淺析某水電站工程溢洪道消能設(shè)計(jì)

□向 蕾(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

0 前言

在水電站工程溢洪道的建設(shè)過程中，一定要注重其消能性能的提升，溢洪道消能性能的高低對(duì)于水電站工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著極大的影響。本文以某水電站工程為例，對(duì)于溢洪道消能設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 某水電工程的溢洪道的基本狀況

本水電工程位于新疆和田地區(qū),所在區(qū)域的地形以階梯形式所存在，地勢(shì)的高度自南向北依次遞減，此工程的溢洪道被布置在某河旁邊，就其整體結(jié)構(gòu)而言，它涵括了泄槽段、引渠段、控制段、陡坡段以及消能段。每一段的設(shè)計(jì)都充分結(jié)合了工程所在地的地質(zhì)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中所采用的材料以及相關(guān)段體長度的確定都基本能夠滿足于工程地對(duì)于水電工程的要求。引渠段是溢洪道中最重要的結(jié)構(gòu)之一，它底板的高度約為1760m，其布置的方式主要為圓弧擴(kuò)散，所采用的圓弧的半徑大概為92m左右。在引水渠的兩側(cè)分別布有壩體的重要結(jié)構(gòu)，在其左側(cè)是對(duì)壩體起到一定防護(hù)作用的重力式防護(hù)墻，其右側(cè)是由砂礫為主要組成部分的邊坡，在引水渠的建設(shè)過程中，此邊坡所采用的支護(hù)方式為噴錨支護(hù)。控制段對(duì)于整個(gè)溢洪道作用的發(fā)揮有著重要影響，在本工程中，控制段所設(shè)計(jì)的類型為實(shí)用堰型，堰頂高程1763.50m，堰寬15m，溢流堰面曲線方程為y=0.070627X1.85。整個(gè)控制段平臺(tái)的高度為1778.60m，在其孔口處設(shè)有弧形工作門，對(duì)其泄流過程起控制作用。在此弧形門前存有以固結(jié)灌漿和錨桿加固為主要處理方式的平板檢修門。泄槽段和控制段緊密相連，其斜坡的坡度和控制段相吻合。其和下游泄槽像連接的方式為圓弧連接，其圓心角α=42.14°，反弧末端高程1750.91m，其后為漸變段，底板由15m漸變?yōu)?2m，縱坡5/100，底板高程1748.91～1744.31m，斷面為12m×10.50m的矩形，泄槽段長92m，襯厚1.50m。消能段在整個(gè)溢洪道中也起著獨(dú)一無二的作用，消能段設(shè)計(jì)的是否合理對(duì)于溢洪道作用的發(fā)揮有著直接的影響。在本工程中消能段的挑流鼻坎凈寬12m，為扭鼻坎，轉(zhuǎn)彎半徑為80m，轉(zhuǎn)角為10.08°，起點(diǎn)底板高程1744.31m，挑流鼻坎反弧半徑為40m，挑角22.21°，坎頂高程1747.18m，邊墻墻頂高程1750.83～1758.18m。在挑流鼻坎底板下設(shè)置前后齒槽，并在此基礎(chǔ)之上在底板下加設(shè)錨筋，錨筋的基本尺寸為直徑25，排布方式為梅花形，各個(gè)錨筋之間的距離為2m，應(yīng)岸坡巖層走向?yàn)榫弮A角且挑坎處岸坡直立。整體的溢洪道的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溢洪道體形圖

在本水電站中原對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)核泄量為1017m3/s，實(shí)際校核泄量為1607.17m3/s。經(jīng)過相關(guān)工作人員的測(cè)試，在本水電工程的溢洪道中，其基本的水位流量如表1所示。

表1 某水電站水位和流量關(guān)系表

2 某水電站右岸導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞方案兩泄水道出口挑流鼻坎優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化思路

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口挑流鼻坎優(yōu)化是本次對(duì)某水電站工程溢洪道優(yōu)化過程中最重要的優(yōu)化部分之一，但是由于本水電站的河道極其狹窄并且大壩的高度超過60m，這種條件的水電站在我國都是很少見的，因此在對(duì)本工程進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，相關(guān)工作人員所能參考的案例是很少的，這為試驗(yàn)的順利進(jìn)行造成了阻礙。

在原設(shè)計(jì)中所采用的是目前我國已經(jīng)屬于比較成熟的等寬挑流鼻坎，在對(duì)這種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，工作人員發(fā)現(xiàn)在對(duì)此挑坎的消能效果并不是太好，并且其在消能過程中存有頂沖對(duì)岸的現(xiàn)象，這對(duì)整個(gè)工程安全性能的保持是極其不利的，因此在本工程中相關(guān)設(shè)計(jì)人員所采取的的主要的優(yōu)化方式就是運(yùn)用窄縫挑坎，這種挑坎能夠?yàn)樗鄬?dǎo)向提供條件，更加適合本工程。

2.2 優(yōu)化方案1

設(shè)計(jì)水位和庫水位相同。把窄縫水流分為上下兩部分，上部為次生流，流量小，占比不足總流量的1/10，下部水流為主流，導(dǎo)向角較大。就方案整體來說，它能夠一定程度上解決原方案中挑流對(duì)岸的沖擊的問題，但是這種方案會(huì)使得窄縫出口沖擊波增強(qiáng)，不利于水電站的整體運(yùn)行。

2.3 優(yōu)化方案2

在此優(yōu)化方案中對(duì)原設(shè)計(jì)中的明渠漸變段進(jìn)行了去除，從而使得窄縫挑坎長度得以加長，為了能夠確保窄縫挑坎水舌在各種工況下都能夠形成，對(duì)原設(shè)計(jì)中的護(hù)坦高程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕档停@一設(shè)計(jì)的優(yōu)化也能夠盡可能的使得窄縫挑坎內(nèi)產(chǎn)生水躍的現(xiàn)象得以減少。為了減少水流對(duì)護(hù)坦的影響以及水舌在作用時(shí)會(huì)對(duì)護(hù)坦產(chǎn)生一定程度的沖擊，在挑坎出口處把跌坎去除，使得其能直接和護(hù)坦相連。此優(yōu)化方案和優(yōu)化方案1相比更具有針對(duì)性，整體性能也比較好。下面就不同工況下的試驗(yàn)情況進(jìn)行分析。

工況1：庫水位為校核水位、下游河道水位為1735.10m、工作弧門全開。

流態(tài)：水流的基本形態(tài)還是分為上、下兩個(gè)部分，其中>90%以上的流量都集中在水流的下部分。從水舌的基本狀態(tài)來看，在這種工況下的水舌的形態(tài)還算比較好。窄縫出口邊墻高度低于水面，為了驗(yàn)證邊墻高度對(duì)于水翅形態(tài)的影響，在試驗(yàn)中采取一定的措施對(duì)邊墻高度進(jìn)行提升，被提升邊墻后，其相關(guān)水翅的形狀并沒有多大變化，因此在工程實(shí)施過程中沒必要對(duì)邊墻進(jìn)行高度提升處理。這種優(yōu)化方案下的河道流態(tài)還是比較順暢的，雖然水舌兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生微小回流，但是對(duì)于整體溢洪道消能作用的影響不大。

工況2：庫水位為設(shè)計(jì)水位、下游河道水位為1734.80m、工作弧門全開。

流態(tài)：水流與校核工況基本相同，只是水舌挑距略小。需要補(bǔ)充說明：①對(duì)于左岸，水舌頂端左側(cè)有微小回流，流態(tài)甚佳；②在右岸，水舌右側(cè)有顯著回流，且有一定的爬右岸坡，形成的原因是底層水流（2～3m）為淹沒射流，有顯著的橫向擴(kuò)散。③窄縫挑坎出口水流高于邊墻，若加高邊墻，幾乎不影響水流。

3 對(duì)溢洪道出口消能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)于表孔進(jìn)口體型進(jìn)行優(yōu)化

表孔進(jìn)口是溢洪道發(fā)揮作用的重要結(jié)構(gòu)之一，其基本體型是否合理會(huì)直接對(duì)溢洪道消能過程的實(shí)現(xiàn)有著一定影響。在原設(shè)計(jì)中表孔口的流態(tài)存有一定的不良現(xiàn)象，造成這種不良現(xiàn)象得以出現(xiàn)的主要因素為中墩的存在以及受表孔進(jìn)口左邊擋墻的墻體型影響，為了解決這一問題，使得表孔流態(tài)能夠表現(xiàn)正常，本工程相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行了以下優(yōu)化：一是把進(jìn)口中墩去掉，二是進(jìn)口左側(cè)采用橢圓進(jìn)口曲線，這一優(yōu)化方案很好的解決了原方案中所存在的問題。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本水電站工程的基本大壩的高度并不是特別高，溢洪道的出口和相關(guān)人員設(shè)計(jì)的水位之間的差距大概為30m，因此這就致使了水流通過溢洪道的出口時(shí)，其基本速度不會(huì)太快，這對(duì)其通過單窄縫挑坎有一定的阻礙。在原設(shè)計(jì)中所采用的設(shè)計(jì)思路為把水舌縱向拉開兼橫向擴(kuò)散，這一設(shè)計(jì)方案雖然在一定程度上解決了溢洪道左側(cè)空間利用問題，但是卻不能使得水舌頂沖對(duì)岸問題得以解決，因此原設(shè)計(jì)方案不能夠很好的滿足水電站的基本要求。為了解決水舌沖擊對(duì)岸這一問題，在經(jīng)過實(shí)地勘察和考察的基礎(chǔ)之上，相關(guān)設(shè)計(jì)人員提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在優(yōu)化過后的設(shè)計(jì)方案中讓水舌采用兩個(gè)窄縫挑坎，并讓讓水舌以前后錯(cuò)開的形式出現(xiàn)，這種方式能夠極大程度的降低水流對(duì)于相關(guān)建筑和河床的沖刷，對(duì)于溢洪道基本性能的發(fā)揮有著一定的積極作用。

4 結(jié)束語

水電站工程是和人們生活密切相關(guān)的工程，其基本性能能否順利發(fā)揮對(duì)于人們的生活有著極大的影響。為了確保水電站工程能夠正常運(yùn)作，相關(guān)部門必須加強(qiáng)溢洪道消能性能的提升。只有溢洪道最大程度的實(shí)現(xiàn)了消能過程，才能夠?yàn)樗娬窘酉聛淼倪\(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

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