漢江旬陽(yáng)水電站泄洪消能方案研究

胡 明

(成都市李家?guī)r開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 0000000)

1 概述

在壩工設(shè)計(jì)中，泄洪消能是重要的研究課題。低水頭、大單寬流量泄水建筑物的消能問(wèn)題是中小型水利水電工程常見(jiàn)問(wèn)題。工程的顯著特點(diǎn)是水頭低，下游水位變幅大，來(lái)水隨季節(jié)變化明顯，由于流速小，佛勞德數(shù)低，采用常規(guī)消能工消能效率較低，甚至危及建筑物的安全消能問(wèn)題突出。

對(duì)于低水頭、大流量、低佛勞德數(shù)的水利樞紐，近年來(lái)采用的消能形式有：在消能過(guò)程中采用輔助消能工增加消能效果，如在消力池內(nèi)設(shè)置較高的T型墩或設(shè)置消力坎消能；改變常規(guī)消能工的出口條件，通過(guò)水流擴(kuò)散、收縮或碰撞增加消能效果；在采用常規(guī)消能方式消能前通過(guò)水流收縮或擴(kuò)散提前消除一部分能量，如采用寬尾墩等。

2 工程概況與模型設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

旬陽(yáng)水電站是漢江干流規(guī)劃7個(gè)梯級(jí)中的第5級(jí)電站，位于陜西省旬陽(yáng)縣城南約2km，上距安康水電站65km，下距丹江口水電站約200km。

旬陽(yáng)水電站為100年設(shè)計(jì)(Q=27400m3/s)，1000年校核(Q=32600m3/s)，相應(yīng)水位為240.25m和243.28m，總庫(kù)容3.25億m3。最大壩高58m，壩頂高程247m，正常蓄水位241m，死水位239m，汛期排沙水位233m。

2.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)模型試驗(yàn)任務(wù)與要求，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，選用幾何比尺為1∶100。按此比尺，模型試驗(yàn)的水深、雷諾數(shù)均滿足阻力自相似與表面張力影響可忽略的條件。

模型截取范圍的原則為：上游河道縱向模擬長(zhǎng)度為1000m，下游河道縱向模擬長(zhǎng)度為1200m；高度上模擬至包括最高水位等高線，并留有余度。

試驗(yàn)利用矩形薄壁堰量測(cè)流量，用精度為0.1mm的水位測(cè)針量測(cè)上下游水位、水面線；用直徑為8mm的畢托管量測(cè)水流流速；用測(cè)壓管量測(cè)動(dòng)水壓力；流態(tài)用照相機(jī)和錄像機(jī)拍攝各級(jí)庫(kù)水位下的典型照片和錄象；用水準(zhǔn)儀和測(cè)針量測(cè)安裝模型。

3 試驗(yàn)分析及水力計(jì)算

中低水頭閘壩樞紐在泄洪流量較大時(shí)，閘門(mén)全部提出水面，上下游水位差很小，過(guò)閘水流呈緩流狀態(tài)，接近天然流態(tài)，消能常不成問(wèn)題。而當(dāng)入庫(kù)流量大于電站發(fā)電引用流量而小于停機(jī)流量時(shí)，上游多余的來(lái)水量一般都是通過(guò)開(kāi)啟部分沖沙閘或泄洪閘宣泄。控制壩前水位保持正常蓄水位或汛限水位，此時(shí)因壩前水位較高，而壩下游無(wú)水或水位較低，下泄單寬流量大，水流的流速亦非常大，對(duì)消能防沖措施要求較高。本文主要研究常遇洪水前各工況的泄洪消能。

3.1 原設(shè)計(jì)方案

沖砂泄洪閘堰型為開(kāi)敞式低實(shí)用堰，閘室段后挖深式消力池，消力池末端接護(hù)坦。

圖1 左五孔沖砂泄洪閘典型剖面圖

為明確試驗(yàn)開(kāi)啟孔口的情況，對(duì)泄洪孔口進(jìn)行編號(hào)。右7孔沖砂泄洪閘(從右至左)為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#；左5孔沖砂泄洪閘(從右至左)為8#、9#、10#、11#、12#。如圖1所示。

8#—12#壩段為左5孔沖砂泄洪閘壩段，布置在左導(dǎo)墻右側(cè)，共5孔，單孔凈寬14m，采用弧形閘門(mén)控制水流，孔口尺寸為14m×25m(寬×高)。

經(jīng)試驗(yàn)分析和水力計(jì)算，旬陽(yáng)水電站泄流消能滿足設(shè)計(jì)要求。但也有如下問(wèn)題：

(1)泄流量為3500m3/s、單孔局部開(kāi)啟的工況下，水流在消力坎前的水流形態(tài)為急流，將對(duì)下游產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷。

(2)泄流量為8000m3/s、5孔局部開(kāi)啟的工況下，消力池長(zhǎng)度需加長(zhǎng)，否則對(duì)下游河道沖刷比較嚴(yán)重。

(3)從下游河道的沖刷情況及消力池內(nèi)水流的流態(tài)看，有必要對(duì)消能工進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

左5孔泄洪沖砂閘消能問(wèn)題較為復(fù)雜，進(jìn)行了多次消力池體型、輔助消能工體型、布置等修改優(yōu)化試驗(yàn)研究，大致可總結(jié)為：輔助消能工強(qiáng)迫分流與消能試驗(yàn)研究階段；小流量急流擴(kuò)散、大流量水躍消能試驗(yàn)研究階段；二級(jí)消力池方案試驗(yàn)研究階段；小挑角跌坎+淺水墊消力池方案試驗(yàn)研究階段。試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

4 小流量急流擴(kuò)散、大流量水躍消能方案

在小流量急流擴(kuò)散、大流量水躍消能試驗(yàn)研究階段，提出了在小流量單孔局開(kāi)的工況下使水流在消力池內(nèi)橫向擴(kuò)散，減小水流單寬流量，同時(shí)在多孔開(kāi)啟時(shí)能在消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的淹沒(méi)水躍的優(yōu)化思路。如圖2所示。

消力池內(nèi)各部位體型的修改優(yōu)化及其作用如下：

表1 不同消能工體型試驗(yàn)成果

圖2 小流量急流擴(kuò)散、大流量水躍消能布置圖

(1)消力池出口兩端設(shè)置3個(gè)縱向臺(tái)階作為輔助消能工。

(2)10#孔后消力池設(shè)計(jì)違反坡式消力池，反坡坡度為1∶7。消力池末端反坡作用為將出池水流挑離建筑物，使其沖刷的位置盡量遠(yuǎn)離泄水建筑物；同時(shí)有利于水流擴(kuò)散，減小出池單寬流量。

(3)8#、12#孔后設(shè)置橫向短臺(tái)階，臺(tái)階之間用坡度1∶4的斜坡過(guò)渡。出口前的臺(tái)階設(shè)置位置為壩下0+122.00m到壩下0+145.00m。其作用主要為控制單孔運(yùn)行時(shí)水流的擴(kuò)散角度；大流量、多孔開(kāi)運(yùn)行時(shí)起一定的輔助消能作用。

(4)出口采用變坡，其有利水流擴(kuò)散，保持池內(nèi)水流的穩(wěn)定，防止水流左右擺動(dòng)；池末端兩邊較高的小平臺(tái)(高程為217m)起到阻擋下游水流回流入消力池影響單孔開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)水流擴(kuò)散的作用。

根據(jù)試驗(yàn)資料分析，在單孔局開(kāi)工況下水流在消力池中能充分?jǐn)U散，多孔局開(kāi)下池內(nèi)形成的淹沒(méi)水躍也比較穩(wěn)定。但該方案也存在明顯的不足，主要是由于消力池出口為擴(kuò)散型體型，在左導(dǎo)墻后消力池出流與電站尾水出流的交界處水流產(chǎn)生剪切漩渦，造成左導(dǎo)墻后基巖的局部沖刷比較嚴(yán)重，除此之外其消能工結(jié)構(gòu)也顯復(fù)雜，增加了工程量和施工難度。

5 二級(jí)消力池方案

在總結(jié)前幾個(gè)階段常規(guī)消力池+輔助消能工體型各方案試驗(yàn)研究成果后，發(fā)現(xiàn)在保持消力池長(zhǎng)度和深度不變的情況下，很難滿足水流在3500m3/s泄量下單孔局開(kāi)、8000m3/s泄量下3孔局開(kāi)、8000m3/s泄量下5孔局開(kāi)等工況下的流態(tài)、沖刷及建筑物安全的要求。通過(guò)計(jì)算，3500m3/s泄量、單孔局開(kāi)，8000m3/s泄量、3孔局開(kāi)工況下入池單寬流量基本相同，均為158m3/s，滿足此單寬流量在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍的第二共軛水深為19.6m，若入池水流單寬不經(jīng)過(guò)擴(kuò)散調(diào)整，現(xiàn)有消力池長(zhǎng)度、深度均不能滿足形成淹沒(méi)水躍條件。

在總結(jié)之前各修改方案和參閱了大量相關(guān)資料后，嘗試了二級(jí)消力池方案，其中對(duì)第一道消力坎體型進(jìn)行了調(diào)整，第二級(jí)消力池為深挖式消力池。

該方案對(duì)消力池體型的修改如下：在壩下0+107.00m處設(shè)置一道斜坎，坎頂高程為215m，迎水面斜坡坡比為1∶0.8。第二級(jí)消力池底板高程降至207m，長(zhǎng)度至樁號(hào)下0+158.00m，在池末端設(shè)置一道斜坎，坎頂高程為211m，迎水面斜坡坡比為1∶0.8。

該方案下，3500m3/s泄量、單孔開(kāi)，8000m3/s泄量、3孔開(kāi)和左5孔局開(kāi)等常遇洪水前運(yùn)行工況下，均在兩級(jí)消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍，池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，消能較為充分，出池水流平穩(wěn)，下游波動(dòng)較小，與下游尾水自然銜接。但通過(guò)對(duì)二級(jí)消力池內(nèi)的流態(tài)的觀測(cè)，實(shí)測(cè)水躍長(zhǎng)度略大于現(xiàn)有二級(jí)池池長(zhǎng)，建議二級(jí)池池長(zhǎng)增加15m，至樁號(hào)下0+163.00m。

從沖淤規(guī)模和沖坑形態(tài)看，常遇洪水前各運(yùn)行工況下的最低沖深點(diǎn)高程203m，較原方案減淺3m，淤積規(guī)模較原設(shè)計(jì)方案小，其淤積主體位于消力池后河道中部，不會(huì)對(duì)電站尾水和通航順暢產(chǎn)生不利影響；同時(shí)，沖坑坡度較緩，最深點(diǎn)遠(yuǎn)離建筑物，不會(huì)危及建筑物安全穩(wěn)定。

6 小挑角跌坎+淺水墊消力池方案

小挑角跌坎是一種擴(kuò)散形體型，在泄量較小，下游尾水位較低時(shí)，出閘水流被稍微挑起，經(jīng)橫、縱向擴(kuò)散后以較小的單寬流量入消力池形成水躍。挖深消力池的目的是保證在各工況下消力池中形成適當(dāng)?shù)乃睿鸬浇档团R低流速、避免小泄量時(shí)挑流水舌沖擊消力池底板和滿足形成淹沒(méi)水躍的共軛條件的綜合作用。末端設(shè)置斜坡消力坎是調(diào)整出池水流的流速分布，同時(shí)可一定程度上改變消力池內(nèi)各水力參數(shù)。

6.1 體型修改

相對(duì)于原方案，修改方案如圖3所示。

(1)取消原方案中的護(hù)坦，把消力池加長(zhǎng)到了原護(hù)坦末端，樁號(hào)下0+155.00m。

(2)降低原設(shè)計(jì)方案中消力池底板高程至207m。

(3)在消力池末端設(shè)置一道斜坎，高程為211m，迎水面坡比為1∶1.5。

(4)在閘后設(shè)置一道小挑角，小挑角由兩段斜坡組成，其坡比分別1∶3。

圖3 左五孔沖砂泄洪閘修改后典型剖面圖

6.2 與原方案的比較

(1)水流流態(tài)

原設(shè)計(jì)方案存在的主要問(wèn)題是8000m3/s泄量下、5孔局開(kāi)工況在消力坎后水流二次跌落明顯，跌落的水流直砸護(hù)坦，對(duì)護(hù)坦的結(jié)構(gòu)安全有影響。在8000m3/s泄量下、3孔局開(kāi)的工況下在消力池內(nèi)折沖水流明顯，兩邊孔出流為遠(yuǎn)驅(qū)水躍。在3500m3/s泄量下單孔局開(kāi)的工況，出池水流直沖消力坎，消力坎結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性非常大。

修改方案在以上3種工況下都能形成穩(wěn)定的淹沒(méi)水躍。在8000m3/s泄量下、3孔局開(kāi)和3500m3/s泄量下單孔局開(kāi)的工況下水流都已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)消力池?cái)嗝妫诓贿^(guò)流的閘孔前沒(méi)有回流。

(2)流速分布

修改方案中的挑坎斷面以前的流速分布與原設(shè)計(jì)方案相似。在該方案中水流在進(jìn)入消力池后底流速迅速減小，在消力池中水流入池前的斷面底部有回流。而原設(shè)計(jì)方案在這些斷面上底流速與表面流速相差不大。在消力池出口斷面(樁號(hào)下0+160.00m)8000m3/s泄量下的兩個(gè)工況下，該方案的最大流速和平均流速都較原方案小。

從下游和到的流速分布看該方案在樁號(hào)下0+200.00m后底流速都接近為零了，從流速分布圖看，該方案在下游河道恢復(fù)天然河道的流速分布比原方案要提前。

(3)下游基巖沖淤

比較原方案后可以看出，無(wú)論從沖深最低點(diǎn)還是下游河道淤積規(guī)模，修改方案都較原方案小。8000m3/s案減小1m，且范圍要小。8000m3/s泄量、5孔局開(kāi)的工況最低沖深點(diǎn)比原方案略高，但淤積最高點(diǎn)比原方案低近2m。3500m3/s泄量、單孔局開(kāi)的工況最低沖深204m與原方案一致，但該方案除右導(dǎo)墻外其他位置沖刷的最低點(diǎn)都在210m左右。從淤積情況看，修改方案中該工況淤積的高度大部分都在216m，原方案該工況下淤積的高度大部分在217m，且范圍要大。考慮到在該方案中鋪沙高程從211m改到了214m，從淤積高度和范圍來(lái)說(shuō)該方案比原方案要小得多。

7 結(jié)語(yǔ)

在工程實(shí)際中單一的消能形式很難滿足消能防沖要求，本試驗(yàn)研究針對(duì)這一問(wèn)題，以漢江旬陽(yáng)水利工程樞紐為例進(jìn)行模型試驗(yàn)。采用輔助消能工與傳統(tǒng)消能工相結(jié)合的形式，解決低佛勞德數(shù)水躍消能的問(wèn)題，找出了一種消能防沖效果良好的消能工體型：小挑角跌坎+淺水墊消力池方案。對(duì)于低水頭水利樞紐的消能問(wèn)題，本研究得到了良好解決，消能率在30%～40%之間。因?qū)嵺`項(xiàng)目較少，可能存在一定的偏差，參考借鑒過(guò)程中尚需完善。