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        三河口水利樞紐泄洪消能布置優(yōu)化

        2015-07-25 07:40:02周春選
        陜西水利 2015年1期
        關(guān)鍵詞:水舌表孔底孔

        趙 瑋 周春選

        (陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001)

        1 工程概況

        三河口水利樞紐是陜西省內(nèi)跨流域調(diào)水工程——引漢濟渭工程的兩個水源工程之一,是整個引漢濟渭工程的調(diào)蓄中樞,工程等別為Ⅰ等工程,工程規(guī)模為大(一)型。樞紐地處漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游峽谷段,在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處。壩址處屬秦嶺山脈典型峽谷區(qū),河谷寬度50m~100m之間,河谷狹窄,壩址巖體主要為變質(zhì)砂巖夾薄層結(jié)晶灰?guī)r,河床砂卵石覆蓋層厚6m~8m,地質(zhì)條件較好。

        三河口水利樞紐攔河大壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩,最大壩高145m,壩頂寬9m,壩底厚37m,壩頂上游弧長500.9m。水庫正常蓄水位643.0m,水庫總庫容 7.1億 m3,調(diào)節(jié)庫容 6.5億 m3,樞紐500年一遇設(shè)計洪水下泄流量6610m3/s,2000年一遇校核洪水下泄流量7580m3/s,50年一遇消能防沖下泄洪水流量為4560m3/s。

        2 泄洪建筑物布置

        三河口水利樞紐壩址區(qū)河谷狹窄、岸坡陡峻,參考國內(nèi)已成高拱壩泄洪建筑物的布置,結(jié)合本工程泄洪流量大、泄洪水頭高、泄洪功率大的特點,經(jīng)多方案研究比選論證,設(shè)計采用“壩身分層出流、水墊塘消能”的布置型式,泄洪落水區(qū)沿著河道縱向拉開,又有橫向的擴散,采用分散泄洪、分區(qū)消能。壩身泄洪采用表孔+底孔泄洪布置,表孔作為主要泄洪設(shè)施泄洪,底孔除了承擔泄洪任務(wù)、在施工期參與導(dǎo)流外,同時具有在特殊情況下放空水庫的功能。

        泄洪表孔的布置盡可能利用主河床段寬度,3孔布置,孔口尺寸為15m×15m(寬×高,表孔堰頂高程628.0m,最大泄洪流量6020m3/s,與底孔聯(lián)合可宣泄2000年一遇洪水。

        泄洪底孔采用2孔左右對稱布置,可有效地分擔泄洪任務(wù),特別是工程運行期宣泄常遇洪水,運行安全可靠。底孔進口高程550.0m,孔口尺寸4m×5m(寬×高),能有效分擔表孔的泄流壓力,其最大泄洪流量1560m3/s。

        表1 近年來建設(shè)的碾壓混凝土拱壩泄洪能量比較表

        為使樞紐下泄洪水能夠充分消能,減輕水流對壩腳及下游河床和兩岸坡的沖刷,保證大壩和邊坡穩(wěn)定安全,在大壩下游設(shè)置寬70m、長200m的消力塘,在下泄洪水消能區(qū)形成人工水墊塘,保證下泄洪水的效能效果。

        3 泄洪消能布置優(yōu)化研究

        三河口水利樞紐由大壩(壩身設(shè)泄洪放空系統(tǒng))、壩后引水系統(tǒng)、抽水發(fā)電廠房和連接洞等組成,承擔調(diào)蓄水量、供水、抽水、發(fā)電和防洪等任務(wù),樞紐功能多、布置復(fù)雜。攔河大壩為碾壓混凝土高拱壩,在國際、國內(nèi)同類大壩中高度位居第二、大壩泄洪流量和泄洪功率均居第一(見表1)。

        根據(jù)樞紐壩址處地形、地質(zhì)條件,結(jié)合樞紐功能和建筑物多,經(jīng)過比較和論證,樞紐采用壩身泄洪是合理、經(jīng)濟的。由于泄洪建筑物布置集中、河谷寬度狹窄,表孔和底孔下泄水流落差大、落點集中,甚至疊加,使得下游水墊塘內(nèi)水流消能不夠充分,入射水流流速大,對水墊塘底板沖擊力大,影響水墊塘的結(jié)構(gòu)安全。因此,必須研究有效方式,優(yōu)化泄洪效能建筑物體型,使得下泄水流在空間上盡量均勻分散落入水墊塘內(nèi),消能更充分,同時降低水墊塘底板壓力。

        3.1 表、底孔泄量分配

        泄洪建筑物泄量分配,對水庫樞紐的運行、效益和消能效果等均有較大型影響。三河口水利樞紐表、底孔泄量分配按照以下原則進行:宣泄常遇洪水時,優(yōu)先開啟底孔泄洪,宣泄大洪水時,先將底孔全部打開,表孔局部或全部開啟泄洪。因此,底孔泄洪能力的大小選擇成為關(guān)鍵,設(shè)計通過對不同孔數(shù)和孔口尺寸的經(jīng)濟技術(shù)綜合比較,一是考慮碾壓混凝土拱壩壩體填筑要求,不宜出現(xiàn)較大孔口影響壩體結(jié)構(gòu)安全和施工進度;二是底孔獨立泄洪時水流對水墊塘底板的沖擊壓力不能過大,不能超過其允許值;三是底孔盡可能增加泄量,分擔表孔泄洪壓力,同時也能夠在施工導(dǎo)流期和特殊情況下放空水庫有足夠的過流能力。通過多方案研究比選后,確定表孔和底孔泄量分配如表2,和國內(nèi)同類工程底孔占總泄量15%~40%相比,底孔泄量分配合理。

        3.2 表、底孔體型優(yōu)化布置

        許多拱壩樞紐壩泄洪采用表孔大差動齒坎,底(中)孔窄縫擴散,表、底(中)孔分層出流,使得下泄水舌落水位置互相錯開,消減射流的集中強度,并在下游設(shè)水墊塘來集中消殺下泄水流能量,工程實踐證明,這是一種既安全又經(jīng)濟的泄洪消能方式。三河口水利樞紐泄洪功率高達7923MW,采用上述方式后,仍然不能滿足要求,需進一步分析研究,進行體型優(yōu)化調(diào)整。

        經(jīng)分析研究,對表、底孔體型設(shè)計進行了多次優(yōu)化調(diào)整,并進行了水工模型試驗驗證。最后布置體型根據(jù)下泄水流水舌落點,對3孔泄洪表孔的體型進行了優(yōu)化,即左、右表孔出口進行了采用設(shè)置大俯角跌坎加分流齒坎的形式,中表孔采用橫向擴散的舌型挑坎。其中,左表孔坎槽寬度均為7.5m,齒槽俯角45°,齒坎反弧半徑20m,挑角0°,齒坎出口高程611.17m,齒槽末端加設(shè)舌形折坎,出口高程602.89m;右表孔坎槽寬度均為7.5m,齒槽俯角10°,齒坎反弧半徑18m,挑角10°,齒坎出口高程611.70m,齒槽末端末端加設(shè)舌形折坎,出口高程603.31m;中表孔采用舌型擴散挑坎,寬度15m,末端為圓弧+折流挑坎,挑坎反弧半徑20m,起挑角度為32.5°,同時左側(cè)邊墻向外各擴散,末端寬度增大至16.5m。

        表2 三河口水利樞紐壩身表、底孔泄量分配表

        圖1 三河口水利樞紐泄洪建筑物布置簡圖

        圖2 三河口水利樞紐校核洪水工況水位水舌軌跡簡圖

        兩個底孔相間布置在三個泄洪表孔中間,孔口尺寸4m×5m(寬×高),出口采用帶跌坎的窄縫挑流消能工,挑坎高程為549.0m,為了避免水舌向心集中,窄縫收縮采用不對稱式寬尾墩,內(nèi)側(cè)收縮1.75m,外側(cè)收縮1.25m,內(nèi)側(cè)收縮角大于外側(cè),收縮段長度為5m,收縮比0.4,見圖 1。

        4 模型驗證

        4.1 水流歸槽及流態(tài)

        根據(jù)水工模型試驗成果,在泄洪表孔全開運行時,邊表孔水舌分為上、下兩層,中表孔則為單層橫向擴散水舌,各層水舌挑距各不相同。中表孔水舌最高,挑距也最遠,橫向擴散寬度幾乎與水墊塘底寬相同;左、右表孔水舌挑距稍近,位于中表孔水舌之下,擴散寬度各占水墊塘的一半左右。各股水舌落水位置互相錯開,挑距均不相同,有效對下泄洪水進行了空間分散。

        底孔在寬尾墩的作用下,底孔水舌呈直線縱向拉開,側(cè)面呈掃帚狀各水位下水舌挑距相差不大,可見水舌外緣挑距135m左右,內(nèi)緣挑距25m左右,縱向入水長度約110m,兩孔水舌接近平行,沒有產(chǎn)生向心集中現(xiàn)象,見圖2。

        4.2 水墊塘底板壓力特性

        泄洪底孔出口采用不對稱寬尾墩的形式,中表孔采用橫向擴散的舌型,左、右表孔采用大俯角跌坎加分流齒坎的措施,通過設(shè)計和水工模型試驗的驗證,該布置形式有效將下泄水流切割為不同挑射角度的水舌,控制水流落入消力塘預(yù)定位置,大大降低了水墊塘內(nèi)的動水壓力。經(jīng)試驗,在各種運行工況下,該方案水墊塘底板最大沖擊壓力10.5×9.81kPa,小于規(guī)范建議的15×9.81kPa壓力的要求;在設(shè)計洪水工況下水墊塘底板脈動壓力強度最大值61.74kPa,其余工況均小于60kPa,與國內(nèi)同類工程相當。

        因此,在各種運行工況下,樞紐泄洪時,水流對消力塘底板壓力均滿足受力要求,樞紐泄洪安全的,消能是充分的。

        5 結(jié)語

        三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲高拱壩,是目前國內(nèi)在建碾壓混凝土拱壩第二高壩,樞紐泄洪總功率7923MW,居國內(nèi)第一,工程任務(wù)多,建筑物布置復(fù)雜,壩址區(qū)內(nèi)河谷狹窄,岸坡陡峻,設(shè)計采用壩身表、底孔平面相間布置、聯(lián)合泄洪的方式,壩身表孔和底孔泄洪按照縱向分層拉開、橫向單體擴散、總體分散歸槽的原則和方法,通過表、底孔的體型優(yōu)化調(diào)整,保證了樞紐泄洪消能安全。這與與其他類似工程既具有相似的地方,亦具備自己的獨特之處,為以后類似工程的泄洪效能設(shè)計提供了有實用價值的參考。陜西水利

        [1]朱伯芳,高季章,陳祖煜,厲易生.拱壩設(shè)計與研究[M],北京:中國水利水電出版社,2002.

        [2]李瓚、陳興華、鄭建波,王光綸.混凝土拱壩設(shè)計[M],北京:中國電力出版社,2000.

        [3]艾克明.拱壩泄洪與消能的水力設(shè)計與計算 [M].水利電力出版社,1987.

        [4]肖興斌,袁玲玲,等.高拱壩泄洪消能防沖技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用評述 [J].水電站設(shè)計,2003,19(1):59-63.

        [5]周鐘,沈文莉,黃慶,等.溪洛渡水電站壩身泄洪消能布置 [J].水電站設(shè)計,1999,15(2):5-13.

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