(漢源縣水務局，四川 雅安 625300)

科研設(shè)計

高水頭電站泄水道消能型式選擇

李富強

(漢源縣水務局，四川 雅安 625300)

無調(diào)節(jié)徑流式電站壓力前池溢流堰后的泄水建筑物——泄水道，擔負電站機組負荷波動時多余來水量的宣泄，泄水道的類型按所采取的工程措施大致可分為天然泄水道、人工泄水道和混合泄水道三種。高水頭電站一般前池位置較高，泄水道落差通常與電站利用落差不相上下，其工程投資大小和安全性與其消能型式的選擇密不可分，如何選擇其消能型式并進行工程布置就成為高水頭電站廠區(qū)樞紐工程設(shè)計的關(guān)鍵工作之一。

電站；泄水道；消能型式；選擇

泄水道是無調(diào)節(jié)徑流式電站壓力前池溢流堰后的泄水建筑物,擔負電站機組丟棄負荷時或負荷波動時多余來水量的宣泄。高水頭電站一般前池位置較高，前池的泄水往往需導入廠區(qū)附近的河床內(nèi)，故泄水道的落差通常與電站利用落差不相上下。而山區(qū)電站廠區(qū)樞紐所在地地形地勢陡峻，如果工程區(qū)地質(zhì)條件不良，高落差的泄水道工程投資會很大，從而成為電站廠區(qū)樞紐工程主要建筑物之一，其工程投資和安全可靠性直接關(guān)系到水利樞紐的投資和效益。而泄水道的工程量大小和安全性又與其消能型式的選擇密不可分，故泄水道工程的布置及消能型式的選擇就成為高水頭電站廠區(qū)樞紐工程設(shè)計的關(guān)鍵工作之一。

電站泄水道的布置和消能型式的選擇取決于廠區(qū)樞紐所在地的地形地質(zhì)條件。泄水道的類型按所采取的工程措施大致可分為天然泄水道、人工泄水道和混合泄水道三種。天然泄水道利用廠區(qū)樞紐內(nèi)的天然沖溝泄水，依靠水流與河床的相互碰撞、摩擦消能，以溝床漫流的形式將水流導入電站尾水或廠區(qū)附近河床內(nèi)。這種泄水道只有在廠區(qū)樞紐周圍地形條件許可且有地質(zhì)條件良好的天然沖溝時才能采用，無須采取工程措施，投資省，消能可靠，運行安全。漢源縣1986年建成的李子坪電站(2×1600kW)泄水道就是這種類型。人工泄水道是在廠區(qū)樞紐內(nèi)地形地質(zhì)條件不允許采用天然泄水道時采取的依靠工程措施消能導流的一種泄水道。山區(qū)電站廠區(qū)樞紐地形通常較為陡峻，地質(zhì)條件復雜，人工泄水道的形式多種多樣，根據(jù)其消能型式不同大致可分為多級塘式消力池泄水道、加墩陡槽泄水道、挑流消能泄水道等。混合式泄水道是根據(jù)地形地質(zhì)條件既能采用天然沖溝導流消能又能采用人工措施導流消能的一種綜合形式的泄水道。混合式泄水道在漢源縣電站工程中應用較為廣泛。在進行水利樞紐工程的總體布置時，泄水道型式的具體選擇,只有根據(jù)工程具體情況，貫徹因地制宜、經(jīng)濟合理、安全可靠的原則，精心思考，慎重決定，方可保證工程安全經(jīng)濟。下面結(jié)合漢源縣電站工程的設(shè)計施工，介紹人工泄水道消能型式的選擇、設(shè)計和工程布置情況。

1 加墩陡槽泄水道

陡槽泄水是水利工程中常用的型式，普通陡槽底坡一般為1%～5%。坡度越大，陡槽內(nèi)流速越高，對襯砌材料的要求越高，造價越高。當?shù)灼略?%～15%以內(nèi)時，可采用人工加糙的方法，降低槽內(nèi)流速，使水流穩(wěn)定，這時陡槽就成為人工加糙陡槽。無論是普通陡槽還是人工加糙陡槽，槽內(nèi)水流速度均較大，槽體本身無法消能，必須在尾段設(shè)置消能設(shè)施，而且其底坡要求難以滿足山區(qū)電站廠區(qū)樞紐陡峻的地形條件。因此，在漢源縣電站工程中很少采用,僅在漢光電站中運用過。加墩陡槽不同于人工加糙陡槽，它從陡槽開始段就布置消能墩，直至下游，末端無須另設(shè)消能設(shè)施，并對下游尾水深度無特殊要求，陡槽底坡可以用到50%，較適合于山區(qū)電站。漢源縣大樹(2×1250kW)、高坪(2×250kW)、兩河(2×2500kW)電站人工泄水道中都采用了加墩陡槽泄水。實踐中只要控制好來水流速和限制單寬流量，就可以取得理想的消能效果，且在落差方面并無限制。下面結(jié)合漢源縣電站泄水道的建設(shè)實踐介紹加墩陡槽消能設(shè)施的設(shè)計要點和注意事項：

a.確定泄水道上游預期的最大流量Qmax。電站泄水道上游為前池溢流堰和沖沙孔，其最大流量為引水渠道最大引水流量和沖沙孔有壓孔口出流二者的大值。加墩陡槽進口以上有坡面來水時應計入。大樹電站渠道最大來水量為2.4m3/s，加墩陡槽以上坡面漫流段可能的坡面雨水匯流量為0.4m3/s，因此預期最大流量為2.8m3/s。兩河電站則取渠道最大來水量與沖沙孔口出流中的大值6m3/s。

b.確定陡槽寬度b及設(shè)計單寬流量q。泄水槽寬度b值可根據(jù)上、下游連接段的布置、地形條件、泄水頻繁程度、Qmax值、加墩布置及尺寸以及經(jīng)濟性來決定。b值的選取應使設(shè)計單寬流量不大于6m3/s。

c.來水流速V1。來水流速是決定整個加墩陡槽工作狀況是否令人滿意的關(guān)鍵因素，應盡可能低，其最大值不能超過按下式確定的數(shù)值：

為達到所需的來水流速V1，可根據(jù)陡槽進口上游的水流銜接情況采取必要的工程措施或改變工程布置，使來水平緩進入加墩陡槽，同時在來水槽底和陡槽之間，設(shè)置直立臺坎，臺坎高度視具體情況而定。臺坎頂部，以半徑30cm左右的圓弧形成斜坡陡槽上的堰頂。第一排墩子靠近陡槽起點布置，其所在高程不得低于堰頂30cm，其后各排墩子交錯排列。

d.消能墩尺寸及布置。消能墩高度H不得小于0.8～0.9倍泄水槽臨界水深hk，對于矩形斷面陡槽，hk可按下式計算：

墩寬和墩子間距應相等，最好是取其等于1.5H或1.5H左右，但不得小于H。墩子的其他尺寸對水流情況不起決定作用。半墩的寬度為H/3至2H/3，布置時應使第1、3、5…排的半墩緊靠邊墻，而第2、4、6…排則空出同樣的寬度(見圖1)。排距(即各排墩子之間沿陡槽底板的距離)取其等于H/J0，J0為以小數(shù)形式表示的底坡。墩子常修成上游面垂直于陡槽底板的形式，也可修成上游面鉛直的形式，但該形式濺水多些而沖刷輕些。加墩陡槽長度上至少需要布置4排以上的墩子，才能對水流做到完全控制。第4排以后的墩子，都是用來保持其上游受控而形成的水流流態(tài)的。墩子頂寬取0.2H但不小于23cm，底寬取0.7H。如果陡槽下游為天然泄水槽,則陡槽槽身須延長到天然泄水槽正常高程以下，并至少得多埋1排墩子，之后再行回填，以防止沖刷。

圖1 加墩陡槽泄水道

e.邊墻高度。加墩陡槽邊墻的高度，至少應為墩高的3倍，正交于陡槽底板，同時結(jié)合地形地質(zhì)條件及墻體穩(wěn)定要求確定。

加墩陡槽的應用，在相同的地形地質(zhì)條件下，可大大減少建筑物的漿砌方量，節(jié)省工程投資，同時取得較為理想的消能效果，泄水道的安全可靠性大力提高。筆者在進行大樹電站技施設(shè)計時，就將泄水道下段工程由初設(shè)時的11級塘式消力池改為加墩陡槽和2級塘式消力池的布置型式，大大節(jié)省了工程投資。后來在進行兩河電站、高坪電站設(shè)計時，理想的地形條件使加墩陡槽泄水再次得到應用。實踐表明：在選用加墩陡槽時，要注意地形坡度不能太大，陡槽底坡要盡量控制在1∶2以內(nèi)，陡于1∶2時應謹慎采用，必要時進行模型試驗。

2 多級塘式消力池泄水道

當泄水道通過之處地質(zhì)條件較差且地形上又無法布置其他消能工時，可采用塘式消力池。泄水道的落差往往較大，此時布置多級跌水，采用多級塘式消力池泄水。多塘泄水的主要消能方式是水躍消能。水躍的主要消能作用在于表面產(chǎn)生的橫軸漩滾與接觸面的強烈紊動剪切和橫軸漩滾的紊動結(jié)構(gòu)；底部主流沿程擴散時所受固體邊界的摩擦以及設(shè)有輔助消能工時所遭遇的阻力，也起一定的消能作用。多級水躍消能塘適用于各種水頭各種流量的泄水道，對地質(zhì)條件要求較低，但消能塘的漿砌工程量較大，有時開挖量也較大，修建費用較貴。

多級塘式消力池的設(shè)計分水力計算和結(jié)構(gòu)計算兩方面。結(jié)構(gòu)計算主要是擬定邊墻結(jié)構(gòu)尺寸，校核其穩(wěn)定性及地基應力，可按重力式擋土墻的設(shè)計方法進行，本文不作詳細討論。以下著重介紹多級消能塘的水力計算方法和工程布置：

a.多級塘式消力池的分類。多級塘式消力池實質(zhì)上就是多級跌水。多級跌水有設(shè)消力檻和不設(shè)消力檻兩種形式。后者因消能不完善，易產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象，很少采用。多級跌水按分級方法分為等水面差和等臺階差兩種。前者按水面落差相等分級，后者在工程布置時使各級的臺階跌差相等，這種布置設(shè)計計算時較為簡單，實際工作中應用較為廣泛。

b.設(shè)計流量的選擇。電站泄水道流量變化較為頻繁且范圍較大。為使所設(shè)計的消能池在不同流量時都能保證池中均形成淹沒水躍，達到較為理想的消能效果，必須正確選擇計算消能池尺寸的設(shè)計流量。消能坎式消力池的水力計算內(nèi)容包括：確定坎高c和池長Lk(見圖2)。實踐證明：坎高的設(shè)計流量并不一定是建筑物所通過的最大流量，設(shè)計時應該在流量變化范圍內(nèi)選定幾個量值，分別計算坎高c，然后取c的最大值作為設(shè)計值。大樹電站兩級塘式消力池的坎高設(shè)計流量分別取0.7m3/s、1.0m3/s、1.4m3/s、2.0m3/s、2.8m3/s計算，得到的坎高分別為0.7m和0.8m。消能池的長度取決于水流跌落的射程L0和水躍長度Lj，一般說來L0和Lj均隨流量的增加而增大，因此消能池長度的設(shè)計流量應為泄水道的最大泄水流量。

圖2 多級塘式消力池泄水道

c.消能池寬度的確定。消能池寬度可根據(jù)上游連接建筑物的過水寬度、地形坡度及跌差大小、泄水流量大小、工程投資等因素確定。當?shù)匦纹露容^大時，每級跌水落差較大，所需的池長就大，池體寬度取值過小往往會使地形條件難以滿足池長的要求，這時應加大池寬，減小單寬流量，但工程量會有所增加，投資偏大。所以消能塘寬度的確定是一個綜合分析比較的過程。

d.消能坎高度c的計算。當泄水槽寬度確定后，應在流量Q的變化幅度內(nèi)選定幾個量值分別計算坎高，然后取大值作為設(shè)計值。等跌差矩形消能塘第n級塘池坎高計算步驟如下：

1)單寬流量q及臨界水深hk：

q=Q/b

式中,m為流量系數(shù)，進口處為無坎寬頂堰取0.365，為消能坎時取0.42。

從第n級跌水消能池底算起的上游總水頭為

E0=sn+H0(n-1)

式中，sn為第n級塘跌差。

流速系數(shù)的取值視第n級塘上游的泄流方式而定,無坎寬頂堰取0.9，消能坎可視為折線實用堰，取0.85。

3)本級消能坎頂水頭計算：

式中，mn為第n級塘消能坎流量系數(shù)，取0.42。

4)消能坎高度Cn計算：

式中，σj為水躍淹沒系數(shù)，一般取1.05。

e.消能塘長度Lk計算。消能塘長度應包括水舌射程LO和水躍長度Lj，此時設(shè)計流量應為泄水道最大流量。

1)水舌射程L0：

坎為寬頂堰時

坎為實用堰時

2)水躍長度Lj：

3)池長Lk計算：

消能池內(nèi)的水躍受到消能池末端垂直壁面產(chǎn)生的一個反向作用力，減小了水躍長度，故消能池內(nèi)水躍長度僅為平底渠道中自由水躍長的70%～80%，故

Lk=Lo+0.8Lj

以上是等跌差矩形斷面多級塘式消力池的水力計算方法，對于等水面差或非矩形消力池的計算，可參考有關(guān)書籍。

f.輔助消能工的設(shè)置。山區(qū)電站泄水道工程采用多級塘式消力池時，池長往往因地形坡度陡而受到限制，此時可減小單寬流量達到縮小池長之目的。但單寬流量過小往往會大大增加工程投資。當池長受到限制時，為了改善消能池的消能效果，可在池中設(shè)置輔助消能工，如趾墩、消能墩及尾檻等。輔助消能工可分散入池水流，加強擾動，提高消能效率；消能墩還對池中水流產(chǎn)生反向作用力，從而可減小消能池的深度及長度，達到節(jié)約工程投資的目的。

3 挑流消能泄水道

單一的挑流泄水道在山區(qū)電站中較少采用,往往配合其他人工泄水道布置。挑流泄水布置簡單，消能可靠，施工方便，工程量小，在地形地質(zhì)條件許可時優(yōu)先采用。漢源縣大樹電站尾水渠出口、小堡電站泄水道中段、富莊電站泄水道出口均采用挑流消能的布置型式，獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

在電站泄水道布置時，如果地形陡峻，選擇其他型式泄水道工程量大，或無法布置或無法保證安全可靠。而工程區(qū)附近又有可利用的沖溝時，可考慮設(shè)置挑流建筑物，直接將水流挑向沖溝，讓其自然下泄。小堡電站泄水道就是利用220m順山明渠將水流引向一自然沖溝岸邊，若讓其順坡自然下泄會對岸坡造成沖塌，故設(shè)置一挑流坎將水流挑向溝心，讓其順溝心漫流至河床。富莊電站泄水道自前池通過40m短隧洞引向一山溪溝。隧洞出口至溝心高差達60多m，沖溝岸坡陡峻，坡度達70°左右，無法布置其他建筑物；而讓水流自由順坡下泄又因坡體巖石為侏羅系中統(tǒng)遂寧組砂頁巖互層巖層，安全可靠性差，故采用隧洞出口做一挑流建筑，直接將水流挑向溝心。而大樹電站尾水渠出口為減小第四系洪積層岸坡的護岸工程，也采用挑流泄水型式。

電站泄水道挑流泄水設(shè)計的主要任務是選定適宜的挑坎型式，確定挑坎的高程、反弧半徑和挑射角，計算挑流射程。這些參數(shù)，查閱普通水力學書籍不難確定，在此不再贅述。僅就設(shè)計計算和工程布置時應注意的事項提示如下：

a.工程布置時，與挑流陡槽銜接的上游泄水槽底坡應盡量放緩，以便水流平穩(wěn)地進入挑流陡槽。挑流陡槽應有足夠的落差，使挑流鼻坎處水流具有足夠的動能，同時陡槽底坡不能過陡，防止水流脫離槽底形成自由跌落而產(chǎn)生紊亂，影響位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，從而影響挑射距離。

b.挑坎高程應與挑射距離協(xié)調(diào)考慮，挑坎高程越低，出口斷面流速越大，射程越大。

c.電站泄水道流量變化范圍大，頻度高，而挑坎往往位于較高的位置。因此，挑角應偏小值選取，以便使起挑流量盡可能地小。為防止小流量水流挑不出去而對挑坎地基造成沖刷，危及建筑物安全，必要時可在挑坎以下坡面上做一定的襯護工程，確保坡面在小流量時不被沖刷。

d.在計算挑流射程時，要充分考慮山區(qū)氣候特點，山谷風對射程的影響較大，應予足夠的重視；同時，挑流消能霧氣很大，要注意對周圍居民生產(chǎn)生活的影響。

SelectionofEnergyDissipationTypeinHighWaterHeadPowerStationSpillway

LI Fu-qiang

(HanyuanCountyWaterAuthority,Ya’an625300,China)

Sluicing building behind non-regulating run-of-river power station pressure front pool weir-spillway is responsible for sluicing the excessive water during power station unit load fluctuation. The types of spillway can be mainly divided into natural spillway, manual spillway and mixed spillway according to the adopted project measures. High water head power station generally has higher front pool position. The height difference of spillway is generally consistent with the power station utilization height difference. Its project investment and safety are similar to the selection of energy dissipation mode. Selection of energy dissipation type and engineering arrangement belong to one of keys in high water head power station plant hinge project design.

power station; spillway; energy dissipation type; selection

TV222

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1673-8241(2014)03-0013-05