紀(jì)志強(qiáng),王國杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

1 概 述

長塘水電站工程位于貴州省黔西縣境內(nèi)野紀(jì)河上,是以發(fā)電為主,兼顧防洪、灌溉等綜合效益的Ⅲ等中型水利水電工程。壩址處控制流域面積1 737 km2,多年平均流量為25.6 m3/s,水庫具有周調(diào)節(jié)能力。水庫正常蓄水位為905.00 m,死水位895.00 m?？値烊轂?788×104m3,電站總裝機(jī)容量30 MW,工程按50 a一遇洪水設(shè)計(jì),500 a一遇洪水校核,相應(yīng)泄洪流量分別為2 082 m3/s和2 854 m3/s。

長塘水電站壩后河床主要分布T1y2-1-1(巖性薄層、中厚層灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r條帶)、T1y1(泥頁巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層)和P2c+d(中厚層、厚層含燧石團(tuán)塊灰?guī)r)地層,巖體中結(jié)構(gòu)面主要層面,裂隙、斷層不發(fā)育,巖層傾向上游,巖體弱風(fēng)化深度一般5 m～8 m。

工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拋物線拱壩、壩頂泄洪表孔(3孔)、泄洪中孔(1孔)、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠房組成。最大壩高88m,壩頂高程908.00 m,壩頂寬6 m,壩底厚17m。各表孔孔口沿拱壩中心線為軸徑對(duì)稱布置,中孔位于表孔左側(cè),在拱壩下游設(shè)置有長25 m、寬約40m的混凝土護(hù)坦,見圖1。

長塘水電站3個(gè)溢流表孔,壩頂高程897.00 m,每孔凈寬11.5 m,總過水寬度34.5 m,溢流堰面曲線為WES曲線,曲線方程為 y=0.08537752x1.85,后接反弧段,反弧半徑 8 m,挑角10°。采用挑流鼻坎消能。泄洪中孔進(jìn)口為喇叭口,進(jìn)口至工作閘門之間為有壓流,工作閘門后為明流,底板高程為852.00 m,進(jìn)口孔口尺寸4m×6 m(寬×高),出口孔口尺寸4 m×5 m(寬×高),采用窄縫挑流消能(窄縫收縮比β=0.5)。

圖1 樞紐布置

2 原方案泄洪消能存在的問題

長塘水電站采用碾壓混凝土雙曲拱壩壩型,以及壩身孔口泄洪,具有布置簡單、工程量小、造價(jià)低、工期短等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在以下幾個(gè)方面的問題:①拱壩下泄水流在向心力的作用下匯交水流落點(diǎn)相對(duì)集中,給消能防沖帶來困難。②拱壩壩體薄,溢流表孔落差小,水舌挑距近。在500 a一遇校核洪水時(shí)(庫水位907.16 m),造成護(hù)坦末端深達(dá)2.5 m的掏刷,危及壩基的安全。③拱壩中心偏于右岸,500 a一遇校核洪水時(shí),右表孔跌落水舌沖砸右岸邊坡,右岸邊沖刷坑深度較大,直接威脅右岸山坡的穩(wěn)定。

3 泄洪消能布置方案修改與優(yōu)化

3.1 表孔體型優(yōu)化

表孔泄流時(shí),由于受拱壩壩型特點(diǎn)的影響,存在著水流向心集中現(xiàn)象,能量集中以及下游河道狹窄,是造成下游河道沖刷較深的主要因素,一般情況下,表孔消能體型,多采用擴(kuò)散式和收縮式兩種體型[1,2],結(jié)合本工程特點(diǎn),宜采用擴(kuò)散式體型,經(jīng)多種方案研究比較,采用在表孔末端設(shè)置錐形體消能工[3,4]方案來優(yōu)化研究。

3.1.1 修改方案Ⅰ(中表孔設(shè)錐形體方案)

修改方案(Ⅰ)是在中表孔末端設(shè)置錐形體消能工,錐形體正面寬度7.5 m,正面中間高度2.0 m,縱向軸長5.0 m,其目的是利用錐形體橫向擴(kuò)散水流,分散單位面積上的流量,減小下游沖刷。試驗(yàn)表明,中表孔錐形體起到了較好的水流擴(kuò)散作用,但左、右表孔向心集中作用依然存在。

3.1.2 修改方案Ⅱ(3表孔設(shè)錐形體方案)

修改方案Ⅱ是在3個(gè)表孔末端都設(shè)置錐形體(體形同方案Ⅰ),試驗(yàn)表明,3個(gè)表孔均可形成橫向擴(kuò)散水流,左、右表孔錐形體對(duì)水流的擴(kuò)散作用,有效的克服了左、右表孔向心集中的影響。下游河道沖刷狀況有一定改善。

3.1.3 修改方案Ⅲ(中表孔錐形體上移方案)

根據(jù)前兩個(gè)修改方案所取得的試驗(yàn)成果,進(jìn)行了中表孔錐形體下延(1.0 m)和上移(1.0 m)、以及不同錐形體高度的組合對(duì)比研究,目的是控制挑流水舌落點(diǎn),使3個(gè)表孔橫向擴(kuò)散水流前后拉開,分層泄流,盡可能分散水流能量,達(dá)到減小下游河道沖刷的目的。經(jīng)多種組合比較,選擇3個(gè)表孔錐形體消能工體型一致,及錐形體正面寬8.5 m,正面中間高度2.5 m,縱軸長5.0 m。左、右表孔錐形體消能工在表孔末端,中表孔錐形體消能工由表孔末端向上移1.0 m方案作為推薦方案[5～7]。表孔優(yōu)化推薦方案消能工體型圖詳見圖2。

3.2 表孔折流器體型優(yōu)化

對(duì)于右表孔500 a一遇校核洪水位時(shí)(庫水位907.16 m),水流沖砸岸坡現(xiàn)象,經(jīng)過比較,在右表孔右邊墻上設(shè)置了折流器(導(dǎo)向角 θ=10.224°,折流器寬 b=1.35 m),試驗(yàn)表明,加設(shè)折流器后解決了右表孔下泄水流在校核洪水位沖砸岸坡的問題。

3.3 泄洪中孔體型優(yōu)化

泄洪中孔存在的問題是明流段水流沖擊工作弧門門鉸支承橫梁,危及弧門安全。原方案中孔設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)分析認(rèn)為,造成水流沖擊工作弧門門鉸支承橫梁與無壓明流段較短、窄縫收縮鼻坎抬高水深以及門鉸高程設(shè)置偏低、窄縫收縮相對(duì)長度(一般取為宜)[8]偏短有關(guān)。經(jīng)研究比較,中孔體型,采用將無壓明渠段加長2.294 m,門鉸升高1.732 m,收縮長度由2.5 m延長至3.0 m,相對(duì)收縮比改為L/B=0.75,俯泄槽末端高程降低1.146 m的優(yōu)化方案。試驗(yàn)表明,在修改優(yōu)化體型下,解決了泄洪中孔存在的問題。

圖2 推薦方案表孔體型圖

4 推薦方案水舌形態(tài)及消能防沖

表孔采用優(yōu)化推薦錐形體消能工后,下泄水流在各特征洪水工況下,3個(gè)表孔均可形成擴(kuò)散水流,并使左、右表孔下泄水流在前,中表孔下泄水流在后,達(dá)到了控制水舌落點(diǎn),分散水流能量的目的。左表孔設(shè)置錐形體消能工后,向左側(cè)橫向擴(kuò)散水流和中孔水舌相碰撞,消耗了部分水流能量,有效的克服了表孔向心集中影響,使下泄水流落點(diǎn)分布較為合理,減輕了下游河道的沖刷。

右表孔右邊墻加設(shè)折流器后,將下泄水流導(dǎo)入河槽,解決了右表孔下泄水流沖砸岸坡的問題。

泄洪中孔在修改體型下,明流段流態(tài)較好,工作弧門支鉸升高至859.5 m高程后,在500 a一遇校核洪水位運(yùn)行時(shí)支鉸處水面有2.8左右的富裕度。挑流水舌光滑,窄縫消能工適應(yīng)于全開和局開各種運(yùn)行工況。

在30 a一遇(消能防沖)洪水(庫水位905.00 m)左、右表孔+中孔聯(lián)合泄洪時(shí),溢流表孔水舌挑距左、中、右分別為53 m、51 m和50 m,入水寬度約43.2 m,相應(yīng)其下游河道最大沖刷深度為8.0 m,左岸邊沖深為3.0 m,右岸邊沖深僅為1.0 m。在500 a一遇校核洪水(庫水位907.16 m)表孔+中孔聯(lián)合泄洪時(shí),表孔水舌挑距,左、中、右分別為50 m、48 m和45 m,入水寬度約46.2 m,相應(yīng)其下游河道最大沖深為12.5 m,較無錐形體時(shí)減淺20%左右,由于水舌挑距加長,護(hù)坦末端無掏刷現(xiàn)象,并有5 m左右的不沖不淤段,壩基的安全得到了有效的保護(hù)。

右岸邊沖刷深度由原方案的8.5 m減小為5.5 m,減小了35.2%,有利于右岸邊坡的穩(wěn)定和減小了右岸邊坡防護(hù)工程量。

5 結(jié) 語

長塘水電站雙曲拱壩下游河道狹窄,拱壩水流向心集中,對(duì)下游河床和右岸邊造成嚴(yán)重沖刷。試驗(yàn)研究優(yōu)化推薦的錐形體消能工挑流鼻坎,并采用消能工錐形體中表孔靠后,左、右表孔靠前的布置形式,充分發(fā)揮了錐形體鼻坎使下泄水流橫向擴(kuò)散的特點(diǎn),也達(dá)到了控制水舌落點(diǎn),使3個(gè)表孔橫向擴(kuò)散水流前后拉開,分散單位面積上流量的目的。解決了該工程存在的泄洪消能問題。長塘雙曲拱壩溢流表孔錐形體消能工鼻坎布置方案可供同類工程借鑒。

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