汪 洋,喬 玲

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆烏魯木齊830000)

1 臺階消能技術(shù)簡介

臺階式泄槽溢洪道[1-2]近幾年已成為泄洪建筑物中新發(fā)展起來的一種新型消能形式,臺階式泄槽溢洪道由一系列具有跌坎的明渠組成,是將光滑的溢流面做成臺階狀,將整個落差分為若干小跌水,當水舌沿臺階逐級下泄時,在臺階面上形成一個個強烈的大漩渦,漩渦促使水體劇烈紊動,水體表面大量摻氣,使泄槽內(nèi)水舌沿泄槽逐級摻氣、減速、消能。臺階面的消能形式是通過兩種不同形式的水流形態(tài)來進行消能的,在小流量情況下,臺階面水流呈舌狀跌落水流,薄層水流從上一個臺階跌落到下一個臺階,通過和臺階水平面的撞擊及水流紊動而消除能量,如此重復(fù)的再向下一個臺階傳下去,如此重復(fù)跌落,消除能量,該流態(tài)的臺階面消能率最高。隨著流量的增大,從臺階頂部射出的流速逐漸增大,舌狀跌落水流向滑移水流轉(zhuǎn)化,在臺階面滑移流條件下,水流的能量主要通過水流在臺階面上的裂散摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動交換來實現(xiàn)能量的消除。

對于光滑面溢洪道,水流在溢流面上流淌時消耗的能量極少,絕大部分能量被集中輸送到下游壩趾處消力池(或水墊塘)內(nèi)消能,出池余能較大,仍需對下游河岸采取工程措施進行處理,工程投資較大。臺階式溢洪道通過泄槽沿程摻氣、漩滾消能,能顯著地降低溢洪道末端流速,對常遇洪水,臺階消能率一般可達總消能率的70%以上,可有效地減小下游消力池(或消力塘)的規(guī)模,降低工程投資,并可解決消力池的布置與地形、地質(zhì)條件之間的矛盾。

2 臺階消能在新疆岸邊表孔溢洪道(洞)中的應(yīng)用情況

新疆有著豐富的水利水電資源,中小河流眾多,中、小型水利水電工程的一個明顯特點是水庫庫容不太大,另外,新疆河流的水文特性是每年汛期(6月～8月)徑流量占全年河流來水量的70%以上,造成泄洪頻繁,給泄水建筑物消能防沖提出很高的要求,根據(jù)各工程不同的特點和具體條件,積極探索采用經(jīng)濟高效的新型消能工,不但節(jié)省了工程投資,還對新疆中小型水利水電工程的科技進步起了積極的推動作用,以下對新疆幾個典型工程實例作簡單介紹。

2.1 庫什塔依水電站岸邊溢洪道階梯式泄槽+消力池聯(lián)合消能[3]

庫什塔依水電站工程位于庫克蘇河上,距特克斯縣20 km,電站裝機100 MW,工程由攔河壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、廠房等建筑物組成。設(shè)計洪水位時溢洪道泄量760.36 m3/s,校核洪水位時溢洪道泄量869.86 m3/s。

表孔溢洪洞布置于右岸,由進口引渠段、控制段、洞身泄槽段、出口陡泄槽段、消力池段、出口明渠段組成。控制段采用WES實用堰型,堰寬12 m,堰頂高程1 296.50 m,采用開敞式進水口,洞身為明流泄洪形式,由于現(xiàn)代河床右岸發(fā)育Ⅱ級基座階地,考慮到泄洪建筑物出口高程相對較低且距離現(xiàn)代河床較遠,泄水建筑物消能型式選擇底流消能方式。出口陡槽段為底寬16 m,槽深5.0 m～4.0m的矩形槽整體式結(jié)構(gòu),陡槽段采用臺階式消能方式,臺階高度1 m,寬1.65 m。縱坡1/1.65,長98.4 m(斜長)。陡槽段下游接消力池,消力池底寬16 m,消力池深10 m,并在消力池內(nèi)設(shè)輔助消能工(消力墩),出口明渠采用矩形整體式結(jié)構(gòu)。

對表孔溢洪洞陡槽段采用不同臺階高度(3個臺階高度)、不同單寬流量(5個不同流量)時臺階消能效率進行水工模型試驗,研究表明,臺階高度不變,隨著下泄流量的增加,臺階面的消能率在逐漸降低。不同臺階高度在下泄相同流量時,臺階越高,其消能率也越大。從試驗資料看,臺階高度為1.0 m和1.3 m時臺階面消能率基本接近,采用臺階高度為1.0 m和1.3 m均能達到滿意的消能效果,故采用1.0 m高度臺階,不同臺階高度、不同單寬流量時臺階消能率試驗成果匯總見表1。

表1 庫什塔依表孔溢洪洞陡槽臺階消能率試驗成果匯總

從消能流態(tài)看,各種水位均能在消力池內(nèi)形成理想的水躍流態(tài),完全可以滿足工程要求,設(shè)計洪水時臺階消能率可達到56%,校核洪水時臺階消能率可達到42.7%,具有較好的消能效果。

2.2 斯木塔斯水電站岸邊溢洪道臺階式泄槽+挑坎聯(lián)合消能[4]

斯木塔斯水電站位于阿克牙孜河中游河段,距昭蘇縣縣城45 km,工程主要由攔河壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、壓力管道、電站廠房和尾水渠等組成,最大壩高106 m,電站裝機容量110 MW,設(shè)計洪水位時溢洪道泄量283.95 m3/s,校核洪水位時溢洪道泄量407.33 m3/s。

壩址處河谷呈基本對稱“V”形,兩岸基巖裸露,坡度多在60°～80°,現(xiàn)代河床寬8 m～16 m,正常高水位河谷寬約120m～140 m,溢洪道布置在左岸,堰頂高程1 925.00 m,單孔凈寬9 m,由引渠段、控制段、漸變段、泄槽段、挑流段組成。陡槽段縱坡1∶1.25,長 140 m(斜長),泄槽底寬 9 m,臺階高度 1 m,寬1.25 m,挑流消能,水工模型試驗泄槽段主要進行了以下兩項研究:

2.2.1 陡槽首部渥曲面段與臺階段銜接形式試驗

陡槽首部渥曲面段與臺階段銜接形式分別進行了凸式銜接和凹式銜接試驗,凸式銜接時陡槽首部出現(xiàn)較大負壓,水舌沖擊臺階陡槽,濺水劇烈,試驗表明凹式銜接水流流態(tài)明顯優(yōu)于凸式銜接,臺階段與光滑段采用凹式銜接較好。

2.2.2 臺階高度試驗

開展了臺階高度為0.5 m、1.0 m和2.0 m的試驗研究,對于臺階高度0.5 m的陡槽,該臺階高度消能率不足。對于臺階高度2.0 m的陡槽,在小流量情況下流態(tài)不良,水流過度飛濺。對于臺階高度1.0 m的陡槽,可以兼顧到消能與小流量流態(tài)要求,適合本工程具體情況。經(jīng)水工模型試驗論證,陡槽段采用臺階消能,臺階段與渥曲面段采用凹式銜接,臺階高度1.0 m,陡槽段底寬9 m,縱坡1∶1.25,陡槽長140 m(斜長),主要工況下消能率見表2。

表2 斯木塔斯水電站表孔臺階消能率試驗成果匯總

2.3 努爾加水庫岸邊溢洪道階梯式泄槽+消力塘聯(lián)合消能[5]

努爾加水庫位于昌吉市境內(nèi)的三屯河上,距昌吉市區(qū)約37 km,工程主要由碾壓式瀝青混凝土心墻壩、導流泄洪洞、放水洞和開敞式進口溢洪洞等主要建筑物組成,最大壩高81 m。設(shè)計洪水位時溢洪道泄量382.75 m3/s,校核洪水位時溢洪道泄量819.7 m3/s。由于泄水建筑物出口處河床覆蓋層深度約為14.4 m,下伏基巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖夾礫巖,泥質(zhì)膠結(jié),基巖抗沖蝕能力較差,故表孔泄洪洞采用階梯式泄槽+消力塘聯(lián)合消能。

表孔溢洪洞布置在左壩肩,由引渠段、控制段、洞身段、泄槽段,挑坎段、消力塘段以及出口退水渠段組成,堰頂高程870 m,采用WES實用堰型,堰寬10 m,泄槽段長170.552m,前段長90.0m,泄槽縱坡1∶20.0,后段長80.5 m,泄槽縱坡1∶3.0,采用臺階式消能方式,臺階高度 0.67 m,臺階寬度 2.0 m,泄槽底寬為7.2 m,末端采用挑流進入水墊塘消能。不同單寬流量時臺階消能率試驗成果匯總見表3。

表3 努爾加水庫表孔臺階陡槽消能率試驗成果匯總

2.4 白楊河水庫岸邊溢洪道臺階式泄槽+消力池聯(lián)合消能[6]

白楊河水庫位于阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)南部山區(qū),主要由粘土心墻壩、導流泄洪兼放水洞、開敞式溢洪道等主要建筑物組成,壩高78 m。設(shè)計洪水位時溢洪道泄量105.55 m3/s,校核洪水位時溢洪道泄量144.48 m3/s。

表孔溢洪道布置在右岸壩肩上,由進口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段等組成。控制段堰型采用WES堰型,堰頂高程1 006 m,堰高3 m,溢流堰凈寬5 m,泄槽段長 190 m(斜長),底寬 5 m,縱坡1∶3.5,采用臺階式消能方式,臺階高度1.0 m,臺階寬度3.5 m,出口段消力池長30.0 m,寬8 m,池深3.0 m,后接泄水渠與河道平順連接。主要工況下陡槽段臺階消能率見表4。

表4 白楊河水庫表孔臺階陡槽消能率試驗成果匯總

3 岸邊表孔溢洪道(洞)臺階消能效果分析

在流道內(nèi)設(shè)臺階消能工能有效降低流速,消除部分或大部分泄洪能量,減輕消力池或水墊塘的消能負擔,順利完成泄洪消能任務(wù),另外,流道內(nèi)水流摻氣充分,可減免空蝕破壞的風險。

庫什塔依水電站岸邊溢洪道采用臺階式泄槽+消力池聯(lián)合消能形式,出口陡槽段采用臺階消能后,由于臺階的消能作用顯著,最大流速由37.3 m/s降到22.33 m/s,消力池長度由原設(shè)計的100 m縮短為50 m,消力池深10 m和底寬16 m不變。

斯木塔斯水電站岸邊溢洪道采用階梯式泄槽+挑坎聯(lián)合消能,挑坎末端最大流速由34.0 m/s降為23.0 m/s以內(nèi),挑距由130.0 m縮短到62.0 m以內(nèi),水舌入水寬度為11.0 m,各種流量的水舌都在河槽內(nèi),避免了對左右岸巖石的直接沖刷。

努爾加水庫岸邊溢洪道采用階梯式泄槽+消力塘聯(lián)合消能,挑坎末端最大流速由39.00 m/s降低到20.27 m/s,使挑流水舌入塘后能充分利用有限的消力塘范圍進行水流消能,消力塘總長度從原來的約100.0 m縮短為65 m,消力塘起點寬度從原來的40.0 m縮窄為32.34 m,消力塘深度從原來的約11.0 m減少到8.0 m。

白楊河水庫岸邊溢洪道采用臺階式泄槽+消力池聯(lián)合消能形式,陡槽末端最大流速由24.8 m/s降到13.6 m/s,消力池長度由原設(shè)計的66.0 m縮短為30.0 m,消力池深由原設(shè)計的6.0 m減少為3.0 m,底寬8.0 m不變。

對常遇洪水,臺階消能率一般可達總消能率的70%以上,臺階成為主要消能工,采用臺階式泄槽+消力池(或水墊塘)組合消能方式,可大大減輕消力池(或水墊塘)的消能負擔,減小消力池(或水墊塘)的斷面尺寸,達到節(jié)省工程投資之目的。

4 結(jié) 論

(1)臺階式消能工是一種新型消能工,它改變了將水流能量輸送至下游集中消除的傳統(tǒng)消能方式,利用溢洪道陡槽上專門設(shè)置的系列階梯,通過坡面沿程摻氣、漩滾消能,可減輕水流對流道的沖刷破壞作用,也可減免流道產(chǎn)生空蝕破壞的風險,降低了陡槽末端最大流速,減少陡槽末端余能,減輕消力池或下游水墊塘的消能負擔,從而達到簡化下游消能設(shè)施,減小陡槽末端底流消力池或水墊塘的斷面尺寸,達到節(jié)省工程投資之目的。

(2)在陡槽首部設(shè)摻氣槽,可保證臺階面水流挾帶大量空氣,對防止空蝕及減輕下游沖刷都有利。

(3)階梯消能的效果與壩高、泄槽內(nèi)單寬流量、臺階高度、溢洪道坡面斜率及流程長度有關(guān)。階梯上的能量損失在很大程度上依賴于坡面長度,臺階消能率一般可達總消能率的70%以上,甚至可達90%以上。

(4)臺階式斜槽大量摻氣使得水流水面抬升,在進行泄槽側(cè)墻設(shè)計時應(yīng)考慮這種情況。

(5)試驗表明,陡槽首部渥曲面段與臺階段銜接形式采用凹式銜接較好。

[1] 艾克明.臺階式泄槽溢洪道的應(yīng)用狀況淺析[C]//泄洪工程與高速水流.長春:吉林科學技術(shù)出版社,2000.

[2] 花立峰,南曉紅.河岸式溢洪道體型布置分析與優(yōu)化研究[J].水利與建筑工程學報,2003,1(1):22-25.

[3] 庫什塔依水電站水工模型試驗報告[R].楊凌:水利部西北水利科學研究所實驗中心,2009.

[4] 斯木塔斯水電站水工模型試驗報告[R].楊凌:水利部西北水利科學研究所,2010.

[5] 努爾加水庫水工模型試驗報告[R].楊凌:水利部西北水利科學研究所實驗中心,2011.

[6] 白楊河水庫水工模型試驗初步報告[R].大連:大連理工大學,2010.