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        雙江口水電站洞式溢洪道體型選擇研究

        2021-06-30 10:03:44索慧敏周正軍張建民
        水電站設(shè)計(jì) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:溢洪道模型試驗(yàn)體型

        索慧敏,周正軍,何 蘭,張建民

        (1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072;2.四川大學(xué),四川 成都 610065)

        0 前 言

        溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施,溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否,直接影響到水庫運(yùn)行安全。盡管溢洪道設(shè)計(jì)理論和方法在不斷提升,但考慮到溢洪道邊界的復(fù)雜性,結(jié)合模型試驗(yàn)開展溢洪道的水力特性研究具有重要意義。通過溢洪道過流能力、水面線、流速分布和消能等能為溢洪道體型設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)[1]。

        1 工程概況

        雙江口水電站采用大壩、首部地下引水發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)方式。水庫正常蓄水位2 500 m,校核洪水位2 504.42 m,死水位2 420 m。水庫總庫容約28.97億m3,消落深度80 m,調(diào)節(jié)庫容19.17億m3,具有年調(diào)節(jié)能力。

        洞式溢洪道布置于樞紐右岸靠山側(cè)(見圖1),由進(jìn)口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成,等寬布置,寬度16 m,總長度約2 172 m。其中,進(jìn)口閘室長40 m,無壓洞段長1 776 m,明槽段長294 m,出口挑流鼻坎段長62 m(見圖2)。溢洪道最大設(shè)計(jì)泄流流量4 138 m3/s。

        從當(dāng)前國內(nèi)外大型溢洪道的建設(shè)水平來看,雙江口水電站洞式溢洪道泄洪規(guī)模較大,屬高規(guī)格大型溢洪道,溢洪道在電站的安全運(yùn)行中占有主要地位,開展溢洪道體型研究十分必要。 本文結(jié)合溢洪道體型布置的基本方案,基于模型試驗(yàn)成果選擇洞式溢洪道適宜的體型以滿足設(shè)計(jì)要求。

        2 進(jìn)口段體型

        在選擇進(jìn)水渠進(jìn)口形式時(shí),為減小局部水頭損失,針對不同的地形,可選用不同的形式(如喇叭形、直線形、扭曲面形等)以改善進(jìn)流條件[2]。結(jié)合雙江口地形條件并參考類似工程經(jīng)驗(yàn),雙江口溢洪道引渠導(dǎo)墻初擬布置方案為規(guī)則的對稱貼坡漸擴(kuò)型。在這種結(jié)構(gòu)體型下,模型試驗(yàn)表明,雖然引渠段水流流態(tài)較平穩(wěn),但閘室內(nèi)的水流流態(tài)較差,特別在閘室兩側(cè)門槽上下游處分別產(chǎn)生兩個(gè)水流分離區(qū),會對溢洪道的過流產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,在保證進(jìn)口流態(tài)穩(wěn)定且儲備一定的超泄能力的條件下,為使得進(jìn)口段水流過渡更加平緩,在初擬方案的基礎(chǔ)上,上游引渠段導(dǎo)墻盡量采用喇叭口型式并適當(dāng)加長導(dǎo)墻,避免流線過度彎曲。進(jìn)口引渠段導(dǎo)墻調(diào)整為橢圓直墻喇叭口后,模型試驗(yàn)反映各級流量引渠內(nèi)水流更為平穩(wěn),進(jìn)水閘室內(nèi)無分離區(qū)出現(xiàn)。

        為保證雙江口洞式溢洪道的泄流能力,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和多方案試驗(yàn)論證,洞式溢洪道進(jìn)口采用開敞式WES型實(shí)用堰,上游堰高8 m,下游堰高10 m??刂崎l設(shè)1孔16 m×22 m(寬×高)孔口(堰體剖面見圖3)。在進(jìn)口體型下,各泄流工況泄流均能滿足設(shè)計(jì)要求,校核工況泄流量較計(jì)算值偏大約1%。敞泄時(shí),溢流面頭部的壓強(qiáng)較小,中段壓強(qiáng)最大;局部開啟時(shí),由于行進(jìn)流速較大,溢流面頭部壓強(qiáng)有所增大,在弧門附近壓強(qiáng)較小,其中在弧門開度為2.25 m時(shí),堰面壓強(qiáng)只有0.21 m,而后迅速增大至敞泄量級;脈動壓強(qiáng)的最大值為0.77 m,出現(xiàn)在校核洪水工況下的溢流面反弧段;其他工況下脈動壓強(qiáng)平均為0.2 m左右。從整體上看,溢流面上水流壓力變化較為平順,脈動值較小,在小開度下未出現(xiàn)負(fù)壓,進(jìn)口設(shè)計(jì)基本合理。

        圖3 進(jìn)口剖面示意

        3 無壓洞段體型

        參考類似工程經(jīng)驗(yàn)并通過初步計(jì)算,設(shè)計(jì)中無壓洞洞身斷面采用城門洞型,斷面尺寸由進(jìn)口16 m×24 m(寬×高)漸變到出口16 m×20 m(寬×高),拱半徑8.9 m,中心角130.76°,頂拱高5.0 m。水力學(xué)模型試驗(yàn)表明,當(dāng)?shù)灼露萯=0.012時(shí),上平段水面略微雍水,而當(dāng)坡度調(diào)整為i=0.015時(shí),校核庫水位對應(yīng)的上平段末端水深實(shí)測值為12.0 m。根據(jù)計(jì)算所得的水流速度為22 m/s,洞頂余幅為27.9%,此時(shí)溢洪道上平段斷面尺寸合理,滿足設(shè)計(jì)要求??紤]洞內(nèi)流速不高及洞頂余幅較大,無壓洞段不考慮摻氣及補(bǔ)氣措施。

        4 明槽及挑流段體型

        4.1 明槽段

        初步設(shè)計(jì)中,明槽段斷面為矩形且槽寬16 m,其底坡由兩段組成,前段底坡為0.015,后段底坡為0.462。模型試驗(yàn)表明,陡坡段前段水深較大,沿程水流流態(tài)平穩(wěn),但槽段最大流速接近50 m/s,水流空化數(shù)小于0.30,根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[3],陡槽段需設(shè)置摻氣設(shè)施?;诖?,工程人員設(shè)計(jì)研究了2道摻氣坎方案和3道摻氣坎方案:摻氣坎間距為75 m,第1道布置于陡緩坡交界處,采用跌坎式,跌坎高度1.5 m;第2道和第3道采用坎槽式,挑坎高度0.4 m、槽深1.4 m,每道摻氣槽均在兩側(cè)布置通氣孔,通氣孔面積3.97 m2。

        模型試驗(yàn)表明,當(dāng)泄洪流量大于2 000 m3/s時(shí),2道摻氣坎均能正常工作,摻氣空腔穩(wěn)定,無回水現(xiàn)象出現(xiàn)。閘門局開流量為1 000 m3/s時(shí),第1道摻氣坎內(nèi)出現(xiàn)局部回水,但摻氣空腔仍然保持穩(wěn)定;當(dāng)流量為600 m3/s時(shí),由于流速降低,第1道摻氣坎基本失效。模型試驗(yàn)中,摻氣濃度最小維持在2.5%左右,由于摻氣濃度相似影響,原型值通常大于模型值。當(dāng)原型的摻氣濃度大于3%時(shí),預(yù)計(jì)可以滿足摻氣減蝕要求,而對應(yīng)通氣孔最大風(fēng)速為21 m/s,通氣孔面積也滿足要求。

        由不同流量的試驗(yàn)結(jié)果可知,大流量時(shí)第1道坎摻氣較為充分,第2道坎摻氣量只有第1道的一半左右。隨著流量減小,摻氣起始位置下移,第1道坎摻氣效能下降,第2道坎摻氣量有所增大,第3道摻氣坎的工作效率最高。鑒于溢洪道運(yùn)行流量變化范圍較大,為保證在小流量下陡槽段的摻氣減蝕效果,在實(shí)際體型設(shè)計(jì)中設(shè)置了3道摻氣坎。

        4.2 挑流段

        雙江口洞式溢洪道軸線與下游河道大角度相交,當(dāng)夾角約為50°時(shí),不利于挑流水舌沿河道方向擴(kuò)散,亦不利于下游水流平順銜接歸槽,且易形成回流。此外,溢洪道上下游存在240 m的高水頭差,為了防止泄槽流速過高,溢洪道在布置上不得不抬高出口高程,使得在小流量情況水流下出現(xiàn)砸本岸和開挖量大的問題。

        在初步設(shè)計(jì)中,洞式溢洪道出口體型為非對稱擴(kuò)散平切體型,寬度由16 m擴(kuò)寬至25 m(見圖4),下游河道基于水墊塘的設(shè)計(jì)思路,采用大擴(kuò)挖及深挖方案。模型試驗(yàn)反映,出口為平切體型時(shí),挑射水舌入水點(diǎn)的縱向變幅范圍過大,水舌從河床中央下潛頂沖對岸導(dǎo)致對岸沖刷嚴(yán)重,水體空中擴(kuò)散不充分但均勻,岸邊流速過大且存在回流,仍具有小流量起挑困難及砸本岸問題。此外,下游河床采用大擴(kuò)挖及深挖方案,對下游消能未起到應(yīng)有的效果。

        圖4 初擬出口平面布置

        針對初擬方案存在的缺陷,按如下思路對出口體型進(jìn)行調(diào)整:挑坎高程距河床超過100 m時(shí),采用小角度、零角度或負(fù)角度挑角,減小入水水舌縱向變幅范圍;加大挑坎擴(kuò)散角使水流擴(kuò)散更加充分,減輕對下游河道沖刷;為適應(yīng)河道與溢洪道軸線的大角度幾何關(guān)系,盡量使水流落點(diǎn)沿河方向展開,順應(yīng)地形挑坎出口可考慮斜切出口。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整,最終推薦挑坎體型為斜切鼻坎型式,兩側(cè)邊墻非對稱擴(kuò)散,左側(cè)邊墻擴(kuò)散半徑為350 m,右側(cè)邊墻采用圓弧接直切線擴(kuò)散方式,圓弧半徑為350 m,在泄槽末端后設(shè)挑流反弧段,反弧半徑為100 m,挑角為-4.781°~0°;適當(dāng)減小下游兩岸擴(kuò)挖范圍,對挑坎以下邊坡及對岸進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)挖,并與下游河岸平順相接。推薦挑坎體型結(jié)構(gòu)平面布置見圖5。

        圖5 推薦挑坎體型結(jié)構(gòu)平面布置

        模型試驗(yàn)驗(yàn)證表明,在推薦挑坎體型下水流空中擴(kuò)散及消能充分,水舌落點(diǎn)基本沿河方向散開,入水單寬流量小于50 m3/s;在校核洪水工況下,挑坎水舌挑距約為160~200 m,水舌入水角約為65°,主水舌落在靠近河中偏本岸側(cè),減輕對對岸的直接沖刷,本岸未出現(xiàn)回流;右側(cè)增加小貼角,解決了Q為500 m3/s時(shí)主流基本不砸本岸的問題,雖有局部散濺水點(diǎn),但可通過混凝土護(hù)面解決。

        在推薦挑坎體型下,左岸最大流速約5.3 m/s,右岸最大流速約6.09 m/s。 從河床沖刷形態(tài)來看,消能洪水工況下,在本岸溢洪道軸線下游約150 m處形成一堆丘,其他范圍總體上表現(xiàn)為沖刷形態(tài);河床中部沖坑最低點(diǎn)發(fā)生在溢洪道軸線上游約55 m處,相對沖深約20 m;對岸沖坑最低點(diǎn)發(fā)生在溢洪道軸線下游約25 m處,相對沖深約10 m;沖刷主要涉及覆蓋層。從下游沖刷和岸邊流速分布結(jié)果看,優(yōu)化后的下游河道擴(kuò)挖可行,雖然沖坑較深,但沖坑落在覆蓋層,對基巖影響不大。岸邊流速及下游沖刷形態(tài)見圖6~7。

        圖6 推薦挑坎體型下游岸邊流速分布

        圖7 推薦挑坎體型下游沖刷形態(tài)(單位:m)

        5 結(jié) 語

        本文結(jié)合雙江口洞式溢洪道的布置特點(diǎn)和條件,結(jié)合水力學(xué)模型試驗(yàn)部分主要成果,對溢洪道體型選擇進(jìn)行了探討,得到相關(guān)結(jié)論及如下建議:

        (1)保證進(jìn)口流態(tài)穩(wěn)定且儲備一定的超泄能力的條件下,為使得進(jìn)口段水流過渡更加平緩,溢洪道上游引渠段導(dǎo)墻宜盡量采用喇叭口型式并適當(dāng)加長導(dǎo)墻,避免流線過度彎曲;進(jìn)口采用開敞式WES型實(shí)用堰,上游堰高8 m,下游堰高10 m。

        (2)為保證洞頂設(shè)計(jì)余幅,當(dāng)無壓洞段底坡坡度調(diào)整為0.015時(shí),無壓洞段不考慮摻氣及補(bǔ)氣措施。

        (3)鑒于溢洪道運(yùn)行流量變化范圍較大,為保證在小流量下陡槽段的摻氣減蝕效果,實(shí)際體型設(shè)計(jì)中宜設(shè)置3道摻氣坎;為更好適應(yīng)地形布置和挑流消能,最終推薦挑坎體型為斜切鼻坎型式。

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