臺階消能在大田河水電站前池溢洪道中的應用

符昌勝

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550002)

1 工程概況

大田河水電站位于貴州省貞豐縣，包含落生、大地兩級電站，總裝機容量10萬kW，設計年發電量約4.13億 kW·h，

大地水電站是大田河引水式開發的第二級電站，由引水隧洞、前池、電站進水口、壓力鋼管和廠房組成，電站安裝有兩臺1萬kW的水輪發電機組，直接引用落生電站的尾水發電，設計水頭69.7 m，設計引水流量40 m3/s。工程于2003年11月開始動工，2006年6月開始試運行。

2 前池溢洪道設計

大地電站前池設計總容積10 930 m3，有效容積8 400 m3，前池最高水位與下游天然河道高差達67 m，設計下泄流量40 m3/s，采用側槽式溢洪道泄流。受地形條件限制，泄槽末端不能采用挑流消能，采用底流消能時，消力池長度也≤15 m，因此溢洪道在泄槽段必須進行沿程消能，因此設計采用臺消能泄槽設計。泄槽設計寬8 m，設計單寬流量5 m3/s。泄槽縱向主要分為兩段，上游段為1∶3.7的相對較緩段，底板沿程布置1.85 m寬0.5 m高臺階;下游為1∶0.9的陡坡段，底板沿程布置0.9 m寬1 m高臺階。溢洪道縱剖圖見圖1。

圖1 溢洪道縱剖圖

臺階式泄槽由一系列的跌坎組成，根據實驗觀察表表明，通過臺階的水流可分為跌流水舌和分離流。發生跌流水舌是在泄槽流量較小的情況下，當泄槽流量較大時，泄槽呈現為分離流。為形成分離水流流態，臺階高度必須滿足式:

根據公式判斷，兩段泄槽均滿足分離流結構尺寸要求。根據臺階尺寸計算臺階糙度K*=h×cosα。然后采用如下兩個公式計算分離水流產生的起始距離和起始水深。

根據如下流速計算通用圖表計算泄槽沿程水深與起始水深的關系，進而推求出整個泄槽的水深。

根據計算，第一段末端平均水深0.63 m，第二段末端平均水深0.71 m。但經試運行期間觀察，前池泄槽在下泄流量為20 m3/s時，在泄槽底坡由緩變陡的槽段，水流過渡效果差，不能在陡槽段形成良好的摻氣水流，水流流態紊亂，故在樁號0+122.16之后出現局部水波濺出泄槽，泄槽原設計高度不滿足要求，需加高，邊墻加高高度根據現場觀測估算。同時因泄槽實際消能率小于設計消能率，使得消力池入口水流流速較大，消力池深度不滿足要求。

圖2 流速計算通用圖

3 泄槽及消力池水力復核計算

計算過程:

1)計算非臺階泄槽第一段及第二段末端能量。

2)根據原設計計算復核第一段泄槽的相對消能率。

3)根據計算出的非臺階泄槽末端能量EC，參考相關論文資料，綜合考慮對大地泄槽消能率進行調整后計算泄槽末端能量ECT。

4)將第二段末端能量轉化為相應水頭H，用以計算消力池所需水墊深度。

非臺階泄槽水面線計算過程為將臺階及非臺階泄槽末端處的能量作比較，引入了相對消能率ηC的概念，以表示臺階泄槽末端的能量ECT較非臺階泄槽末端處的能量EC所降低的百分數，其公式為:

式中:ηC的物理意義為相對非臺階泄槽而言，臺階泄槽在末端處所能多消減的能量。

將原設計泄槽簡化為兩段泄槽計算如下:

第一段泄槽:流量40 m3/s，泄槽長度77.5 m，泄槽高差21 m，水平距離74.6 m;

第二段泄槽:流量40 m3/s，泄槽長度55.8 m，泄槽高差37.4 m，水平距離41.36 m。

第二段末端能量(對應水頭)ECT=27.08 m。

第一段泄槽泄槽消能率復核過程為:

由以上計算成果，第一段泄槽末端能量(對應水頭)EC=12.38 m。

根據摻氣水流計算法計算，查臺階溢洪道流速通用圖表得第一段泄槽末端流速平均值V=7.95 m/s，相應末端能量(對應水頭)ECT=(7.95)2/2g=3.23 m

相對消能率:

根據成堪院科研所試驗成果得出的臺階溢流壩的相對消能率關系，見圖3。

圖3 相對消能率關系

由上圖查得，在單寬流量為5 m3/s，臺階高度0.5 m時，相對消能率ηC=75%，與計算成果接近。故第一段泄槽水流為出現分離流的的臺階消能水流。

偏安全考慮，第一段泄相對消能率取70%，由此計算得第一段末端能量為:

對應第一段末端流速8.52 m/s，對應第一段末端水深1.03 m。

第二段泄槽末端能量計算為:

將第一段臺階消能計算所得末端水深代入溢洪道水面線計算表格計算當第二段為非臺階泄槽時末端能量:

根據溢洪道規范泄槽能量公式推算，第二段泄槽末端能量(對應水頭)

考慮到第二段泄槽不能形成較好的摻氣水流消能，取相對消能率15%，由此計算得

同時可計算臺階泄槽的整體相對消能率為:

消力池水墊深計算根據《溢洪道設計規范》DL/T5166-2002公式A.26計算:

式中:K為基巖沖刷系數，鋼筋混凝土底板取0.8;q為泄槽單寬流量5 m3/(s·m);H為上、下游水位差，考慮到臺階消能的影響，根據先對消能率取泄槽末端能量對應水頭22.15 m。計算得消力池水墊深t=3.88 m。

4 泄槽及消力池加高結構處理

邊墻加高采用外貼式，已澆邊墻頂部及外側均進行人工鑿毛，并植入φ22間距80 cm插筋，然后澆筑C30加高鋼筋混凝土。

消力池長度無法加長，采用全池邊墻和末端消能堰，并在原設計堰后再增加一道2#堰，為了更好的消耗1#堰出流水流的能量，在原設計人行橋上布置一道2 m高，0.65 m寬的阻水墻。見圖4。

圖4 泄槽及消力池加固結構圖

5 結語

2009年9月，在電站試運行3a后，工程完成驗收，工程建筑物運行狀態良好，溢洪道邊墻及消力池加高高度取值合適。新老混凝土的結合通過錨筋和鑿毛處理，質量可靠。

臺階消能計算常使用的通用圖表主要適用于碾壓混凝土重力壩下游面的消能計算，對于較小流量的溢洪道臺階消能計算，宜采用相對消能率進行計算，并結合試驗進行修正。

［1］艾克明.臺階式泄槽溢洪道的應用狀況淺析［J］.泄水工程與高速水流，2000(10):7.

［2］艾克明.臺階式泄槽溢洪道的水力特征和設計應［J］.水力發電學報，1998(4):1-3.

［3］吳憲生.臺階式溢流壩水力特性初探［J］.四川水力發電，1998(3):5.