楊亞斌

（廣西水電科學(xué)研究院，南寧 530021）

斯登沃代水電站位于柬埔寨菩薩省列文縣的額勒賽河上游支流——沃代河上，項(xiàng)目由2個(gè)梯級(jí)電站組成。一級(jí)為壩后式電站，水庫(kù)正常蓄水位515.0m，相應(yīng)庫(kù)容為4.438×108m3，死水位510.0m，相應(yīng)庫(kù)容2.714×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.723×108m3，總裝機(jī)容量20MW。

斯登沃代一級(jí)水電站屬Ⅱ等大（Ⅱ）型工程，主要水工建筑物由混凝土重力擋水壩、2孔溢流壩、孔沖沙底孔、引水系統(tǒng)和壩后式廠房等組成。最大壩高45.5m，溢流堰為WES型實(shí)用堰，設(shè)計(jì)水頭11.026m，每孔凈寬12.0m。P=1%，設(shè)計(jì)洪水流量為2520m3/s，設(shè)計(jì)洪水位為515.01m；P=0.1%，校核洪水流量為3710m3/s，校核洪水位為516.36m，消能防沖按50a一遇洪水設(shè)計(jì)；P=2%，相應(yīng)流量為2170m3/s。

1 消能工試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證和優(yōu)化消能方案的合理性，進(jìn)行了水力學(xué)整體模型試驗(yàn)。模型按佛勞德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，為正態(tài)局部動(dòng)床模沖坑等特性的觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果。

1.1 窄縫方案

窄縫方案為設(shè)計(jì)原方案，采用臥底式窄縫差動(dòng)挑坎，消能形式為挑流消能，其結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 窄縫方案消能工結(jié)構(gòu)布置圖

當(dāng)下泄洪水流量2170m3/s時(shí)，堰面水舌扁平，池內(nèi)無(wú)反向漩滾體，水深淺，坎后涌浪加劇，左側(cè)少許水翅沖擊底孔墻頂部后飛濺成水花。出坎水流未能有效的往右擴(kuò)散，水舌寬度幾乎與孔口等寬?？材┧嘞戮夗樍鞣较蜷L(zhǎng)12m的空腔。附跳水舌跳距遠(yuǎn)，約于下0+110m處入水。由于下游水深小，以遠(yuǎn)驅(qū)水躍與下游水流銜接，與底孔出口水舌匯合后，涌浪加劇，形成強(qiáng)烈的多級(jí)人字形水躍波，一直延伸至下游500m處。因下游主流偏于左岸，導(dǎo)致右岸自下0+120m至下0+400m為回流區(qū)，最大回流流速達(dá)5.35m/s；左岸回流區(qū)范圍小，但強(qiáng)度較大，最大回流流速達(dá)5.25m/s，位于下0+160m處。岸邊回流較大，對(duì)主流有一定壓縮作用，致使主流過(guò)水?dāng)嗝鏈p少，流速增大，河床最大底部流速達(dá)19.6m/s，最大岸邊波浪爬高達(dá)8.82m。當(dāng)下泄洪水流量2598.4m3/s時(shí)，由于表孔過(guò)流量明顯增大，下游河床主流偏于右岸，流速、浪高等水力要素指標(biāo)明顯增大，消能率很低，下游余能較大。

1.2 寬尾墩—窄縫方案

寬尾墩—窄縫方案保持挑流消能工方案臥底式窄縫差動(dòng)挑坎體形不變，將直尾墩改為寬尾墩，并于堰面反弧與窄縫坎直段連接處設(shè)消力坎，坎高2.5m，寬2.5m。寬尾墩體形參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 寬尾墩體型參數(shù) 單位：m

設(shè)置輔助消能工，旨在增加水流阻抗，強(qiáng)迫消能。試驗(yàn)結(jié)果顯示出有較好的效果，下游流態(tài)較原方案得到明顯改善，池內(nèi)水深增加，底流速降低，下泄水流在寬尾墩的作用下和消力坎受阻后水流分散促進(jìn)消能。尾坎流速分布趨于均勻，消能效果顯著，下游水面銜接平順。當(dāng)下泄洪水流量2170m3/s時(shí)，二次跌水水位高點(diǎn)和低點(diǎn)分別為484.65m和481.98m，跌差2.67m。河床最大底部流速14.2m/s，最大波浪爬高為3.06m；尾坎末2#孔中面底流速分別為11.34m/s和16.27m/s。

寬尾墩—窄縫方案設(shè)置消力坎，增加水流阻抗，強(qiáng)迫消能。但下泄高速水流直沖底板和消力坎，沖擊能量巨大，受阻后劇烈翻騰，涌浪很高，墻邊水位高點(diǎn)493.8m，底孔導(dǎo)墻墻頂高程489m，高度明顯不足，消力坎處流速高達(dá)26m/s。

1.3 二道壩消能方案

二道壩消能方案在下0+070.5m處設(shè)置二道壩，二道壩末端樁號(hào)為下0+092.74m與護(hù)坦連接，護(hù)坦末端樁號(hào)為下0+112.6m。二道壩壩頂高程481.3m，試驗(yàn)表明，在下泄洪水流量2170m3/s時(shí)，堰面水舌扁平，池內(nèi)形成不穩(wěn)定的淹沒(méi)底流水躍流態(tài)。急流在池內(nèi)劇烈轉(zhuǎn)向后導(dǎo)致很大的跳動(dòng)涌浪。二道壩頂水流涌浪遠(yuǎn)高于廠壩導(dǎo)墻頂端，水流四處溢漫。二道壩后與下游銜接水流形成強(qiáng)烈的二級(jí)跌差，坎頂高點(diǎn)水位為495.78m，兩次跌水落差達(dá)15.96m。河床最大底部流速9.65m/s。

1.4 “寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”消能工方案

試驗(yàn)研究表明，寬尾墩—窄縫方案消能效果較好。但寬尾墩—窄縫方案存在下泄高速水流直沖底板和消力坎，沖擊能量巨大，受阻后劇烈翻騰、涌浪很高的問(wèn)題，必須進(jìn)一步進(jìn)行體型優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)分析，提高反弧末端高程，降低戽池底板高程，形成跌坎式消力池，增加了水深，降低水流沖擊底板強(qiáng)度；增大寬尾墩收縮角，減小收縮比，增加下泄，從而形成“寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”聯(lián)合消能工。試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)體型尺寸的試驗(yàn)研究，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2。

表2 聯(lián)合消能工體型參數(shù) 單位：m

通過(guò)試驗(yàn)，寬尾墩體型合理，但水躍坎前緣位置是研究的重點(diǎn)，試驗(yàn)對(duì)Ⅰ、Ⅱ體型進(jìn)行比較，當(dāng)下泄流量為2170m3/s時(shí)，兩者的池底流速分別為12m/s和12.7m/s；坎頂面底流速分別為6.91，9.07m/s和7.24，7.76m/s。 二次跌水前者銜接較為平順，說(shuō)明后者稍遜于前者，但從既能滿足消能要求又節(jié)省工程投資等綜合因素考慮，經(jīng)優(yōu)化擬用III體型。

1.4.1 水流流態(tài)

100a一遇洪水流量時(shí)，上游水流平順，無(wú)回流。受上游彎道河段的影響，來(lái)流略偏于左岸，與壩軸線不完全正交，2#孔左側(cè)進(jìn)水出現(xiàn)與壩軸線約成75°夾角的斜向水流，造成2#孔進(jìn)口水面不對(duì)稱的側(cè)收縮。兩側(cè)水面有高差，左低右高，最大高差達(dá)1m。兩孔兩側(cè)的檢修閘門槽處形成對(duì)稱的方向相反的兩個(gè)漩渦，時(shí)而出現(xiàn)串通式漏斗漩渦，上粗下細(xì)，呈彎曲狀，其尾跡呈白色水帶落在門槽下游邊墻底部。墩頂?shù)骺矊?dǎo)向作用明顯減弱，閘室水面曲率變化很小，寬尾墩處水面趨于直線形，出室水舌平面上與閘室等寬，中部溝淺，在橫斷面上呈“T”型，池內(nèi)涌浪高，坎后兩次跌水明顯，跌差達(dá)5.74～7.59m。坎后主流偏于右岸，如下泄設(shè)計(jì)洪水流量2446m3/s，右岸邊最大流速為5.48m/s，位于右岸下0+250m，左岸邊最大流速為5.24m/s，位于下0+200m；下0+110m～0+165m有一回流區(qū)，最大回流流速為3.43m/s。河道中部最大面流速為12.94m/s，位于下0+160m；河床最大底部流速為5.52m/s，位于下0+250m。流速的分布隨著流程而逐漸均化，于下0+250m處河道斷面流速分布趨于均勻，與天然情況接近。

在下泄流量Q≤2170m3/s時(shí)，閘門局部開(kāi)啟，因受到寬尾墩的約束作用和頂部跌流的影響，過(guò)閘水流被收縮成下部窄上部寬的射流，在橫斷面上射流呈中間低兩側(cè)高的“Y”字型；由于三元水流，收縮主流貼堰面而下，上部水舌呈跌流狀和消力池底板成一銳角注入井池，其水平方向的分量參與底流消能，其豎直方向的分量和消能井水墊碰撞消能，從而加劇水流摻混、紊動(dòng)和動(dòng)能的消剎，摻氣量劇增，消能充分。下泄流量Q≤1030m3/s時(shí)，消能池內(nèi)呈淹沒(méi)底流水躍，池底流速小，為7.98m/s，坎后兩次跌水差≤3.55m。

在閘門全開(kāi)和大開(kāi)度時(shí)池底流速較大，消能池將高流速脫離池底效果明顯弱，消能池作用不完全，原因是池深不足，但在實(shí)際運(yùn)行中，大洪水頻率小。

1.4.2 下游沖刷

沖刷深度與下泄流量成正比，隨著下泄流量的增大而增加。下泄流量≥1030m3/s時(shí)，右岸邊坡腳護(hù)坦末附近沖坑深度為3.18～6.25m，后坡比為1∶3.66～1∶5.13，滿足規(guī)范要求。

當(dāng)下泄流量為2170m3/s時(shí)，受出坎斜向水流兩次跌水沖擊旋滾的紊動(dòng)作用和因邊壁效應(yīng)產(chǎn)生環(huán)流的影響，右岸邊坡腳護(hù)坦末附近岸邊地形下切較深，深點(diǎn)高程467.71m，位于下0+113m；由于坎下回流的作用，下游帶回不少砂子，主河槽坎末護(hù)坦上則堆淤成三角形的回淤體。護(hù)坦下游沖刷坑范圍廣，沖坑深點(diǎn)高程470.31m，位于下0+113m，后坡比為1∶3.77，沖坑前坡有堆丘，淤積量較大，但沖坑深淺，后坡比緩，不致于影響壩體的安全。

2 結(jié)語(yǔ)

寬尾墩—消力戽聯(lián)合消能工已在我國(guó)多個(gè)水電工程中應(yīng)用，但在下游水深淺，水位變幅大，弗汝德數(shù)低的中小水電站應(yīng)用中，寬尾墩—消力戽聯(lián)合消能工的應(yīng)用還值得研究。本文通過(guò)對(duì)斯登沃代一級(jí)水電站消能工多個(gè)方案的研究比較，將傳統(tǒng)的消力戽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出“寬尾墩＋跌坎式消力池＋水躍坎”聯(lián)合消能工方案，很好地解決了工程消能難題，可為同類工程提供參考。

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