張苾萃，潘江洋，曾少岳，苗寶廣，張永濤，戴曉兵，顧 莉

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 研究背景

高低跌坎式新型消能工首次應(yīng)用于向家壩水電站[1]。向家壩水電站樞紐由擋水建筑物、泄洪排沙建筑物、通航建筑物、左岸壩后廠房、泄水建筑物和右岸地下廠房等組成。電站最大壩高162 m，正常蓄水位380.00 m，汛期限制水位370.00 m。最大泄量48 680 m3/s，最大泄洪功率達40 000 MW。電站泄洪水頭高，單寬流量大，表孔最大單寬流量296.24 m3/(s·m)，中孔最大單寬流量達343.34 m3/(s·m)。消力池入池流速約40 m/s，單寬流量225 m3/(s·m)。電站下游河床覆蓋層深厚，右岸下游緊鄰生活區(qū)以及天然氣化工廠，左岸下游緊鄰升船機。因此，電站泄洪消能工必須滿足高水頭大單寬流量泄洪安全，消能效果優(yōu)，霧化程度低，泄洪尾水流態(tài)平穩(wěn)、流速小。采用傳統(tǒng)的挑流消能、底流消能和面流消能均不合適，經(jīng)過多家機構(gòu)研究、比較和論證，最終決定采用高低跌坎式消力池進行消能。其泄水壩段由兩個消力池分隔成兩部分，每個消力池池寬均為108 m，各由5個中孔和6個表孔間隔布置而成，中孔進口高程305.00 m，出口高程253.00 m，等寬布置，弧門尺寸6 m×11.24 m；表孔堰頂高程354.00 m，出口高程261.00 m，中間4孔出口對稱收縮成6 m，邊孔僅內(nèi)側(cè)收縮，收縮坡比1∶20，弧門尺寸8 m×26 m，如圖1所示[1]。

圖1 向家壩水電站中孔、表孔剖面布置(單位：m)

向家壩水電站泄洪消能研究成果表明，新型消能工使高速水流以雙層多股的方式進入消力池水體中部，形成水平淹沒射流，各股水流紊動摻混劇烈，消能效果好；高速水流的主流脫離消力池底部，臨底流速大幅度降低；出池水流平順，泄洪霧化影響范圍顯著減??；下游河床沖刷輕微[2-7]。但向家壩水電站泄洪孔口多達22個，入池水流擴散空間大，平面流態(tài)穩(wěn)定性與泄洪孔口布置格局、閘門開啟方式、單孔泄量等均有關(guān)系，影響因素多，情況極為復(fù)雜，且無運行先例，故特對閘門開啟方式進行了系統(tǒng)研究，了解閘門不同開啟方式下消力池的水力特性，制定合適的閘門調(diào)度方式，為電站科學(xué)運行提供技術(shù)支持，也為該新型消能工的應(yīng)用積累經(jīng)驗。

2 研究思路

依托向家壩工程，利用1∶100水工整體模型，對庫水位354、370 m和380 m下，中孔單獨開啟、表孔單獨開啟、中表孔聯(lián)合開啟，孔口開度從2 m到全開的各種運行組合進行了系統(tǒng)研究。

初期擬定調(diào)度原則：①先發(fā)電后棄水，即電站可發(fā)電的機組滿發(fā)后才泄洪。②考慮中孔閘門運行水頭高，啟閉檢修不方便，正常運行期中孔閘門只允許全開運行；蓄水初期只有中孔可運行，考慮通航非恒定流控制的要求，允許中孔局部開啟運行。③考慮表孔可以局部開啟，運行方便，擬定先表孔后中孔運行。④閘門孔口多，運行調(diào)度極為復(fù)雜，為簡化運行調(diào)度，閘門原則上對稱均勻開啟。⑤左池出流較平順，利于下游通航，故采取先左池后右池運行。⑥小流量運行時，底板荷載較小，故重點關(guān)注消力池導(dǎo)墻安全和下游通航條件，即控制流態(tài)、出池流速和水面波動。⑦閘門分序分級開啟，控制下游水位小時變幅。⑧向家壩電站每年行洪時間長達3個月以上，泄水建筑物運行頻繁，故應(yīng)力求簡化調(diào)度，減少閘門啟閉次數(shù)。

因此，針對左池表孔單獨均勻?qū)ΨQ開啟，研究表孔不同開啟組合下運行時合適的開度區(qū)間。再根據(jù)水力學(xué)指標(biāo)確定何時啟用右池表孔和左右池中孔。研究表孔單獨運行和表中孔聯(lián)合運行的閘門調(diào)度方式。

3 研究成果

3.1 基于泄洪安全的閘門調(diào)度方式研究

3.1.1水力指標(biāo)

高低跌坎式消力池，雙層多股水流分散射入消力池水體中，主流與周圍水體相互剪切摩擦，形成復(fù)雜的三元水躍流態(tài)。流態(tài)與泄量和主流的淹沒度密切相關(guān)，其平面穩(wěn)定性與主流的擴散空間和淹沒度有關(guān)，閘門的開啟方式直接影響消力池的各項水力學(xué)指標(biāo)。流態(tài)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到其他水力學(xué)指標(biāo)，是決定消力池結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)。臨底流速是決定消力池底板安全的重要指標(biāo)。消力池尾坎水面波動影響下游通航。出池流速的大小影響下游河道沖刷、通航以及江岸穩(wěn)定。

流態(tài)試驗成果顯示，表孔單獨泄流，從側(cè)面看，隨著泄量增大，流態(tài)從自由射流過渡到淹沒射流。單池部分孔口開啟時，為自由射流(主流在表面)；6個表孔全開，消力池流態(tài)為半潛射流(池首部分主流出露)；雙池所有表孔均勻開啟，單孔泄量1 300 m3/s以上時才為淹沒射流。中孔單獨泄流和表中孔聯(lián)合泄流，消力池流態(tài)為淹沒射流。從平面上看，單池內(nèi)2孔對稱運行，單孔泄量在700 m3/s以下時，流態(tài)較穩(wěn)定，兩個間距最大的泄流孔之間形成平面弱回流，尾坎流速和水面波動均較??；單孔泄量大于700 m3/s時，主流行程逐漸增長，并逐漸沖擊尾坎，回流增強，尾坎流速和水面波動逐漸增大，指標(biāo)不理想，其中，③④孔開啟時流態(tài)搖擺不定，直至沖擊尾坎后才穩(wěn)定地偏向一側(cè)。單池4孔對稱運行，單孔泄量在500 m3/s以下時，流態(tài)相對穩(wěn)定，中間2～4孔開啟運行，擴散空間較大時，主流間歇性擺動，尾坎流速和水面波動均較?。粏慰仔沽看笥?00 m3/s時，主流逐漸沖擊尾坎，流態(tài)搖擺頻率加快，尾坎流速和水面波動逐漸增大，指標(biāo)不理想。中間4孔運行時，適當(dāng)增大②⑤孔泄量可增加流態(tài)的穩(wěn)定性，但泄量差應(yīng)小于50%。單池6個表孔開啟運行時，流態(tài)穩(wěn)定，但單孔泄量大于1 000 m3/s時，尾坎水面波動超過3 m。6孔運行，兩邊孔單孔泄量與中間4孔不同時，邊孔與中間單孔的泄量差應(yīng)小于50%。

中孔單獨運行，單孔泄量小于350 m3/s時，1～2孔對稱開啟流態(tài)均穩(wěn)定。單池內(nèi)3孔間隔對稱均勻開啟和4孔對稱開啟流態(tài)穩(wěn)定。5孔對稱開啟，單孔泄量在700 m3/s以下時，閘門均勻開啟消力池流態(tài)對稱穩(wěn)定；單孔泄量大于700 m3/s時，閘門均勻開啟消力池流態(tài)不穩(wěn)定，兩邊孔泄量大于相鄰中間孔，有利于消力池流態(tài)穩(wěn)定。

中、表孔聯(lián)合泄流，下泄中小流量時消力池內(nèi)形成淹沒射流。單池內(nèi)所有表孔與部分或全部中孔聯(lián)合運行，或單池內(nèi)所有中孔與邊表孔或者全部表孔聯(lián)合運行，流態(tài)穩(wěn)定。

試驗成果顯示，表孔單獨運行，流態(tài)穩(wěn)定的工況，臨底流速最大僅為7.74 m/s，出池流速最大7.93 m/s，消力池尾坎最大水面波動3.10 m。中孔單獨運行時，臨底流速最大為12.54 m/s，出池流速最大為6.69 m/s，消力池尾坎水面波動最大為4.10 m。中、表孔聯(lián)合運行時，臨底流速最大為14.23 m/s，出池流速最大為6.64 m/s，消力池尾坎水面波動最大為4.80 m。表孔單獨運行指標(biāo)較優(yōu)。

3.1.2閘門調(diào)度方式

根據(jù)試驗成果，結(jié)合調(diào)度原則，考慮減小閘門啟閉次數(shù)，兼顧下游通航，初擬庫水位370～380 m時閘門運行方式為：小流量泄洪時，先對稱均勻開啟左池表孔運行。2個表孔運行時，單孔泄量不大于700 m3/s；4個表孔開啟運行時，單孔泄量宜不大于500 m3/s，中間4個表孔開啟時， ②⑤孔泄量可適當(dāng)增大到700 m3/s；6孔均勻開啟，單池運行時單孔泄量不宜大于1 000 m3/s。單孔泄量大于1 000 m3/s時，開啟右池表孔泄流。表孔全開后，中孔再參與運行。閘門開啟順序為：依次分批開啟②⑤表孔、③④表孔、①⑥表孔、⑧表孔、⑨⑩表孔、⑦表孔、③中孔、①⑤中孔、②④中孔、⑧中孔、⑥⑩中孔、⑦⑨中孔，其中，閘孔編號從左到右遞增。閘門關(guān)閉的順序相反。

蓄水初期庫水位354.00 m，只能由中孔單獨對稱均勻開啟運行，依次分批開啟③中孔、①⑤中孔、⑥⑩中孔、⑧中孔、②④中孔、⑦⑨中孔。部分閘孔開啟運行時，單孔泄量不超過300 m3/s。當(dāng)中孔全開泄流，庫水位超過354.00 m時，表孔參與敞泄。

3.1.3實施效果

向家壩水電站于2012年10月下閘蓄水，隨后中孔開閘泄洪，原型觀測成果顯示，各項水力學(xué)參數(shù)與模型試驗成果相似，抽水檢查發(fā)現(xiàn)消力池完好，僅有局部磨損，表明新型消能工消能效果良好，泄洪安全，閘門運行方式是合適的。

3.2 兼顧減振要求的閘門調(diào)度方式研究

3.2.1振動與泄洪的關(guān)系

電站下閘蓄水初期，中孔開閘泄洪后，水富縣城局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)有門窗振動現(xiàn)象，育才路5棟7樓振動最大，最大加速度峰值0.030 4g。泄洪引發(fā)的場地振動一直存在，因其他工程多遠離生活區(qū)，故未引起人們關(guān)注。發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象后，多家院校和機構(gòu)立即開展研究，成果顯示，振動與泄洪有關(guān)，相同下泄流量泄水孔口調(diào)度方式對振動大小影響較大。

為探明振動與泄洪之間存在的關(guān)系，2013年～2015年進行了原型閘門調(diào)度試驗和運行監(jiān)測，成果[8]顯示：①振動量與孔口下泄流量正相關(guān)。②多孔、小開度、表孔中孔聯(lián)合泄洪可有效減小振動，最優(yōu)減振調(diào)度方式為，當(dāng)Q孔≤1 500 m3/s時，單池中孔運行；1 500 m3/s3 500 m3/s時，雙池中、表孔聯(lián)合運行。③中、表孔聯(lián)合運行，當(dāng)單池Q孔≤5 000 m3/s、雙池Q孔≤9 000 m3/s且單孔泄量不大于500 m3/s時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值可控在0.01g以下。④左池5個中孔和6個表孔聯(lián)合運行，單池泄量不大于5 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在0.5～1.5之間時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值基本可控制在0.008g以下；單池泄量5 000～6 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在1.0～2.8之間時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值基本可控制在0.01g以下。

3.2.2閘門調(diào)度方式優(yōu)化

根據(jù)原型觀測成果，結(jié)合減振要求，對閘門調(diào)度方式進行優(yōu)化：①中孔改為可以局部開啟；②提前開啟中孔與表孔聯(lián)合運行；③提前從單池運行過渡到雙池運行；④盡量使表、中孔泄量均衡和左右池泄量均衡。

同時考慮閘門操作方便性和運行可靠性，調(diào)整閘門調(diào)度方式為：Q孔≤1 500 m3/s時，左池表孔運行；Q孔=1 500～4 500 m3/s時，左池中、表孔聯(lián)合運行；Q孔>4 500 m3/s時，雙池中、表孔聯(lián)合運行。

3.2.3運行結(jié)果

(1)中、表孔聯(lián)合泄流消力池流態(tài)穩(wěn)定。

(2)左消力池底板臨底最大順?biāo)鞣较蛄魉?.7 m/s，最大逆水流方向流速8.8 m/s。尾坎坎頂平均流速8.8 m/s。

(3)消力池底板壓強基本服從靜壓分布。

(4)消力池導(dǎo)墻、底板及壩面中隔墻的低頻振動位移很小，均處于正常運行狀態(tài)。

(5)2014年～2018年正常泄洪工況下水富縣最大振動加速度峰值基本控制在0.015g以下；僅在孔口流量為4 700～5 100 m3/s時，由左池6個表孔均開5 m、5個中孔均開3 m運行，轉(zhuǎn)到增加右池⑧表孔均開2 m運行時振動較大，最大加速度峰值0.016 2g。進一步減小左池單獨運行的泄量至4 000 m3/s，并增加右池表孔起始開啟孔數(shù)到4孔，即均衡兩池的下泄流量，之后未見振動加速度超過0.015g，為人體無感的振動。原型監(jiān)測表明，工程運行至今，振動對房屋結(jié)構(gòu)安全和人體舒適性的影響均在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。

4 結(jié) 語

通過對向家壩電站泄水建筑物閘門運行方式的不斷深化研究，將雙層多股水平射流新型消能工最優(yōu)運行方式概括為如下12個字：對稱均勻、先表后中、分散均衡。對稱均勻即閘門應(yīng)對稱均勻開啟；先表后中是考慮便于閘門啟閉和減小消力池底板荷載；分散指多層多孔小開度分散泄流，即水流分多層多股均勻分散進入消力池水體，減小單孔泄量，增加與周圍水體的剪切摻混，提高消能率；均衡是指中孔表孔均衡泄流和左池右池均衡泄流，中孔和表孔均衡泄流，使各股主流能量相當(dāng)，以保持主流穩(wěn)定，雙池均衡泄流，泄洪能量由左右消力池均衡分擔(dān)，降低單個消力池底板的荷載極值，提高消力池運行的安全度。

場地振動與泄洪消能孔口調(diào)度方式相關(guān)，消力池流態(tài)越平穩(wěn)，邊壁荷載越小，消能越充分，下游場地振動也越小。