為42.75 m。樞紐布置見圖1,溢洪道體型見圖2。

圖1 安寧水電站樞紐平面布置圖

圖2 安寧水電站溢洪道體型圖

2 原方案試驗研究

模型按重力相似準則[1]設計,采用正態模型,幾何比尺Lr=80。試驗首先觀測了泄水建筑物的泄流能力,實測設計洪水溢洪道泄量為4 639.84 m3/s,總泄量為6 727.60 m3/s;50 a一遇洪水(消能防沖水位)溢洪道泄量為2 946.55 m3/s,總泄量為4 843.20 m3/s,滿足泄流能力要求。

試驗還對原方案設計水位工況以及消能防沖水位工況泄水建筑物的流速、壓力、水面線等進行了量測,發現泄洪洞水力參數分布正常,設計合理。溢洪道主要存在以下問題:

(1)進口引渠流態不好,左邊墻進口有繞流影響,過堰水流不均。

(2)由于閘后收縮的影響,控制段末中墩后有不同程度的水冠,泄槽段折沖水流突出。

(3)由于下游水深較大,未能形成挑流消能流態,出口水流與下游河道水流銜接不佳,下游河道回流嚴重,河道沖淤范圍大、沖坑深。

針對以上問題,修改方案對溢洪道進口左導墻進行加長以及圓弧化,從而改善了進口條件,使水流較為平順的進入控制段;中墩后設置漸縮收尾墩,消除了水冠;對于消能段,修改首先按照設計意圖,即以挑流、面流或混合流流態[2]消能方式進行的。經過多次試驗,其中包括挑坎加高、大導向扭曲鼻坎、連續坎戽池、差動坎戽池、連續坎戽池+消力墩、泄槽段設置大臺階、導向分流鼻坎、分流式挑流鼻坎、邊墻折流坎等,雖然有的方案能滿足50 a一遇洪水標準,但設計洪水及以上工況都較難滿足消能防沖要求,故需要選擇合適的消能方式,以滿足低水頭、大單寬消能要求[3]。

根據原方案以及修改方案實測流量、流速、沖淤深度以及挑坎段佛汝德數(2.5左右)等水力要素,并結合電站自身特點,考慮利用底流消能工可以較好地解決安寧溢洪道的消能防沖問題。

3 折坡消力池試驗研究

受地形、地質條件以及工程經濟性的影響,消力池的長度明顯不足,故考慮采用折坡消力池來形成水躍消能。折坡消力池方案體型見圖3,最大池長55 m,折坡坡度為1∶3。

圖3 折坡消力池體型圖

試驗結果表明,在設計水位工況和消能防沖水位工況折坡消力池方案均能形成水躍消能,且能滿足設計要求,但低佛氏數水躍[4]消能率較低。故常在消力池中加設一些輔助消能工,從而使消力池的性能得到改善[5],提高消能率。

在折坡消力池基礎上,對其進行體型優化并增設一定的輔助消能工,見圖4。圖4中(a)為消力池底板抬高5 m,池長增加了14.45 m,(b)為消力池內布置兩排消力墩,(c)為護坦末端加設尾坎。

試驗結果發現,修改體型(a)、(b)、(c)在各級工況下均能形成水躍消能,但對于折坡消力池方案以及(a)、(b)體型,出池水流較集中,對岸邊沖刷嚴重,沖坑較深。體型(c)加設尾坎后,相當于一個二級消力池,一部分水流經由坎頂流出,一部分由護坦左邊缺口流出,到達主河槽位置,形成沖坑較淺,且遠離岸坡。現將設計水位(2 130.07 m)工況折坡消力池方案以及修改體型圖4(a)、(b)、(c)的消能率進行對比,見表1。

圖4 折坡消力池修改方案體型

表1 安寧折坡消力池消能率對比表

根據表1可知,折坡消力池體型(b)的消能率最高,可達48%,但根據下游河道流態以及沖淤情況顯示,原方案以及體型(a)、(b)的河道下游沖坑最深點均在2 060.0 m左右,而體型(c)河道下游沖坑最深點為2 067.2 m,提高了7.2 m,消能率也可達42%。

泄槽段是由緩坡變陡坡,連接段最好能采用拋物線連接[6]。以避免水流底面產生負壓,招致空穴水流,并力求減小表面的接觸壓力。但是,經過計算,如果采用拋物線連接,消力池長度將會進一步縮短,而且陡坡的坡比將會發生變化,對于消力池內的流態將會引起很大變化,加之地形、地質條件不允許消力池向后加長,故采取擬合的方法,利用相切圓代替,最終確定圓的半徑為112 m,可作為推薦方案。

對推薦方案各工況的水力參數量測發現,雖然圓弧漸變段有一定的負壓,但其值較小,在允許范圍內。設計水位池內最大流速約為20 m/s,對消力墩穩定基本無影響。其余水力參數分布正常。

4 結 語

通過模型試驗,對安寧水電站溢洪道原方案進行體型修改和優化,解決了以下問題:

(1)對溢洪道進口喇叭口的修改,使水流能平順導入控制段,閘孔過水均勻;

(2)漸縮收尾墩的設置消除了水冠,緩解了閘后收縮的影響,但仍存在突出的折沖水流;

(3)圓弧連接段是在拋物線擬合的基礎上確定的,能有利于緩解負壓的出現,改善了進池水流流態;

(4)推薦方案的消力池長度較短,在各水位工況下均能形成水躍消能,滿足消能防沖要求。

對于低佛汝德數(Fr＜4.5)的水利工程,其水躍消能率一般為20%～40%[7]。針對安寧水電站溢洪道折坡消力池的研究發現:如果對于輔助消能工設計得當,不僅可以減少開挖量,降低工程投資,還可以提高消能率,減小下游河道沖刷,改善下游河道流態。

[1]呂宏興.水力學[M].北京:中國農業出版社,2002:432-433.

[2]郭子中.消能防沖原理與水力設計[M].北京:科學出版社,1982:9-10.

[3]汪 振,黃 維,何世海,等.云南某水電站泄洪消能設計研究[J].水利與建筑工程學報,2007,5(3):64-67.

[4]李夢成,童海鴻.低佛氏數底流消能輔助消能工模型試驗分析[J].人民黃河,2011,33(9):144-145.

[5]劉美茶.卡爾達拉水電站折坡消力池消力墩試驗研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2010:1-2.

[6]中華人民共和國水利部.SL 253-2000.溢洪道設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2000:62-63.

[7]陳俊英.低水頭引水工程消能措施試驗研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2005:1-2.