劉新躍 丁浩鐸 高始健 李繼祥 楊子強(qiáng) 于洋

摘 要：本文以陜西漢江旬陽(yáng)水電站沖沙閘單體水工模型試驗(yàn)為例，對(duì)中低水頭、大泄量閘壩式泄洪建筑物在大變幅上下游水位運(yùn)行工況下的體型設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明，在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩和差動(dòng)式尾坎，可有效改善中低水頭泄洪建筑物在上下游水位高落差運(yùn)行工況下的流態(tài)，減小下游河道沖刷，增大消能率。

關(guān)鍵詞：水閘大變幅上下游水位流態(tài)差動(dòng)式尾坎河道沖淤消能率

Energy Dissipation Design and Optimize of Silt Releasing Sluice in Xunyang Hydropower Station

LIU Xinyue1; DING Haoduo1; GAO Shijian1; LI Jixiang1; YANG Ziqiang2; YU Yang2;

(1.Datang Guanyinyan Hydropower Development Co.,LTD; 2. Hydropower Beijing Engineering Corporantion 3.The No.1 General Team of Armed Police Hydropower Troops)

Abstract: Take the hydraulic model test of XunYang hydropower station which planning on Hanjiang river as an example, This paper studies the optimal shape design of the low water-head flood diversion sluice in the large-sized water level fluctuation conditions.The results show that, in the plunge pool settings stilling pier and differential tail bucket, which can effectively improve flow pattern reduce the downstream river erosion, increase the energy dissipation ratio.

Keywords: Sluice; large-sized water level fluctuation; flow pattern; differential tail bucket;river erosion scouring; energy dissipation ratio

我國(guó)擁有十分豐富的中低水頭水利資源，但由于開(kāi)發(fā)水平限制，開(kāi)發(fā)程度仍較低。制約中低水頭水電工程開(kāi)發(fā)的原因主要有[1]：（1）水庫(kù)回水曲線重迭，使梯級(jí)電站總水頭減??；（2）水庫(kù)無(wú)調(diào)洪削峰能力，因此，樞紐泄洪建筑物、金屬結(jié)構(gòu)工程量大；（3）下游水位變化大，電站利用的水頭和發(fā)電出力不穩(wěn)定，不適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化要求；（4）水輪機(jī)制造一般采用大直徑的軸流式水輪機(jī)或貫流機(jī)組，以及低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，投資較高。隨著水電開(kāi)發(fā)技術(shù)水平的提高，上述不利因素得到了一定程度的緩解，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)經(jīng)過(guò)規(guī)劃的水頭在25m以下的中低水頭水電站裝機(jī)總?cè)萘考s13400MW，年發(fā)電量?jī)H為600億kW·h[2]。

1 工程簡(jiǎn)介

旬陽(yáng)水電站位于陜西省旬陽(yáng)縣城南約2km，是漢江干流規(guī)劃的七個(gè)梯級(jí)電站的第五個(gè)梯級(jí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。北京國(guó)電水利水電工程有限公司采用回歸自然、和諧利用水能資源的設(shè)計(jì)理念，對(duì)旬陽(yáng)水電站泄洪建筑物布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)[3]。該電站壩頂高程244m，最大壩高55m，屬中低水頭水工建筑物，由于其汛期泄流量巨大（千年一遇洪水設(shè)計(jì)流量達(dá)32600m3/s），樞紐泄洪布置采用全閘方案，包括沖沙閘（4孔）、左三孔泄洪閘（3孔）和右四孔泄洪閘（4孔）[4]，其中，沖沙閘采用開(kāi)敞式低實(shí)用堰體型設(shè)計(jì)，堰頂高程設(shè)置為216m，堰寬設(shè)置為13m，具體如圖1-1所示。

圖1-1 旬陽(yáng)水電站沖沙閘體型剖面圖

2 模型設(shè)計(jì)與量測(cè)

本文主要針對(duì)旬陽(yáng)水電站沖沙閘在大變幅上下游水位工況下的流態(tài)和下游河道沖淤特性進(jìn)行模擬：（1）模型比尺1：50；（2）模型制作包含1個(gè)完整閘孔（含閘墩）及兩側(cè)各1/4閘孔，材料使用為機(jī)玻璃；（3）采用水位測(cè)針量測(cè)閘前水位和下游水位，測(cè)點(diǎn)位置分別位于樁號(hào)K0-050m處和樁號(hào)K0+350m處；（4）消力池后河道采用動(dòng)床模擬，鋪沙高程211m，根據(jù)模型沖刷料粒徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，本次模型沖刷料可用中值粒徑為8.89mm沖刷料進(jìn)行模擬（抗沖流速3.5~4.5m/s計(jì)算）。

表2-1：沖沙閘模型試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況 洪水標(biāo)準(zhǔn) 庫(kù)水位（m） 下游水位（m） 設(shè)計(jì)流量（m3/s）

（1+2×1/4孔）

1 常遇洪水前 241 218.96

2 233 222.37 2227.53

3 233 225.44 2227.53

4 常遇洪水(p=50%) 233 228.82 2227.53

5 5年一遇(p=20%) 233 231.6 2227.53

6 20年一遇(p=5%) 236.27 235.51 2721.11

7 50年一遇(p=2%) 239.38 238.43 3202.52

8 100年一遇(p=1%) 240.25 239.48 3368.09

9 1000年一遇(p=0.1%) 243.28 242.1 3898.2

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

3.1 流態(tài)

1+2×1/4孔的模型設(shè)計(jì)可以充分模擬閘墩繞流對(duì)流態(tài)的影響，故流態(tài)模擬更為真實(shí)。圖3-1即為沖沙閘在大變幅上下游水位工況下的流態(tài)演變示意圖：（1）當(dāng)沖沙閘上下游水位落差較大（工況1~工況2）時(shí)，水流銜接時(shí)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，造成消力池后動(dòng)床嚴(yán)重沖刷，因此，原設(shè)計(jì)方案必須進(jìn)行體型優(yōu)化；（2）隨著沖沙閘上下游水位落差進(jìn)一步減小（工況4），遠(yuǎn)驅(qū)水躍已轉(zhuǎn)化為淹沒(méi)水躍，消力池后流態(tài)已趨于平穩(wěn)；（3）當(dāng)沖沙閘上下游水位落差較?。ür6~工況9）時(shí)，淹沒(méi)水躍已轉(zhuǎn)化為微弱的不完全水躍，整體流態(tài)趨于平穩(wěn)。

（a） 常遇洪水前流態(tài)（b） 5年一遇洪水位流態(tài)（p=1%）

（c） 1000年一遇洪水位流態(tài)（p=0.1%）

圖3-1 沖沙閘各典型工況流態(tài)示意圖

3.2 下游河道沖淤

沖沙閘下游河道沖淤試驗(yàn)的最不利工況為工況1，但由于沖沙閘單體水工模型無(wú)法模擬在單孔開(kāi)啟時(shí)下泄水流在下游河道內(nèi)的擴(kuò)散，故下游水位（樁號(hào)K0+350m處）無(wú)法降至218.96m，因此，未能實(shí)現(xiàn)該工況的試驗(yàn)?zāi)M。

本次試驗(yàn)針對(duì)工況2、工況3、工況6、工況7四個(gè)典型工況進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M：（1）工況2動(dòng)床沖刷很明顯，沖刷最低點(diǎn)位于壩0+139.00m處，最大沖深（相對(duì)于鋪沙高程211m）為9.9m，淤積最高點(diǎn)位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為2.4m；（2）工況3動(dòng)床沖刷也很明顯，沖刷最低點(diǎn)位于壩0+149.00m處，最大沖深為7.45m，淤積最高點(diǎn)位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為2.7m；（3）工況6動(dòng)床沖刷較小，沖刷最低點(diǎn)位于壩0+124.00m處，最大沖深為2.55m，淤積最高點(diǎn)位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為1.75m；（4）工況7動(dòng)床沖刷程度與工況6相似，沖刷最低點(diǎn)位于壩0+134.00m處，最大沖深為2.4m；淤積最高點(diǎn)位于壩0+111.50m處，最大淤積高度為0.8m。具體沖淤形態(tài)見(jiàn)圖3-2圖所示。

圖3-2 沖沙閘動(dòng)床沖淤高程剖面圖（中軸線）

3.3 消能率

沖沙閘消能率按公式為計(jì)算[5]。其中：（1）閘前、閘后斷面分別選定在壩0-050.00m和壩0+350.00m處；（2）閘前、閘后斷面能量分別以、表示；（3）、為閘前、閘后斷面的測(cè)壓管水頭；（4）、為閘前、閘后斷面的平均流速，取。經(jīng)計(jì)算，沖沙閘各運(yùn)行工況消能率均較低，為1.23%~17.88%之間，具體計(jì)算值見(jiàn)表3-1。

表3-1 沖沙閘各工況效能率計(jì)算表

工況編號(hào) 工況2 工況3 工況6 工況7 工況8

消能率（%） 17.88 12.22 1.46 1.81 1.23

4. 體型優(yōu)化

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果可知，當(dāng)沖沙閘在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)，其下游河道沖刷較為嚴(yán)重，且消能率偏低（工況1中應(yīng)更加嚴(yán)重），因此，原方案體型必須進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)實(shí)測(cè)各項(xiàng)水力特性綜合考慮，沖沙閘體型優(yōu)化可考慮采用消力墩與差動(dòng)式尾坎相結(jié)合的消能形式實(shí)施，具體優(yōu)化體型設(shè)計(jì)如圖4-1所示[6]。

（a）優(yōu)化方案消力墩與差動(dòng)式尾坎布置圖（單位：m） （b）優(yōu)化方案差動(dòng)式尾坎正視圖（單位：m）

圖4-1 沖沙閘優(yōu)化體型設(shè)計(jì)圖

5 優(yōu)化體型試驗(yàn)成果

5.1 流態(tài)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，沖沙閘優(yōu)化方案流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案明顯改善：（1）優(yōu)化方案在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)，閘室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)水躍，水躍旋滾區(qū)全部位于消力池內(nèi)，水氣摻混充分；以工況2為例，其優(yōu)化方案流態(tài)明顯優(yōu)于原方案，具體流態(tài)如圖4-2所示。（2）隨著上下游水位落差的逐漸減小，消力池內(nèi)水躍逐漸減弱；當(dāng)泄流量達(dá)到常遇洪水標(biāo)準(zhǔn)以后，消力池內(nèi)水躍已轉(zhuǎn)化為淹沒(méi)水躍或不完全水躍，此時(shí)，優(yōu)化方案流態(tài)已趨近于原方案。

圖5-1 優(yōu)化方案閘室及消力池段水流流態(tài)（工況2）

5.2 下游河道沖淤

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，沖沙閘優(yōu)化方案對(duì)下游河道沖淤狀況改善明顯。尤其是在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)了下游河道動(dòng)床基本不沖，實(shí)屬不易。

5.3 消能率

中低水頭泄水建筑物消能率一般均不高[7]。通過(guò)對(duì)沖沙閘優(yōu)化方案工況2、工況3的消能率進(jìn)行計(jì)算可知，其較原方案也有所提高，具體數(shù)值見(jiàn)表4-1。

表5-1 沖沙閘優(yōu)化方案與原方案消能率對(duì)比表

工況編號(hào) 工況2 工況3

消能率（%） 優(yōu)化方案 21.00 16.00

原方案 17.88 12.22

5、小結(jié)

本文以旬陽(yáng)水電站沖沙閘單體水工模型試驗(yàn)及體型優(yōu)化為例，對(duì)中低水頭泄水建筑物在大變幅上下游水位時(shí)的流態(tài)、下游河道沖淤以及消能率等方面進(jìn)行了論述，并得到如下結(jié)論：

1、對(duì)中低水頭泄水建筑物而言，在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)，其消力池內(nèi)部需加設(shè)消力墩以改善流態(tài)，而采用消力墩與差動(dòng)式尾坎相結(jié)合的體型設(shè)計(jì)可有效改善上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)的流態(tài)。

2、對(duì)中低水頭水工建筑物而言，無(wú)論其選擇何種堰型，在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)，均需要在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩，以改善流態(tài)；而在上下游水位淹沒(méi)度較高時(shí)，無(wú)論采用何種堰型均不對(duì)其流態(tài)產(chǎn)生影響。

3、采用消力墩與差動(dòng)式尾坎相結(jié)合的體型設(shè)計(jì)可有效改善中低水頭水工建筑物在上下游水位高落差工況運(yùn)行時(shí)泄洪所產(chǎn)生的下游河道沖刷，增大消能率，有力的保證了樞紐建筑物的穩(wěn)定。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。