山口水電站泄流能力及消能方式研究

潘旭東,郭 宇

(新疆水利水電勘測設計研究院,新疆烏魯木齊830000)

山口水電站工程位于新疆某河干流梯級開發的最末一級,工程任務為發電和上游梯級電站的發電反調節。工程采用混合壩,樁號0+000 m～0+496 m為碾壓混凝土重力壩段,樁號0+496 m～0+963.1 m為粘土心墻壩段,利用重力壩布置電站進水口、泄水建筑物,廠房位于壩后右岸階地,尾水渠沿右岸階地并向下游延伸887 m投入河道,最大壩高51 m,裝機容量140MW,保證出力40MW,多年平均年發電量5.7×108kW·h,工程規模屬大(2)型,工程等別為 Ⅱ等。校核洪水位914.5 m,總庫容1.21×108m3,設計洪水位912 m,正常蓄水位912 m,死水位905 m,死庫容0.55×108m3。

洪水標準:根據《防洪標準》GB50201-94[1]及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252-2000[2],經上游水庫調蓄后,大壩、泄水建筑物、電站進水口設計洪水標準100 a一遇洪峰流量為1 563 m3/s,校核洪水標準2 000 a一遇洪峰流量為3 891 m3/s;導流標準:圍堰擋水階段P=10%全年洪水洪峰流量為800 m3/s,壩體度汛階段P=5%全年洪水洪峰流量為1200 m3/s[1-2]。水文氣象:工程區多年平均氣溫8.8℃,極端最高氣溫39℃,極端最低氣溫-32.0℃,多年平均降水量334.02 mm,多年平均蒸發量1 961.04 mm,最大風速24.0 m/s,最大凍土深度80 cm。

泄水建筑物地質條件:壩線河谷呈不對稱“U”型寬淺谷,左岸河谷自然坡度40°～50°,右岸階地后緣45°～50°,河床寬237m,右岸Ⅱ級階地寬600 m～700 m,泄水建筑物出口消能區左岸I級階地覆蓋層厚度一般為5.9m～7.4 m,自上而下覆蓋層巖性為:坡洪積碎石土厚0～8 m,洪積低液限粉土厚0～1.6m,沖積低液限粉土厚0.8 m～2.8 m,沖積砂卵礫石層厚3.5 m～5 m;河床段覆蓋層厚度一般為0.8 m～2.3 m,為沖積砂卵礫石層,基巖巖性為砂巖、礫巖和泥質粉砂巖互層抗沖刷能力弱,弱風化層按水流抗沖性能分類屬Ⅲ類,基巖沖刷系數k=1.2～1.5,基巖抗沖流速為:強風化層抗沖流速0.3 m/s、弱風化上部抗沖流速2.5 m/s、弱風化下部抗沖流速2.8 m/s、新鮮基巖抗沖流速3.5 m/s。

近年來消能方式有了很多創新:如河北潘家口、遼寧白石水庫分別采用了寬尾墩和異形寬尾墩挑流消能,安康、巖灘、五強溪等工程采用了寬尾墩(異形寬尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩)方式的組合消能[3]。本工程泄水建筑物具有大流量、低水頭的特點,國內類似工程遼寧觀音閣水庫碾壓混凝土重力最大壩高82m,12個溢流表孔、2個放水底孔均采用挑流消能;遼寧白石水庫碾壓混凝土重力壩最大壩高47.3 m,11個溢流表孔、12個泄洪排沙底孔均采用挑流消能;因此原設計方案泄水建筑物出口采用挑流消能。

1 泄水建筑物

泄洪底孔壩段樁號0+090 m～0+111 m(6#壩段),壩段寬度21.0 m,由一孔永久泄洪底孔、一孔臨時泄洪底孔組成。永久底孔進口設有一道平板事故門,孔口尺寸6.0 m×7.5 m,底板高程876.0 m。洞身段為矩型斷面,長15.5 m,斷面尺寸為6.0 m×7.5 m(寬×高)。出口壓坡段長9.0 m,壓坡坡度1∶6.0。出口設一道弧形工作門,孔口尺寸為6.0 m×6.0 m,底板高程876.0 m。出口閘井后接一20.0 m長的明渠段,下游采用挑流加護坦、防沖墻的消能方式,見圖1。

表孔壩段布置在主河床靠左岸側的12#、13#兩個壩段內,壩段樁號為0+185 m～0+236 m,壩段總寬度51 m。溢流表孔設4孔,溢流堰頂高程902 m,每孔凈寬8 m,每兩孔一個壩段。出口消力池順水流方向長82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m處設置一條通長的消力坎。護坦段長20 m,寬70 m,在護坦末端及左右邊側均設有深齒墻,見圖2。

圖1 泄洪底孔體型圖

圖2 溢流表孔體型圖

泄洪底孔和溢流表孔在各種工況下泄流量見表1。

表1 泄水建筑物泄量表

2 泄水建筑物的泄流能力及消能

本工程底孔和表孔泄流能力、水面線和消能首先通過分析計算,泄洪底孔泄流能力采用有壓流的泄流公式計算,溢流表孔按WES堰堰流公式計算。底孔挑流消能和表孔底流消能采用《溢洪道設計規范》(SL 253-2000)附錄A中的公式計算。

本工程通過水工模型試驗驗證,模型幾何比尺為1∶50,按照重力相似準則,模型設計為正態模型。模型范圍包括庫區、泄水建筑物(4個表孔、兩個底孔)、電站引水管道及下游河道800 m,選用有機玻璃為模型材料,泄水建筑物下游河床采用動床,根據河道地形圖及基巖的抗沖流速,選擇模型砂,鋪設動床地形。

2.1 泄流能力

泄洪底孔采用1孔,事故門孔口尺寸為6.0 m×7.5 m,工作門孔口尺寸為6.0 m×6.0 m。泄流能力采用有壓流的泄流公式[4]計算并經水工模型試驗驗證基本能滿足設計要求,見表2。

溢流表孔設4孔,溢流堰頂高程902 m,每孔凈寬8 m,按WES堰堰流公式[5]計算并經水工模型試驗驗證基本能滿足設計要求,見表2。

表2 泄水建筑物設計泄量與模型試驗實測泄量對比表

2.2 水流流態

2.2.1 泄洪底孔水流流態

通過水工模型試驗驗證底孔洞身各部位均未產生負壓強,說明其體型和尺寸是合理的。

底孔出口泄槽水面線采用分段求和法逐段推算,模型試驗結果與計算基本相同,見表3。

表3 泄洪底孔設計與模型試驗水面線對比表

2.2.2 溢流表孔水流流態

水工模型試驗結果表明,在設計和校核工況下,溢流表孔進口流態和過閘水流均較平順。在門槽附近,沿閘墩有一定的側收縮,從而使過水斷面水流呈現中間高、閘墩壁附近水面低的現象。邊墩的側收縮要大于沿中墩的側收縮。

水工模型試驗結果表明:表孔設計工況下閘門全開時,堰面曲線堰頂樁號0-004 m和樁號0+007 m附近產生負壓,但最大負壓強值為-0.1 m(-0.000984 MPa),小于規范的規定[4]“設計洪水閘門全開時堰頂負壓不得大于0.03 MPa”。校核工況下閘門全開時,堰面曲線堰頂樁號0-004 m～0+010m附近有一低壓區,最大負壓強值為-2.3 m(-0.022626 MPa),小于規范規定的“校核洪水閘門全開時堰頂負壓不得大于0.06 MPa”[4]。其余部位均為正壓。

采用分段求和法推求溢流壩面不摻氣水面線,并與模型試驗比較,見表4。

模型試驗樁號0+000 m處水深,流速和摻氣水深較接近,樁號0+018 m和樁號0+036 m處出入較大。分析原因,設計計算值未考慮消力坎的壅水作用和消力池水躍影響,故高程越低流速越大,水深越淺。但無論是模型試驗實測值或設計計算摻氣水深值,均比相應斷面的閘墩高度低,即模型試驗實測或設計計算水面線均低于相應斷面的閘墩頂部高程,且有一定的安全超高。

表4 溢流表孔水工模型試驗實測水面線與設計計算水面線對比表

2.3 出口消能

2.3.1 泄洪底孔出口消能

泄洪底孔出口采用挑流消能,校核洪水時計算總挑距為90.8 m,沖刷坑深度為25.1 m,原設計挑坎后護坦長20 m,護坦末端齒墻底高程為869.85 m。從模型試驗的結果可看出由于巖體抗沖流速較低,水流回流對護坦兩側和邊坡的沖刷嚴重,所以必須將防護工程保護至沖刷最深點,需在護坦周邊增設防沖墻和左岸護岸及防沖墻[6-7]。

通過水工模型試驗多種方案比選,沿護坦底板及岸坡防沖墻的沖刷,護坦齒墻垂直河道方向度汛期沖刷最低高程864.7 m,但校核洪水底孔參與泄洪時,其沖刷深度最低可達860.6 m高程,因此護坦防沖墻深度至860 m高程。左岸邊坡在臨時度汛901.0 m庫水位時,最低沖刷到859.5 m高程,在校核洪水914.5 m庫水位時,最低沖刷到867.0 m高程,因此左岸防護防沖墻最低深度至858 m高程。

最終確定的底孔下游防護方案如下:護坦長45.797 m,寬49.954 m,厚度為1.0 m。左岸采用混凝土護岸處理,長度為120 m,護岸底高程872.0 m,頂高程881.5 m,采用C25混凝土襯砌,厚度0.5 m～1.0 m。護坦及護岸外側均布置槽孔混凝土防沖墻,厚度為0.8 m,防沖墻底高程867.00 m～858.00 m。見圖3。

2.3.2 溢流表孔出口消能

原設計表孔出口采用挑流消能,通過水工模型試驗由于下游河床及岸坡巖體抗沖流速較小,并且挑流泄洪時回流流速較大,對下游沖刷嚴重,因此改為底流消能。

圖3 泄水建筑物平面圖

通過水工模型試驗中反復調整,經多方案試驗最終確定溢流表孔出口消能方案如下:消力池順水流方向長82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m處設置一條通長的消力坎,此坎頂高程871.5 m,消力池池深6 m,尾部消力坎坎頂高程873.0 m。消力池前部51.134 m長范圍內底板橫水流向凈寬45 m,其后寬度擴至50 m,在護坦末端及左右邊側均設有深齒墻,齒墻底高程護坦末端865.5 m,右側865.5 m,左側867.0 m。該方案在校核洪水和設計洪水時,消能充分消能效果良好,動床試驗結果為最大沖刷發生在校核洪水情況,沿護坦右側沖刷最深至866.05 m高程、左側最深至869.70 m高程。其它常遇洪水由于流量較小,故對下游沖刷影響很小。由于消力池內設置的是通長的消力坎,故避免了像設置消力墩可能產生的空蝕破壞,模型試驗實測各工況下消力坎的壓強均為正壓,也說明不會出現空蝕破壞,見圖3。

3 結 論

(1)本工程底孔和表孔泄流能力和流態設計計算和水工模型試驗基本一致;但由于對河道覆蓋層和基巖抗沖能力估計不足,消能工和下游防護都有較大的變化,最終通過水工模型試驗調整。

(2)本工程開工后已于2008年12月通過蓄水安全鑒定和蓄水驗收,目前已蓄水發電,泄洪底孔和溢流表孔均已泄水運行,運行安全正常。

(3)通過本工程泄水建筑物水力學問題研究為今后大流量、低水頭、低抗沖流速河道修建消能工提供了經驗和設計依據。

[1]中華人民共和國水利部.GB50201-94.防洪標準)[S].北京:中國計劃出版社,1994.

[2]長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.SL252-2000.水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].北京:中國水利水電出版社,2000.

[3]倪漢根.高效消能工[M].大連:大連理工大學出版社,2000.

[4]武漢水利電力學院主編.水力計算手冊(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5]水利部天津水利水電勘測設計研究院.SL253-2000.溢洪道設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2000.

[6]向光紅,李偉,劉 瑜.水布埡水電站消能區防護方案研究[J].人民長江,2007,38(4):43-44,52.

[7]王長歡,黃國兵,侯冬梅.水布埡水電站泄洪消能防沖試驗研究[J].人民長江,2007,38(4):15-17.