消能結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施在柳樹溝水電站的優(yōu)化應(yīng)用研究

王曉

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830049)

【摘要】本文通過柳樹溝水電站模型試驗(yàn)，對消能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了研究分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示T字墩+消力池的結(jié)構(gòu)形式在該類電站中能夠取得比較理想的消能效果。

【關(guān)鍵詞】水電站；消能結(jié)構(gòu)；消力池；T字墩

中圖分類號：TV653

Optimization application study of energy dissipation structure

optimization measures in Liushugou Hydropower Station

WANG Xiao

(XinjiangInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Urumqi830049,China)

Abstract:In the paper, energy dissipation structure optimization design condition is studied and analyzed through the model test of Liushugou Hydropower Station. Test results show that structure form of T-shaped pier + stilling basin can achieve more ideal effect of energy dissipation in similar power plants.

Key words: hydropower station; energy dissipation structure; stilling basin; T-shaped pier

水利工程中為避免高速下泄水流對河床及河岸產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷及空蝕作用，消力池作為最早的底流消能設(shè)施得到了廣泛應(yīng)用[1]。當(dāng)山洪暴發(fā)時(shí)一般會產(chǎn)生較大的洪峰流量，這對于中小型低水頭電站是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，解決低水頭水電站的消能問題，對確保小水電的安全正常運(yùn)行具有重要價(jià)值[2]。本文以柳樹溝水電站為例，通過模型試驗(yàn)對該類電站的消能結(jié)構(gòu)形式對消能效果的影響進(jìn)行詳細(xì)研究，并在此基礎(chǔ)上提出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，對相關(guān)的工程設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1柳樹溝電站工程概況

柳樹溝水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)開都河中游河段，是開都河水電梯級規(guī)劃中的第八級，距下游的大山口水電站河道約10km。東面距靜縣城約90km，距庫爾勒市約140km，距先行鄉(xiāng)約50km。柳樹溝水電站設(shè)計(jì)正常蓄水位1494.50m，總庫容約7710萬m3，裝機(jī)容量180MW，工程規(guī)模屬三等中型。泄洪建筑物由5孔泄洪閘構(gòu)成，從左向右依次為1～5號閘，最大閘高32.5m，閘孔寬度12m，單孔最大泄流量1500m3/s。由于泄洪閘下游水位有較大變幅，對消能防沖提出了較高要求。因此在工程設(shè)計(jì)中采用綜合消力池，并輔以輔助消能工設(shè)施和設(shè)置消能尾坎，形成復(fù)式消力池。

泄洪閘作為主要的泄洪建筑物，主要由鋪蓋、閘室、消力池、護(hù)坦以及海漫等組成。泄洪閘單孔凈寬12m，共5孔，泄洪閘擋水總寬度為81m。

消力池池前坡度為1∶4，落差由1478.00m降至1274.00m，消力池底板高程為1274.00m，長25m，寬47m，深3m。消力池基礎(chǔ)為原始基巖，底板為厚2m的C30鋼筋混凝土。消力池左側(cè)設(shè)置導(dǎo)流墻延伸至海漫尾部，用于區(qū)分廠房尾水，高程為1488.00m。

護(hù)坦上游端接4～5號閘，護(hù)坦下降段坡度為1∶2，水平段長85m。建筑基底為中風(fēng)化基巖，其上為2.5m厚C25鋼筋混凝土。

海漫長52m，其頂面高程為1477.00m。其表面由厚0.5m漿砌塊石護(hù)面，末端設(shè)防沖槽，拋填大塊卵石。工程平面圖如圖1所示。

圖1　柳樹溝水電站工程平面圖

2消能方案的優(yōu)化研究

2.1模型試驗(yàn)范圍的確定

為了真實(shí)反映水沙運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模型選擇水流條件較好河段作為模型入口。因此，電站模型試驗(yàn)研究范圍為電站壩下游600m～壩上游 1600m，全長約 2.2km(見圖 2)。

圖2　模型斷面范圍示意圖

2.2原消能方案

柳樹溝電站的原消能設(shè)計(jì)方案為：1號、2號閘門為沖沙閘，其后修建護(hù)坦，護(hù)坦上接閘室底板末端，交接點(diǎn)高程1478.00m，以下的護(hù)坦水平段長70m，以1∶10的坡度逐步降至1470.00m。3～5號閘門為泄洪閘，泄洪閘下設(shè)消力池，消力池高程以1∶5的坡度由1478.00m降至1476.50m，消力池長58.0m、深1.0m。出于約束水流、保證沖沙效果的考慮，工程設(shè)計(jì)中在泄洪閘與沖沙閘之間設(shè)導(dǎo)流墻，墻頂高程為1490.00m。

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄洪流量在600～2900m3/s時(shí)，消力池最大出池流速為10.3～18.5m/s。尤其是流量為1400m3/s的情況下，高速水流形成一條水舌高速通過護(hù)坦，并一直延伸至護(hù)坦后100m以上，水舌的中心流速最大值為18.5m/s，這一速度已經(jīng)超出允許的流速范圍許多，容易對河床造成破壞，同時(shí)河岸邊坡在高速水流的長期沖刷下，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會受到較大影響，這也給距離堤岸不遠(yuǎn)公路路基的安全造成影響[3]。

2.3取消護(hù)坦和導(dǎo)流墻

在原方案的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)護(hù)坦和導(dǎo)流墻對消能的作用不大，同時(shí)考慮到1號和2號泄洪閘泄水具有較大的下泄動能，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中決定取消護(hù)坦和導(dǎo)流墻，這將在閘后形成一個(gè)完整的消力池，其長度仍為58m不變。模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，消能效果得到了一定改善，在流量為1500m3/s的條件下，水流經(jīng)過消力池后，在消力池外形成了10～20m長的二級水躍，灘面流速在9.6m/s左右，流速仍然較大，其流態(tài)如圖3所示。

圖3　取消護(hù)坦和導(dǎo)流墻后的池內(nèi)流態(tài)

圖4　復(fù)式消力池結(jié)構(gòu)與池內(nèi)流態(tài)

2.4消力池形式調(diào)整試驗(yàn)

將全部閘都作為泄洪閘，將壩后消力池改為復(fù)式消力池，具體設(shè)計(jì)為：1號、2號、3號閘后池底高程1472.00m，4號和5號閘后池底高程1474.00m。采用復(fù)式消力池形式不僅對跌水消能十分有利，還可以減少工程量、降低工程造價(jià)[4]。改變消力池形式后的結(jié)構(gòu)與池內(nèi)流態(tài)如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從結(jié)果來看，復(fù)式消力池的使用能有效消除渦流，減小最大灘面流速。

表1　最大灘面流速試驗(yàn)結(jié)果對比

2.5消力池的長度優(yōu)化

復(fù)式消力池方案的最大灘面流速仍不理想，如需進(jìn)一步加強(qiáng)消能效果，不宜再增加消力池深度，因此可以嘗試增加消力池長度[5]。實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已有數(shù)據(jù)，設(shè)置了106m、86m、75m三種方案。模型試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，87m的消力池消能效果最好，但最大出池流速在8～9m/s，因此消能效果并沒有明顯提高，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

表2　不同消力池長度下的試驗(yàn)結(jié)果對比

2.6分流墩和二級消能坎效能效果對比

前面試驗(yàn)已經(jīng)對消力池的深度和長度進(jìn)行了優(yōu)化，因此要進(jìn)一步在消力池上提高消能效果，只能從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)[6]。本研究選擇效能效果較好的閘后分流墩和二級消能坎兩種消能工進(jìn)行試驗(yàn)比對。分流墩方案的設(shè)想是在閘墩后1∶5斜坡處，修建6個(gè)間隔5m，長20m、寬5m、厚0～5m的楔形分流墩(位置結(jié)構(gòu)和流態(tài)見圖5)。二級消能坎方案是在消力池中部修建二級消能坎，消能坎高6m、上底寬2m、下底寬8m，橫貫整個(gè)消力池，第一級距壩軸線70m，第二級距壩軸線110m(位置結(jié)構(gòu)和流態(tài)見圖6)。表3是二級消能坎和分流墩后最大灘上流速對比。從結(jié)果來看，二級消能坎的削減流速效果優(yōu)于分流墩，消能效果較為理想。

圖5　分流墩位置與池內(nèi)流態(tài)

圖6　二級消能坎的布置與流態(tài)

流量/(m3/s)二級消能坎/(m/s)分流墩/(m/s)15005.537.9728007.408.7541006.157.34

2.7T字墩+消力池消能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果

雖然二級消能坎已能較為圓滿地解決泄流消能問題，但二級消能坎的工程難度大、造價(jià)高，因此這一方案從經(jīng)濟(jì)角度看仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此，通過消能方案優(yōu)化來縮短消力池的長度和深度、降低工程難度和造價(jià)具有重要價(jià)值[7]。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在消力池內(nèi)增設(shè)消力墩具有較好的消能效果，且T字墩消力池的消能結(jié)構(gòu)效果更佳，因而在研究中采用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行壩下消能，同時(shí)將消力池縮短到長25m、深3m(消能墩位于池尾的結(jié)構(gòu)見圖7)。T字墩分別位于消力池不同位置時(shí)的流速分布對比結(jié)果見表4和圖8。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：?當(dāng)T字墩位于消力池尾部時(shí)流速分布更均勻；?當(dāng)T字墩位于池尾時(shí)出池流速明顯降低；?T字墩在不同位置下，水躍頂點(diǎn)的水位相差不大；?從三種擺放位置下的綜合消能系數(shù)對比來看，尾部最高。因此，柳樹溝電站消能應(yīng)用中，T字墩位于池尾時(shí)能得到最佳的消能效果。

圖7　消能墩位于池尾的結(jié)構(gòu)示意圖

T字墩位置出池流速/(m/s)海漫15m處流速/(m/s)海漫尾部流速/(m/s)池首11.177.2312.73池中9.846.7713.40池尾6.965.4912.41

3結(jié)語

a.柳樹溝電站模型試驗(yàn)表明：只對原設(shè)計(jì)中的消能方案進(jìn)行簡單的優(yōu)化并不能取得良好的消能效果，因此需要在原方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增設(shè)消能建筑物才能達(dá)到加強(qiáng)消能效果的目的。

b.對不同位置T字墩消能效果的分析表明：T字墩設(shè)在池尾可以取得更好的消能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]羅羚源，袁觀棟.烏龍水庫電站消能結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究[J].吉林水利，2010(11):10-13.

[2]崔金秀，王偉建，孫娟娟.堵河小漩水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)[J].人民長江，2014(16):69-72.

[3]許光祥，崔予達(dá)，楊忠超.復(fù)式消力池在山區(qū)小水電中的應(yīng)用研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007(2):88-92,87.

[4]杜俊慧，姜伯樂，李國勇，王成.泄洪消能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].人民長江，2008(4):31-33,96.

[5]胡清義，廖仁強(qiáng)，郭艷陽，周赤.烏東德水電站泄洪消能設(shè)計(jì)研究[J].人民長江，2014(20):21-23.

[6]劉璐，張建民，余飛，張法星.重力壩下游寬尾墩和消力池聯(lián)合消能工水力特性試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012(2):49-55.

[7]楊光偉.官地水電站泄洪消能研究及布置設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì)，2013(2):1-4,14.