符昌勝

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽550002)

1 工程概況

大田河水電站位于貴州省貞豐縣，包含落生、大地兩級(jí)電站，總裝機(jī)容量10萬kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量約4.13億 kW·h，

大地水電站是大田河引水式開發(fā)的第二級(jí)電站，由引水隧洞、前池、電站進(jìn)水口、壓力鋼管和廠房組成，電站安裝有兩臺(tái)1萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組，直接引用落生電站的尾水發(fā)電，設(shè)計(jì)水頭69.7 m，設(shè)計(jì)引水流量40 m3/s。工程于2003年11月開始動(dòng)工，2006年6月開始試運(yùn)行。

2 前池溢洪道設(shè)計(jì)

大地電站前池設(shè)計(jì)總?cè)莘e10 930 m3，有效容積8 400 m3，前池最高水位與下游天然河道高差達(dá)67 m，設(shè)計(jì)下泄流量40 m3/s，采用側(cè)槽式溢洪道泄流。受地形條件限制，泄槽末端不能采用挑流消能，采用底流消能時(shí)，消力池長度也≤15 m，因此溢洪道在泄槽段必須進(jìn)行沿程消能，因此設(shè)計(jì)采用臺(tái)消能泄槽設(shè)計(jì)。泄槽設(shè)計(jì)寬8 m，設(shè)計(jì)單寬流量5 m3/s。泄槽縱向主要分為兩段，上游段為1∶3.7的相對(duì)較緩段，底板沿程布置1.85 m寬0.5 m高臺(tái)階;下游為1∶0.9的陡坡段，底板沿程布置0.9 m寬1 m高臺(tái)階。溢洪道縱剖圖見圖1。

圖1 溢洪道縱剖圖

臺(tái)階式泄槽由一系列的跌坎組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察表表明，通過臺(tái)階的水流可分為跌流水舌和分離流。發(fā)生跌流水舌是在泄槽流量較小的情況下，當(dāng)泄槽流量較大時(shí)，泄槽呈現(xiàn)為分離流。為形成分離水流流態(tài)，臺(tái)階高度必須滿足式:

根據(jù)公式判斷，兩段泄槽均滿足分離流結(jié)構(gòu)尺寸要求。根據(jù)臺(tái)階尺寸計(jì)算臺(tái)階糙度K*=h×cosα。然后采用如下兩個(gè)公式計(jì)算分離水流產(chǎn)生的起始距離和起始水深。

根據(jù)如下流速計(jì)算通用圖表計(jì)算泄槽沿程水深與起始水深的關(guān)系，進(jìn)而推求出整個(gè)泄槽的水深。

根據(jù)計(jì)算，第一段末端平均水深0.63 m，第二段末端平均水深0.71 m。但經(jīng)試運(yùn)行期間觀察，前池泄槽在下泄流量為20 m3/s時(shí)，在泄槽底坡由緩變陡的槽段，水流過渡效果差，不能在陡槽段形成良好的摻氣水流，水流流態(tài)紊亂，故在樁號(hào)0+122.16之后出現(xiàn)局部水波濺出泄槽，泄槽原設(shè)計(jì)高度不滿足要求，需加高，邊墻加高高度根據(jù)現(xiàn)場觀測估算。同時(shí)因泄槽實(shí)際消能率小于設(shè)計(jì)消能率，使得消力池入口水流流速較大，消力池深度不滿足要求。

圖2 流速計(jì)算通用圖

3 泄槽及消力池水力復(fù)核計(jì)算

計(jì)算過程:

1)計(jì)算非臺(tái)階泄槽第一段及第二段末端能量。

2)根據(jù)原設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核第一段泄槽的相對(duì)消能率。

3)根據(jù)計(jì)算出的非臺(tái)階泄槽末端能量EC，參考相關(guān)論文資料，綜合考慮對(duì)大地泄槽消能率進(jìn)行調(diào)整后計(jì)算泄槽末端能量ECT。

4)將第二段末端能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)水頭H，用以計(jì)算消力池所需水墊深度。

非臺(tái)階泄槽水面線計(jì)算過程為將臺(tái)階及非臺(tái)階泄槽末端處的能量作比較，引入了相對(duì)消能率ηC的概念，以表示臺(tái)階泄槽末端的能量ECT較非臺(tái)階泄槽末端處的能量EC所降低的百分?jǐn)?shù)，其公式為:

式中:ηC的物理意義為相對(duì)非臺(tái)階泄槽而言，臺(tái)階泄槽在末端處所能多消減的能量。

將原設(shè)計(jì)泄槽簡化為兩段泄槽計(jì)算如下:

第一段泄槽:流量40 m3/s，泄槽長度77.5 m，泄槽高差21 m，水平距離74.6 m;

第二段泄槽:流量40 m3/s，泄槽長度55.8 m，泄槽高差37.4 m，水平距離41.36 m。

第二段末端能量(對(duì)應(yīng)水頭)ECT=27.08 m。

第一段泄槽泄槽消能率復(fù)核過程為:

由以上計(jì)算成果，第一段泄槽末端能量(對(duì)應(yīng)水頭)EC=12.38 m。

根據(jù)摻氣水流計(jì)算法計(jì)算，查臺(tái)階溢洪道流速通用圖表得第一段泄槽末端流速平均值V=7.95 m/s，相應(yīng)末端能量(對(duì)應(yīng)水頭)ECT=(7.95)2/2g=3.23 m

相對(duì)消能率:

根據(jù)成堪院科研所試驗(yàn)成果得出的臺(tái)階溢流壩的相對(duì)消能率關(guān)系，見圖3。

圖3 相對(duì)消能率關(guān)系

由上圖查得，在單寬流量為5 m3/s，臺(tái)階高度0.5 m時(shí)，相對(duì)消能率ηC=75%，與計(jì)算成果接近。故第一段泄槽水流為出現(xiàn)分離流的的臺(tái)階消能水流。

偏安全考慮，第一段泄相對(duì)消能率取70%，由此計(jì)算得第一段末端能量為:

對(duì)應(yīng)第一段末端流速8.52 m/s，對(duì)應(yīng)第一段末端水深1.03 m。

第二段泄槽末端能量計(jì)算為:

將第一段臺(tái)階消能計(jì)算所得末端水深代入溢洪道水面線計(jì)算表格計(jì)算當(dāng)?shù)诙螢榉桥_(tái)階泄槽時(shí)末端能量:

根據(jù)溢洪道規(guī)范泄槽能量公式推算，第二段泄槽末端能量(對(duì)應(yīng)水頭)

考慮到第二段泄槽不能形成較好的摻氣水流消能，取相對(duì)消能率15%，由此計(jì)算得

同時(shí)可計(jì)算臺(tái)階泄槽的整體相對(duì)消能率為:

消力池水墊深計(jì)算根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5166-2002公式A.26計(jì)算:

式中:K為基巖沖刷系數(shù)，鋼筋混凝土底板取0.8;q為泄槽單寬流量5 m3/(s·m);H為上、下游水位差，考慮到臺(tái)階消能的影響，根據(jù)先對(duì)消能率取泄槽末端能量對(duì)應(yīng)水頭22.15 m。計(jì)算得消力池水墊深t=3.88 m。

4 泄槽及消力池加高結(jié)構(gòu)處理

邊墻加高采用外貼式，已澆邊墻頂部及外側(cè)均進(jìn)行人工鑿毛，并植入φ22間距80 cm插筋，然后澆筑C30加高鋼筋混凝土。

消力池長度無法加長，采用全池邊墻和末端消能堰，并在原設(shè)計(jì)堰后再增加一道2#堰，為了更好的消耗1#堰出流水流的能量，在原設(shè)計(jì)人行橋上布置一道2 m高，0.65 m寬的阻水墻。見圖4。

圖4 泄槽及消力池加固結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

2009年9月，在電站試運(yùn)行3a后，工程完成驗(yàn)收，工程建筑物運(yùn)行狀態(tài)良好，溢洪道邊墻及消力池加高高度取值合適。新老混凝土的結(jié)合通過錨筋和鑿毛處理，質(zhì)量可靠。

臺(tái)階消能計(jì)算常使用的通用圖表主要適用于碾壓混凝土重力壩下游面的消能計(jì)算，對(duì)于較小流量的溢洪道臺(tái)階消能計(jì)算，宜采用相對(duì)消能率進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行修正。

［1］艾克明.臺(tái)階式泄槽溢洪道的應(yīng)用狀況淺析［J］.泄水工程與高速水流，2000(10):7.

［2］艾克明.臺(tái)階式泄槽溢洪道的水力特征和設(shè)計(jì)應(yīng)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1998(4):1-3.

［3］吳憲生.臺(tái)階式溢流壩水力特性初探［J］.四川水力發(fā)電，1998(3):5.