消力池底板磨蝕破壞的水力學(xué)試驗(yàn)研究

張 澤 彬， 王 川， 鄧 林 森， 易 旭 濤

(1.國(guó)家能源集團(tuán)大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山 614900；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著高水頭電站的陸續(xù)興建，消力池底板破壞問題日益突出，直接影響水電站的安全運(yùn)行。鹽鍋峽水電站[1]由于建成后鑿除了輔助消能工并受施工缺陷的影響，導(dǎo)致消力池多塊底板被沖走。

因此，采取了加厚底板、設(shè)置錨筋、補(bǔ)強(qiáng)新老混凝土施工縫結(jié)構(gòu)面等修復(fù)措施；五強(qiáng)溪水電站[2]在建期間遭遇大洪水，被迫采用庫(kù)水位抬高閘門局開控泄的非正常運(yùn)行方式，且消力池水位遠(yuǎn)低于相應(yīng)洪水的下游水位，導(dǎo)致右消力池底板發(fā)生大范圍的沖刷破壞，采取了水下混凝土回填及兩次補(bǔ)強(qiáng)處理措施；安康水電站[3]消力池底板存在沖蝕坑、裂縫、錯(cuò)臺(tái)及止水破壞，與基礎(chǔ)混凝土和抗沖磨混凝土之間結(jié)合不良、表孔寬尾墩射流對(duì)底板的沖擊動(dòng)壓較大有關(guān)。因此，采取回填抗沖混凝土及環(huán)氧砂漿、預(yù)應(yīng)力錨筋、接縫和回填灌漿等修復(fù)措施；景洪水電站[4]溢流表孔反弧段及消力池底板存在多處沖蝕坑及止水破壞，與高速水流的脈動(dòng)作用及表面聚脲涂層老化變形有關(guān)，采用環(huán)氧砂漿和化學(xué)灌漿進(jìn)行修補(bǔ)處理；此外，蘇只水電站[5]和萬家寨水電站[6]也曾發(fā)生過消力池底板破壞的情況。總結(jié)消力池底板破壞的原因，主要包括體型設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、水力學(xué)影響等方面，而電站運(yùn)行方式導(dǎo)致底板破壞的研究成果并不多，筆者擬在此方面開展研究。

2 工程概況

銅街子水電站位于大渡河下游四川省樂山市沙灣區(qū)境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼有漂木和改善下游通航效益的二等大(2)型水電工程，電站裝機(jī)總?cè)萘?00 MW，4臺(tái)機(jī)組總引用流量為2 300 m3/s。銅街子水電站全景照片見圖1，樞紐工程主要由攔河壩、河床式地面廠房、筏閘等組成。混凝土重力壩總長(zhǎng)513.4 m，最大壩高82 m，由左岸堆石壩接頭壩段、明渠擋水壩段、左右2個(gè)沖沙底孔、4個(gè)廠房壩段、5個(gè)溢流壩段和右岸堆石壩擋墻等水工建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位474 m，50年一遇消能防沖洪水流量為10 300 m3/s，2年一遇洪水流量為6 280 m3/s。泄洪設(shè)施包括5孔溢流壩和2孔沖沙底孔。5孔溢流壩布置于右沖沙底孔以右的主河槽段。溢流表孔及消力池縱剖面見圖2，溢流壩面曲線為冪曲線，堰頂高程456.5 m，設(shè)有弧形工作閘門及平板檢修閘門。溢流壩下游設(shè)有兩級(jí)底流消力池，兩級(jí)消力池長(zhǎng)度均為100 m，底板高程均為420 m；第一級(jí)消力池池深6 m，末端設(shè)頂部高程為426 m的連續(xù)尾坎，第二級(jí)消力池池深為4 m，尾部設(shè)頂部高程為424 m的差動(dòng)尾坎。

圖1 銅街子水電站全景照片

經(jīng)過20多年運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)泥沙洲頭已達(dá)壩前，近壩區(qū)河底高程超過溢流表孔堰頂高程，汛期溢流壩泄洪時(shí)，大量泥沙經(jīng)溢流壩進(jìn)入到下游消力池內(nèi)，受泥沙磨損影響，消力池前池、消力坎頂部及消力坎后出現(xiàn)不同程度的破壞，見圖3。前池底板形成了一個(gè)近似橢圓形的環(huán)狀磨蝕坑，長(zhǎng)度約70 m，寬度約35 m，深度為0.3～0.7 m，且該區(qū)域底板上普遍存在薄層泥沙。結(jié)合大壩第三次定檢意見，為查明消力池底板的破壞原因，指導(dǎo)消力池修復(fù)工作，并優(yōu)化電站運(yùn)行方式，提高泄洪效率和安全性，需開展水力學(xué)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

3 水力學(xué)模型設(shè)計(jì)

筆者主要采用模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)消力池破壞原因進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析閘孔開啟方式對(duì)水流流態(tài)和流場(chǎng)分布的影響，并對(duì)電站運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)相似要求，水力學(xué)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，幾何比尺為1∶60；模型模擬河道地形范圍全長(zhǎng)約1 400 m，其中壩軸線上游約500 m，壩軸線下游約900 m，庫(kù)區(qū)地形高程模擬至479 m，下游河道地形高程模擬至450 m。溢流壩、消力池、沖沙底孔及廠房尾水出口均采用有機(jī)玻璃制作，天然地形采用斷面板法控制、水泥砂漿成型。動(dòng)床模擬范圍為壩軸線以下300～750 m，動(dòng)床范圍內(nèi)覆蓋層按其粒徑組成用散粒體進(jìn)行模擬，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D4。

圖2 溢流表孔及消力池剖面圖

圖3 銅街子水電站消力池底板缺陷部位示意圖

4 試驗(yàn)研究成果及分析

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?比尺1∶60)

4.1 消力池破壞原因分析

根據(jù)溢流表孔閘門2013～2017年運(yùn)行記錄可知，溢流表孔共運(yùn)行437 d。其中，閘門對(duì)稱開啟運(yùn)行262 d，非對(duì)稱開啟運(yùn)行175 d，非對(duì)稱運(yùn)行以2號(hào)、1號(hào)和3號(hào)、2號(hào)和3號(hào)、3號(hào)和4號(hào)閘門開啟居多。

模型試驗(yàn)對(duì)表孔閘門對(duì)稱開啟和非對(duì)稱開啟兩種情況下消力池的水力特性進(jìn)行了觀測(cè)分析。5個(gè)表孔全部開啟及多孔對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)消能效果較好，消力池前端水舌觸底區(qū)流速最大，為23～25.9 m/s，形成淹沒水躍消能后流速值大幅度衰減，出池最大流速為3.4～7.3 m/s；消力池底板壓力分布均勻，時(shí)均壓力值與消力池內(nèi)水深接近，最大時(shí)均壓力值為21.7～30.8×9.81 kPa，位于消力池前部水舌觸底區(qū)及后部水面上升區(qū)；消力池底板脈動(dòng)壓力不大，最大脈動(dòng)壓力均方根為2.1～3.6×9.81 kPa，位于消力池前部水流觸底區(qū)。從消力池水力特性判斷，溢流表孔及消力池體型設(shè)計(jì)合理，消力池底板破壞與體型設(shè)計(jì)無關(guān)。

表孔閘門非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)出現(xiàn)不同程度的回旋水流；表孔1號(hào)和3號(hào)非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)回旋水流流速值達(dá)10.1 m/s(圖5)，且回旋水流位置及尺寸與消力池底板環(huán)形破壞帶基本重合(圖6)。因此，從水力學(xué)角度判斷，表孔閘門非對(duì)稱開啟引起的池內(nèi)回旋水流裹挾泥沙對(duì)消力池底板的長(zhǎng)期磨蝕是破壞的主要原因。

4.2 電站運(yùn)行方式優(yōu)化

模型試驗(yàn)對(duì)5孔溢流表孔、2孔沖沙底孔單獨(dú)及不同組合開啟運(yùn)行時(shí)消力池及下游河道內(nèi)的水力特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：

(1)1號(hào)表孔或2號(hào)表孔開啟運(yùn)行時(shí)，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，最大回旋流速達(dá)7.91 m/s；當(dāng)消力池內(nèi)存在粗顆粒泥沙時(shí)，回旋流裹挾泥沙易對(duì)消力池底板造成沖磨破壞。因此，表孔單孔運(yùn)行時(shí)，1號(hào)或5號(hào)表孔、2號(hào)或4號(hào)表孔不宜開啟。3號(hào)表孔單獨(dú)開啟運(yùn)行時(shí)，溢流壩下泄水流入池后沿消力池中部向兩側(cè)均勻擴(kuò)散，消力池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池入池流速為23.52 m/s。經(jīng)過兩級(jí)消力池消能后出池流速衰減至2.03 m/s，出池水流對(duì)下游河床沖刷較輕。

(2)1號(hào)和2號(hào)表孔、1號(hào)和3號(hào)表孔、2號(hào)和3號(hào)表孔非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運(yùn)行。1號(hào)和5號(hào)表孔與2號(hào)和4號(hào)表孔對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)水流流態(tài)較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大；其中，2號(hào)和4號(hào)表孔開啟運(yùn)行時(shí)消力池水流消能效果更好。

圖5 1號(hào)和3號(hào)表孔開啟運(yùn)行時(shí)消力池內(nèi)流速分布

圖6 模型試驗(yàn)消力池環(huán)形回旋水流與消力池底板環(huán)形破壞帶位置對(duì)比圖

(3)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)表孔、1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)表孔、1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)表孔、1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)表孔非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運(yùn)行。1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)表孔、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)表孔對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)水力特性值相當(dāng)，消力池內(nèi)水流流態(tài)均較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值均不大。

(4)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)表孔非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，溢流壩消力池內(nèi)出現(xiàn)回旋流，不建議開啟運(yùn)行。1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)表孔對(duì)稱開啟與1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)表孔非對(duì)稱開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)水流流態(tài)較好，池內(nèi)未出現(xiàn)回旋流等不利流態(tài)，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大；其中，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)表孔開啟運(yùn)行時(shí)消力池水流消能效果更好。

(5)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)表孔全部開啟運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)消能效果較好，消力池內(nèi)水力特性值及下游河床沖深值不大。

(6)沖沙底孔為深有壓出流，底孔出口水流集中，流速值可達(dá)20.97 m/s，兩孔沖沙底孔單獨(dú)開啟運(yùn)行，下泄水流對(duì)下游河床沖刷較深；但隨著表孔參與泄洪、下游水位抬升，底孔下泄水流對(duì)下游河床沖刷大幅減輕。沖沙底孔不宜單獨(dú)開啟運(yùn)行。

4.3 電站運(yùn)行方式建議

(1)表孔閘門宜同步、對(duì)稱、均勻開啟，相同泄量時(shí)多孔開啟優(yōu)于單孔或兩孔開啟，同時(shí)，應(yīng)避免閘門小開度長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行引起的閘門振動(dòng)問題。表孔閘門推薦開啟方式為：開一孔：開啟3號(hào)；開二孔：優(yōu)先開啟2號(hào)和4號(hào)，其次為1號(hào)和5號(hào)；開三孔：開啟1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)或2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)；開四孔：優(yōu)先開啟1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)，其次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)或1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)；開五孔：開啟1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)。

(2)當(dāng)出庫(kù)流量Q≥3 800 m3/s時(shí)，沖沙底孔可開啟泄洪沖沙，并同步開啟臨近的表孔和機(jī)組以減少下游泥沙回淤，沖沙底孔閘門不允許局開運(yùn)行。

(3)四臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，表孔推薦運(yùn)行方式為：Q<3 300 m3/s：開一孔；3 300 m3/s≤Q≤4 300 m3/s：開二孔；4 300 m3/s≤Q≤5 300 m3/s：開三孔；5 300 m3/s≤Q≤6 300 m3/s：開四孔；Q>6 300 m3/s：開五孔。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者采用水力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)銅街子水電站泄洪消能問題進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析消力池底板破壞的原因，并結(jié)合試驗(yàn)成果對(duì)電站運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化。表孔閘門對(duì)稱開啟時(shí)，消力池的消能效果較好，從流場(chǎng)和壓力分布特性可排除體型設(shè)計(jì)的影響；表孔閘門非對(duì)稱開啟時(shí)，消力池內(nèi)形成流速較大的橫向回流，回流形態(tài)與底板環(huán)形破壞帶相似，可以判斷回流攜沙長(zhǎng)期磨損是消力池底板破壞的主要原因，運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量避免非對(duì)稱的開啟方式。本文的研究成果對(duì)消力池的修復(fù)工作和電站后期的安全運(yùn)行具有較大的指導(dǎo)作用。