新疆阜康抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙洞消能工優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉　錦，張曉莉

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安　710065)

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新疆阜康抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙洞消能工優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉錦，張曉莉

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)

針對新疆阜康抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙洞消能工進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，通過多種方案的對比分析，最終推薦方案鼻坎體型簡單，使水流導(dǎo)向河床中部，并且充分?jǐn)U散，增大了落水面積，大幅度地減輕了下游河床沖刷。

泄洪排沙洞；鼻坎；沖刷

泄洪消能，是關(guān)系到水利水電工程安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的重要問題[1]。如果泄流消能問題處理不好，不僅將在下游河床產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷，而且會造成惡劣的流態(tài)，影響樞紐中其它建筑物的正常運(yùn)行，甚至?xí)＜按髩蔚陌踩玔2]。泄洪兼導(dǎo)流洞是水利工程中常用的泄水建筑物，由導(dǎo)流洞改造成泄洪兼導(dǎo)流洞是實(shí)際工程中常見形式，泄洪中常遇到的問題之一是下游沖刷[3]。采用挑流消能工，在中國大中型水庫泄洪消能中已被廣泛應(yīng)用，實(shí)踐證明效果良好[4]。本文以水工模型試驗(yàn)為主要手段，以實(shí)際工程為背景，研究了阜康抽水蓄能電站泄洪排沙洞的出口消能問題，經(jīng)過多種方案的試驗(yàn)比較研究，提出的圓弧導(dǎo)向挑流鼻坎，較好地解決了泄洪消能問題，并且降低了施工難度[5]。

1　工程概況

阜康抽水蓄能電站位于新疆昌吉州阜康市境內(nèi)，為純抽水蓄能電站，下水庫正常蓄水位1 775.00 m，死水位1 743.00 m，水位變幅32 m，正常蓄水位以下庫容777.5萬m3，調(diào)節(jié)庫容665.3萬m3，電站裝機(jī)容量1 200 MW。該工程擋水和泄水建筑物按200年一遇洪水設(shè)計(Q=228 m3/s)，1 000年一遇洪水校核(Q=315 m3/s)，泄水建筑物下游消能及防護(hù)工程按100年一遇洪水(Q=194 m3/s)設(shè)計。

下水庫樞紐建筑物布置由混凝土面板堆石壩、攔沙壩、泄洪排沙隧洞(兼施工導(dǎo)流)、深孔泄洪放空隧洞和進(jìn)出水口等組成。

根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》及GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定[6-7]，該工程等別為Ⅰ等大(1)型工程。根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)抽水蓄能電站規(guī)定[6]，并考慮該電站的重要性和工程投資。泄洪排沙洞(兼導(dǎo)流)采用無壓進(jìn)水口，壩頂高程1 813.50 m，進(jìn)口長度20 m，寬度6 m，底板高程1 800.00 m，進(jìn)水口設(shè)有1道平板工作門，孔口尺寸為6.0 m×10.5 m(寬×高)，其后泄0+020.000 m～泄0+060.000 m之間為漸變段。無壓洞洞身總長度1 400.00 m，斷面為城門洞形，按底坡不同分為2段：第1段為泄0+020.000 m～泄0+528.225 m，底坡i=0.02，由3段組成：① 進(jìn)口直線段，自隧洞起始端至平面轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)，洞長264.89 m；② 平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑150 m，轉(zhuǎn)角59.607°，洞長156.05 m；③ 直線段，洞長87.285 m，洞底末端高程1 789.835 m。第2段為泄0+528.225 m～泄1+420.000 m之間坡度較陡的直線段隧洞，底坡i=0.11207，隧洞末端出口高程為1 692.00 m。出口泄槽和挑流鼻坎段長110 m，反弧半徑20 m，挑角18°，坎頂高程為1 692.98 m。泄洪排沙洞(兼導(dǎo)流)布置見圖1。

圖1　泄洪排沙洞(兼導(dǎo)流)布置圖　　單位：m

2　模型設(shè)計

依據(jù)SL155-95《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計[8-9]，根據(jù)試驗(yàn)要求、原型水流特性結(jié)合試驗(yàn)場地等條件，確定模型幾何比尺為λL=80，則相應(yīng)的其它水力要素比尺為：

壓力比尺，λP=λL=80；

3　原方案消能工存在的問題

根據(jù)DLT5195-2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》 有關(guān)規(guī)定[10]：隧洞內(nèi)高低流速界線為20 m/s。阜康電站下水庫校核洪水和設(shè)計洪水時[11]，泄洪洞洞身出口斷面(泄1+420.000 m)流速分別為29.1、26.1 m/s，鼻坎起點(diǎn)處(泄1+519.200 m)流速分別為25.7、24.9 m/s，洞身陡坡段為急流，挑流鼻坎處流速較大。

泄洪排沙洞在設(shè)計水位時[11]，上下游最大水頭差高達(dá)126 m，而下水庫消能區(qū)覆蓋層厚30～65 m，抗沖流速僅2～3 m/s，在高速水流的沖擊下，原方案采用的挑流鼻坎水流集中，挑射角較小，挑射水流落點(diǎn)靠近鼻坎基礎(chǔ)和左岸邊，導(dǎo)致鼻坎基礎(chǔ)和左岸邊局部沖刷嚴(yán)重。

4　優(yōu)化試驗(yàn)

試驗(yàn)針對泄洪排沙(兼導(dǎo)流)洞原方案挑流鼻坎“水流集中，挑射角較小，水舌落點(diǎn)靠近左岸邊”的問題進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1修改方案1

首先，試驗(yàn)將泄洪排沙洞洞身出口(泄1+420.000 m)下游段泄槽底板修改成平底板，底板高程1 692.00 m，平面上兩側(cè)開挖坡腳線以±2.95°的偏折角向左右側(cè)呈喇叭口擴(kuò)散，至泄槽出口末端均以半徑30.0 m的圓弧連接導(dǎo)向右側(cè)，左、右坡腳線起弧點(diǎn)位置分別是泄1+513.600 m和泄1+482.700 m位置，末端位置分別在泄1+536.390 m和泄1+504.300 m位置，出口斷面左長右短，底板末端設(shè)計成1∶2的倒坡，出口高程1 695.00 m，稱之為修改方案1(圖2)。

圖2　修改方案1鼻坎體型圖　　單位：m

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：修改方案1在下泄小于100年一遇洪水時，出槽水流不能順利起挑；設(shè)計洪水時，泄槽左側(cè)水流在左邊坡出口圓弧的導(dǎo)向下右轉(zhuǎn)落至下游河道，水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離左岸邊，左岸邊基本沒有沖刷，但是主流落點(diǎn)集中，沖坑較深；由于右側(cè)開挖邊坡出口圓弧半徑偏小，泄槽水流脫離圓弧邊界仍沿著泄槽主流方向下泄。

4.2修改方案2

從修改方案1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，泄洪排沙洞右側(cè)開挖邊坡出口圓弧半徑過小，對槽內(nèi)水流沒有起到有效的向右導(dǎo)向作用，而泄槽左側(cè)水流沿左開挖邊坡壅高，出槽水流過于集中，沒有形成擴(kuò)散狀，導(dǎo)致下游河道沖刷坑較深。針對方案1存在的問題，進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將左側(cè)開挖邊坡末端圓弧段設(shè)計成前緩后陡的扭面，泄槽出口處為垂直邊墻；將右側(cè)開挖邊坡末端圓弧起點(diǎn)從泄1+482.700 m上移至泄1+450.240 m，圓弧半徑從30 m加大至100 m，以達(dá)到使泄槽內(nèi)水流向右側(cè)擴(kuò)散的效果。

通過試驗(yàn)放水發(fā)現(xiàn)，在校核水位和設(shè)計水位時，泄洪排沙洞鼻坎左側(cè)邊墻上方的部分挑流水舌在出口直墻的導(dǎo)向下向右翻轉(zhuǎn)，在水舌上方形成1層較薄的扇形水舌，水舌落點(diǎn)范圍擴(kuò)大，減輕了對下游河道的沖刷。但是在下泄設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時，洞內(nèi)水深較淺，流速小，水流在出口末端倒坡的作用下挑向下游河道，出流集中不能形成擴(kuò)散狀，且水舌落點(diǎn)距離鼻坎基礎(chǔ)近，對基礎(chǔ)安全形成一定威脅。

4.3修改方案3

前2種修改方案存在的共同問題是，出槽水流左厚右薄，主流集中在左側(cè)，為調(diào)整出槽水流的均勻性，試驗(yàn)將泄槽左邊墻圓弧半徑加大至R=180 m，洞身陡坡(i=0.112 07)末端延長至泄1+475.090 m位置(該斷面底板高程為1 685.83 m)，從該位置起左邊墻坡腳線逐漸升高，末端高程1 689.83 m，右側(cè)邊墻坡腳線高程保持1 685.83 m不變，從而使泄1+475.090 m下游底板形成一個三角斜扭面。

從試驗(yàn)觀察看，雖然方案3左邊墻坡腳線高程沿程升高，但是出槽水流沒有達(dá)到預(yù)想的“均勻出流”的效果，水流仍然是左厚右薄，而且水舌挑距較短，擴(kuò)散效果不好。

4.4修改方案4

從修改方案1到修改方案3泄洪排沙洞出口泄槽底板呈“喇叭形”外擴(kuò)，導(dǎo)致泄洪排沙洞出流水深減小，流速降低，從而導(dǎo)致“水舌挑距近，落點(diǎn)橫向?qū)挾却蟆钡葐栴}。從“增大出口流速”的思路出發(fā)，試驗(yàn)將泄洪排沙洞出口泄槽修改成與洞身等寬(B=6 m)的明渠出口，通過在左側(cè)邊墻末端加曲面貼角形成扭曲鼻坎來調(diào)整射流方向。

試驗(yàn)過程中嘗試了不同曲率半徑、不同高度和不同傾斜度的曲面貼角，但是都不能成功地將水舌向右導(dǎo)向形成空中立面擴(kuò)散形態(tài)，水舌主流仍然沿洞身陡坡段軸線方向，因此決定放棄曲面貼角方案。

4.5修改方案5(推薦方案)

前4種修改方案共同特點(diǎn)是泄槽主流沿著洞身陡坡段軸線方向，水舌落點(diǎn)距離左岸邊較近，且落點(diǎn)集中。

試驗(yàn)從改變水舌方向出發(fā)，采用圓弧導(dǎo)向鼻坎，將明渠左邊墻出口段以圓弧向右導(dǎo)向，增大水舌與主河道之間的夾角，使其落點(diǎn)盡量位于河道中間，遠(yuǎn)離左岸坡。通過多次調(diào)整比較，提出修改方案5體型(見圖3)，出口明渠兩側(cè)邊墻自泄1+519.200 m處起弧，左側(cè)圓弧半徑R=25 m，右側(cè)圓弧半徑R=19 m，角度均為α=51.63°，出口左側(cè)邊墻加一平面貼角，用以抬高右側(cè)水流，平衡離心慣性力[12]，貼角末端最高點(diǎn)高度2.4 m，水平最大投影寬度3.0 m，考慮到小流量的起挑，底板出口右側(cè)加1個1∶2的倒坡，出口高程1 683.28 m。

由試驗(yàn)觀察，在左邊墻導(dǎo)向和貼角的共同作用下，5 a及其以上洪水挑坎中部及左側(cè)出挑水流向右翻卷，右側(cè)水流仍沿縱向挑入河床，形成了上下分層兼橫向擴(kuò)散的復(fù)合型水舌形態(tài)[13]，水舌與主河道夾角約70°左右，出槽水流方向基本垂直于岸坡，沖刷坑范圍遠(yuǎn)離左岸邊，鼻坎基礎(chǔ)沒有遭到?jīng)_刷(100 a洪水水舌流態(tài)見圖4)；5 a以下洪水泄槽水流沿右側(cè)倒坡挑入河床，鼻坎基礎(chǔ)有輕微沖刷，但是由于洪水流量較小，沖刷坑范圍很小，沖坑很淺。

圖3　推薦方案5鼻坎體型圖

綜合比較后[14]，認(rèn)為修改方案5鼻坎體型簡單、水舌形態(tài)好、沖刷范圍遠(yuǎn)離左岸邊，且出口泄槽段開挖范圍小，解決了原挑坎水舌沖蝕岸坡和淘刷坡腳的問題，將其作為試驗(yàn)推薦方案。

圖4　推薦方案 100年洪水 流態(tài)圖

5　結(jié)　語

挑流消能問題是水力學(xué)中研究的一個重點(diǎn)問題，本文結(jié)合阜康水電站的實(shí)際工程情況，對其泄洪泄能問題進(jìn)行了研究，對泄洪洞出口挑坎進(jìn)行方案比較，優(yōu)選出一個適合本工程泄洪消能要求的圓弧導(dǎo)向鼻坎[1]，該鼻坎充分利用了高速水流容易導(dǎo)向及下游河道寬闊的特點(diǎn)，有效控制水舌落入河床的位置和范圍[15]，使水流導(dǎo)向河床中部，并且充分?jǐn)U散，增大了落水面積，大幅度地減輕了下游河床沖刷,避免了岸坡遭受嚴(yán)重沖刷，很好地解決了工程消能難題，可為同類型工程提供參考。

雖然挑流消能是一種比較經(jīng)濟(jì)且施工方便的消能方式，但不同的工程挑坎處河道及岸坡地形條件各異[16]，運(yùn)行中可能存在不同程度的淘刷岸坡或局部沖刷等問題，高水頭水電站這類問題尤為突出[17]。因此具體工程應(yīng)參考已建工程原型觀測結(jié)果，根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合水工模型試驗(yàn)論證才能為工程選用合理可行的方案。

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Study on Optimization Test of Energy Dissipator of Flood Discharge and Sand Sluicing Tunnel,Fukang Pumped Storage Power Plant

LIU Jin, ZHANG Xiaoli

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China)

Studies of the optimization tests of the energy dissipator of flood discharge and sand sluicing tunnel, Fukang Pumped Storage Power Plant, are performed. Through comparison and analysis of several schemes, the finally recommended scheme features simple bucket in term of outline to have water flow be guided toward the center of the riverbed and fully spread. This increases the falling area and largely mitigates scouring to the downstream riverbed.Key words: flood discharge and sand sluicing tunnel; bucket; scouring

1006—2610(2016)04—0026—04

2016-03-10

劉錦(1980- )，女，西安人，高級工程師，主要從事水工模型試驗(yàn)工作.

TV653

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.007