喀麥隆Mekin水電站工程臺階式溢流壩設計

范 鵬

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

根據喀麥隆政府規劃，Mekin水電站是以發電為主，兼有內陸養魚、旅游及灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。Mekin水電站壩址位于Dja河、Lobo河、Sabe河匯合處下游約1.50km處，距喀麥隆首都雅溫德約200km。

Mekin水電站正常蓄水位612.00m，相應庫容1.05億m3，設計洪水位(1%)613.45m，相應庫容1.85億m3，校核洪水位(0.05%)613.80m，總庫容2.10億m3。Mekin水電站電站總裝機1.50萬kW，年發電量7628.00萬kW·h，年利用小時5085.00h。Mekin水電站水庫為大(2)型水利樞紐工程，樞紐主要由攔河壩(主副壩)、溢洪壩、重力擋水壩、泄洪沖沙閘、電站廠房、升壓站、進場公路、輸電線路、變電所及管理生活廠區等部分組成。

2 溢流壩消能方式綜合比較

2.1 溢流壩概況

溢流壩位于Dja河主槽，與主壩同軸，左與漿砌石重力壩、右與泄洪沖沙閘連接。溢流壩采用開敞式溢流壩，總寬115.00m，過流凈寬96.00m，堰頂高程612.00m，最大壩高15.00m，壩體采用漿砌石結構，上游側布置0.30m厚鋼筋混凝土防滲層，基礎坐落在強風化下限基巖以下0.50～1.00m。溢流壩特征水位及特征泄量詳見表1。

表1 水庫特征水位及溢流壩特征泄量

2.2 常用消能方式適用條件及優缺點

經過長期的實踐總結，常用壩下消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能、戽流消能等。其中，挑流、底流消能方式應用最廣，面流和戽流消能方式一般應用較少。各消能方式使用條件及優缺點詳見表2。

表2 常用消能方式適用條件及優缺點

2.3 消能方式比選

Mekin水電站地處東非熱帶雨林氣候區，天然徑流十分豐富，多年平均入庫水量為41.19億m3，多年平均流量130.30m3/s，正常蓄水位612.00m，庫容為1.05億m3，工程庫容系數僅為2.50%。

考慮本工程來水流量較大、水頭較低、水庫調節庫容小及下游河道抗沖刷能力較弱的特點，Mekin水電站溢流壩采用挑流、面流、戽流消能方式均不合適，常用消能方式只能選擇底流消能，但若采用底流消能須修建龐大消力池，工程量大，投資大。可見，常用消能方式均不適用于熱帶雨林氣候區大流量、低水頭電站工程。因此，須探索應用新型消能設計，解決工程設計難題。

近年來臺階式溢流壩逐漸受到重視并開始在水利工程中廣泛應用，臺階式溢流壩利用下游壩面臺階，使下泄水流在臺階間形成水平漩滾，與壩面主流產生強烈摻混作用，致使水流紊動加劇，摻氣效果增強，大大減少了下泄水流的能量，改善了壩址處水力條件，使壩下消能設施得以簡化甚至取消，節省工程投資。

綜上，臺階式溢流壩具有大流量、低水頭條件下消能效果顯著、結構簡單、節省工程投資等優點，因此，本工程溢流壩適宜采用臺階消能方式。

3 臺階式溢流壩研究成果

3.1 臺階式溢流壩水流流態

根據臨界水深與臺階高度的比值，以及溢流壩斜坡與水平面的夾角的不同，可以將臺階式溢流壩水流流態分為以下三種：

a.滑行水流：水流流經臺階表面時，各臺階內全部被水填充，不存在空腔，并在各臺階隅角和主流間形成一個水平軸漩渦，靠近主流漩渦的旋轉方向和主流流動方向一致。

b.跌落水流：在各臺階隅角和主流間總存在一個近似于三角形的空腔，空腔下為一近似于梯形的靜水池，流股出現較大的彎曲，實質上就是多級跌水。

c.過渡水流：介于滑行水流和跌落水流之間，在一些臺階內有類似跌落水流的三角形空腔存在，另一些臺階內有類似滑行水流的水平軸漩渦形成，且兩種水流形態沿臺階向下游交替存在于臺階表面與主流之間。

3.2 臺階式溢流壩的摻氣

臺階式溢流壩由于其特殊的結構型式，在臺階豎直面容易產生負壓，從而導致發生空蝕破壞。目前，摻氣減蝕是解決空蝕破壞的有效措施。大量實驗表明，臺階式溢流壩的摻氣與單寬流量密切相關：單寬流量較小，臺階式溢流壩會很快摻氣，并迅速達到全斷面均摻氣；隨著單寬流量的增大，起始摻氣點位置向下游推移，水流摻氣量隨之減小；當單寬流量大到一定程度時，可能會對臺階造成空蝕破壞。

4 臺階式溢流壩設計

Mekin水電站工程臺階式溢流壩溢流面采用雙圓弧平順連接，考慮施工分層澆筑，確定臺階高度為1.5m，臺階寬度為1.15m。溢流壩標準斷面見圖1。

圖1 臺階式溢流壩標準斷面

4.1 水流流態判別

堰頂水流臨界水深計算公式為

式中hk——臨界水深,m；

q——單寬流量，m2/s；

α——動能修正系數；

g——重力加速度，m/s2。

經計算，設計水位對應臨界水深為1.118m，校核水位對應臨界水深為1.388m。

臺階高度h為1.5m，臺階長度l為1.15m。

在0.2≤h/l=1.304≤6時，跌落水流臨界值為

滑行水流臨界值為

設計水位hk/h=0.745，大于滑行水流臨界值0.45，臺階水流流態為滑行水流。

校核水位hk/h=0.925，大于滑行水流臨界值0.45，臺階水流流態為滑行水流。

4.2 壩面消能率

直角臺階式溢流壩壩面消能率的計算式為

η=-0.3916-0.2247ln[(q/p1.5)(0.014/n)2.4]

n=Δ1/6/24

式中η——直角臺階式溢流壩壩面消能率；

p——溢流壩高度，m；

Δ——壩面臺階的突出高度，m。

經計算，設計水位對應溢流壩壩面消能率為55.85%，校核水位對應溢流壩壩面消能率為48.55%。

4.3 沖刷計算

臺階式溢流壩下游的水流流速的計算式為

v=3.92h-0.12qE

E=0.44(h/p)0.024

式中v——臺階式溢流壩下游的水流流速，m/s；

h——臺階高度，m；

p——溢流壩高度，m；

q——單寬流量，m2/s。

經計算，設計水位對應溢流壩下游的水流流速為6.5m/s，校核水位對應溢流壩下游的水流流速為7.5m/s。

溢流壩下游水流流速均小于壩基石英巖的最小允許不沖流速15.0m/s。

基巖面流設計和校核工況時的沖坑最大估算為

tc=(pc+c)h1η

η=ξ-0.4+1.41Fr

式中d——沖坑深度，m；

v1——跌坎斷面平均流速，m/s；

h1——跌坎斷面平均水深，m；

va——河床允許抗沖流速，m/s；

k——河床特性系數；

tc——混合淹沒流界限水深，m；

t——下游水深，m；

Fr——弗勞德數；

ξ——混合比；

η——共軛比；

pc——坎面壓力修正系數；

c——離心力修正系數；

a——坎高，m。

經計算，設計水位及校核水位對應沖坑深度均小于0，即不會對壩基產生沖刷。

4.4 空蝕破壞

衡量水流是否發生空化的水流空化數計算公式如下：

式中δ——水流空化數；

h0——來流參考斷面時均壓力水頭，m；

ha——水柱表示的大氣壓力水柱，m；

hv——水柱表示的水蒸氣壓強，Pa；

v——斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

經計算，設計水位對應水流空化數為18.85；校核水位對應水流空化數為10.4。溢流壩水流空化數均較大，不會出現壩面空蝕現象。

4.5 小結

通過以上計算可知：

a.設計和校核水位情況下，臺階水流流態均為滑行水流，水流流態良好。

b.壩面消能率分別為55.85%(設計水位)和48.55%(設計水位)，消能效果較好。

c.溢流壩下游水流流速均小于壩基石英巖的最小允許不沖流速，設計水位及校核水位對應沖坑深度均小于0，不會對壩基產生沖刷，因此無須設置消力池及護坦。

d.溢流壩水流空化數均較大，摻氣效果好，不會出現壩面空蝕現象。

5 結 語

臺階式溢流壩利用下游壩面臺階，使下泄水流在臺階間形成水平漩滾，與壩面主流產生強烈摻混作用，致使水流紊動加劇、摻氣效果增強，大大減少了下泄水流的能量，改善了壩址處水力條件，使壩下消能設施得以簡化，甚至取消，節省了工程投資。

在喀麥隆Mekin水電站工程溢流壩下游消能設計中，成功地運用了臺階消能的原理，取消了壩下消能設施，節省了工程投資，使本工程下游消能問題得到圓滿解決，可供其他類似工程設計等參考和借鑒。