水庫溢洪道多級消能優(yōu)化研究

劉志芳

(山西省禹門口水利工程管理局，山西 太原030002)

【摘要】水電站多具有長泄水道、大落差發(fā)電特點，對于這類電站單級消能工已經(jīng)不能滿足安全和經(jīng)濟要求，因此，宜采用多級消能。本以大河邊水庫為研究對象，針對溢洪道原設(shè)計方案中的不利水力現(xiàn)象進行了方案修改，取得了良好效果。

【關(guān)鍵詞】大河邊水庫；溢洪道；多級消能；優(yōu)化

中圖分類號：TV651.1

Research on reservoir spillway multistage energy dissipation optimization

LIU Zhifang

(ShanxiYumenkouWaterConservancyProjectAdministration,Taiyuan030002,China)

Abstract:Hydropower station is mostly characterized by long sluiceway and big drop power generation. Single-stage energy dissipation work of the power station can not meet requirement on safety and economy. Therefore, multi-stage energy dissipation can be suitably adopted. In the paper, Dahebian Reservoir is adopted as a research object, plan is modified aiming at adverse hydraulic phenomenon in original design plan of spillway with excellent effect.

Key words: Dahebian Reservoir; spillway; multi-stage energy dissipation; optimization

1工程概況

大河邊水庫位于云南省祿勸縣馬鹿塘鄉(xiāng)境內(nèi)，主要建筑物包括大壩、輸水隧洞和溢洪道，壩頂高程2585.00m，最大壩高52m，壩頂寬6m，壩頂長191.79m。為Ⅳ等工程，主要水工建筑物級別為4級，次要水工建筑物級別為5級，總庫容784.61萬m3。

溢洪道位于大壩右岸，設(shè)計為無閘開敞式岸邊溢洪道，消能防沖設(shè)計為20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水泄量為28.47m3/s。溢洪道消能工設(shè)計為三級消能，總長347.12m，落差51.51m。溢洪道進口斷面寬度10.10m，控制段(樁號溢0+000.00～溢0+012.00)堰頂高程為2581.13m 。

2原消能方案存在的問題

2.1原消能方案簡介

第一級消能(樁號溢0+012.000～溢0+104.200)由漸變段和泄槽段組成。漸變段寬度由10m漸變?yōu)?m，泄槽段采用階梯形加糙消能段之后接底流消力池。第一級消能全長92.20m，高差24.70m，平均坡角15°。

第二級消能(樁號泄0+010.000～泄0+148.620)由收縮段和泄槽段組成，泄槽段由雙人字形加糙消能段結(jié)合底流消能段組成，長138.61m，高差12.5m，平均坡角5°；第一級消能與第二級消能之間轉(zhuǎn)彎段長22.16m，平底，轉(zhuǎn)角為119°18′7″。

第三級消能(樁號泄0+178.403～泄0+230.748)，由交錯形加糙消能段和底流消能段組成，長52.35m，高差13.29m；第二級消能與第三級消能之間由反弧轉(zhuǎn)彎段連接，長21.203m，坡角60°，轉(zhuǎn)弧半徑30m，轉(zhuǎn)角139°30′16″。

溢洪道整體布置平面圖見圖1。

圖1　大河邊水庫溢洪道平面圖

2.2模型試驗方案

2.2.1模型試驗控制范圍

為最大限度模擬泄洪道的實際水力狀態(tài)，模型試驗以壩軸線為起點，上游制作長度100m，下游由溢洪道末端向下延伸150m。結(jié)合實際校核水位，上游地形高程設(shè)定為2590.00m，下游設(shè)定為2540.00m[1]。

2.2.2模擬實驗工況設(shè)定

模擬試驗按表1所列三個工況進行。

表1　模擬實驗主要工況

2.3原消能方案存在的問題

三種工況下的模擬試驗結(jié)果顯示，對整個溢洪道進行多級消能，基本能夠完成泄洪消能要求，各工況下不存在高速水流現(xiàn)象，因此，發(fā)生空蝕、磨蝕及建筑物振動等不利影響的可能性不大，但在個別工況和一些特殊位置仍然表現(xiàn)出一些不利現(xiàn)象，主要是工況3下的交錯加糙段，在流量較小情況下，會形成局部空腔，并產(chǎn)生較大負壓，容易產(chǎn)生空蝕破壞，其原因是加糙段與水流方向垂直，并且高度較大[2]；其次是在泄洪道進口段，在工況2水位條件下，水位已經(jīng)越過導(dǎo)流墻頂部并橫向進入溢洪道，出現(xiàn)脫壁繞流問題；一、二級間的彎道過渡段轉(zhuǎn)彎幅度較大，在大流量狀態(tài)下，右邊墻有少量溢水，并導(dǎo)致第二級水面擺動幅度增大，二、三級連接段也存在類似問題；交錯加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是摻氣過度使水深增加，并導(dǎo)致水流從邊墻溢出。

3消能方案優(yōu)化

3.1溢洪道體型修改方案

針對原方案不足之處，提出兩點修改建議：首先，將溢洪道進口段導(dǎo)流墻頂高程改為2585.00m(見圖2)；其次，取消溢洪道加糙段底板加糙條，以改善下泄水流的流態(tài)。

圖2　溢洪道進口導(dǎo)流墻修改示意圖

3.1.1優(yōu)勢

泄洪道進口段修改方案實施后，高水位進口流態(tài)明顯改善，過流能力略微增加，但與原方案相差不大；模擬試驗結(jié)果顯示，各個測壓孔壓力值總體有所減小，最重要的是負壓消失，原因是去掉底板加糙條后，下泄水流流態(tài)有明顯改善，下泄流速增大，壓能相應(yīng)減小，由加糙條造成的漩渦區(qū)消失，因此負壓不復(fù)存在。

3.1.2不足

由于取消了泄流槽底板的加糙條，在改變流態(tài)的同時，水流速度明顯增加。流速增加的負面效應(yīng)就是溢洪道末端消力池內(nèi)難以形成水躍，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流態(tài)，挑距與水舌高度比原方案有明顯增加。試驗結(jié)果顯示：在所有三種工況下，消力池均失去其基本的消能作用。很明顯這一現(xiàn)象是由于消力池長度和深度不夠造成的。但是要實現(xiàn)消力池內(nèi)的底流消能，消力池的長度和深度需要大幅度增加，例如：在工況2的條件下，要實現(xiàn)底流消能必須將消力池深度由現(xiàn)在的1.20m增加到4m以上，顯然在經(jīng)濟上是不可取的[3]。

3.2進一步優(yōu)化

3.2.1優(yōu)化措施

針對原修改方案存在的消力池失效問題，擬將溢洪道出口消力池由底流消能改為挑流消能。根據(jù)消力池周邊地形及下游河道狀況，經(jīng)過優(yōu)化比對，決定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程為2532.30m，樁號為0+222.590，比原方案消力池末端向上游移動約8.16m，挑流鼻坎的挑角設(shè)計為25°，其具體設(shè)計體型如圖3所示。

圖3　挑流鼻坎設(shè)計體型示意圖

3.2.2模擬試驗結(jié)果及分析

3.2.2.1動水壓力分析

經(jīng)過模擬試驗對不同工況下的時均動水壓力值進行測量，結(jié)果顯示，各工況下各個測壓孔均無負壓值出現(xiàn)，壓力值均符合設(shè)計要求。

3.2.2.2溢洪道流速、流態(tài)及水面線分析

由于此次修改措施只影響溢洪道下游的水流態(tài)勢，因此，在模擬試驗過程中只對泄0+178.042向下游進行測量，實測結(jié)果顯示各工況水流下泄平穩(wěn)，流態(tài)良好。部分流速值見表2。

表2　部分位置底部流速實測值　單位： m 3/s

取消加糙條后流速會增加，是否會產(chǎn)生空化對過流壁造成危害，需要進行分析計算 [4]。根據(jù)模擬試驗數(shù)據(jù)，利用水流空化數(shù)計算公式，計算出各個測量斷面的空化數(shù)(見表3)，計算結(jié)果顯示水流空化數(shù)都遠大于0.30，因此，溢洪道過流壁不會因為水流空化遭到空蝕破壞。

試驗結(jié)果顯示：挑流消能工運行良好，達到了預(yù)期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高點距鼻坎的距離見表4)，從水舌挑流形態(tài)來看鼻坎挑流順暢，水舌形態(tài)良好。

表4　各工況挑流水舌形態(tài)特征值　單位： m

3.2.2.3下游河道流速及流態(tài)

各工況下，下游河道各測速點實測流速值見表5。從中可知，各工況下岸邊流速都在4m/s以下，其中，工況2下不超過3m/s。下泄設(shè)計流量以下時，下游河道流態(tài)良好。在工況1和工況3下，在泄0+253.297斷面左岸附近有回流，但是回流流速不超過4m/s，不會對下游河道流態(tài)造成負面影響。

表5　不同工況各流速測點及實測流速值　單位： m 3/s

3.2.2.4下游河道沖淤

在模擬試驗中，各工況下水流對河道的沖刷時間均保證在5h以上，以便使河道沖淤達到形態(tài)不再變化的平衡狀態(tài)[5]，并將測得的各特征值列于表6。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，各工況沖坑底到挑流鼻坎的距離在22～34m之間，并且坡度很緩，不會危及溢洪道安全。

表6　各工況沖淤特征值　單位： m

4結(jié)語

通過加高導(dǎo)流墻可以有效解決高水位狀態(tài)下，溢洪道進口導(dǎo)流墻脫壁繞流現(xiàn)象；交錯形加糙段加糙條阻水作用明顯，拆除后流速有所加大，但不存在超過20m/s的高速水流現(xiàn)象，并且水流流態(tài)明顯改善；原方案各工況下，溢洪道末端消力池內(nèi)不能形成底流消能流態(tài)，將底流消能改為挑流消能后，消能效果良好，下游流速較小，回流流速都在4m/s以內(nèi)，不會對岸坡造成明顯沖刷，滿足出口水流銜接要求。

參考文獻

[1]董玉蓮，劉亞坤，孫洪亮，等.彎曲溢洪道多級跌水與底流復(fù)合消能研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2013(5):1-4，9.

[2]王均星，鄒鵬飛，黃先敏.溢洪道彎道前陡槽內(nèi)水流的消能研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2004(3):98-101，120.

[3]潘輝.溢洪道多級跌水消能探析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2010(4):27-29.

[4]何占斌，鄭春城.彎曲溢洪道綜合消能的試驗研究[J].中國水運，2012(3):107，109.

[5]楊磊，徐宏亮，唐培磊，等.許家崖水庫溢洪道消能防沖方案模型試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2014(6):149-154.