王 勝,李連俠,孫 炯,劉 學(xué),廖華勝,沈煥榮,易文敏

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司,四川 成都 610041;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)

底流消能是利用消力池使下泄水流在泄水建筑物出口限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍,將上下游水流銜接,并通過(guò)水躍產(chǎn)生表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)以達(dá)到消能的目的[1-2]。水躍的流態(tài)與躍前弗勞德數(shù)和下游尾水有直接的關(guān)系[3],為在不同來(lái)流和下游尾水條件下在消力池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍,通常采用不同于傳統(tǒng)消力池的體型[4],如進(jìn)口設(shè)置跌坎,采用突擴(kuò)突跌,末端設(shè)置尾坎等。為減少工程造價(jià)和提高消能率,應(yīng)盡可能縮短消力池的長(zhǎng)度,并在池內(nèi)設(shè)置輔助消能工[5-9],進(jìn)一步加劇水流的紊動(dòng)混摻作用,目前國(guó)內(nèi)外主要采用趾墩、消能墩、T型尾墩、尾坎等形式。底流消能工消力池的長(zhǎng)度選擇及池內(nèi)加設(shè)輔助消能工的形式,應(yīng)慎重考慮,應(yīng)對(duì)各級(jí)流量進(jìn)行水力計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹,池內(nèi)設(shè)趾墩或消力墩,其池內(nèi)流速不宜大于18m/s,否則會(huì)造成空蝕破壞。

在實(shí)際工程中,往往需要消力池能夠在不同的來(lái)流和下游水深條件下均能形成較好的水躍[3],采用多級(jí)水躍消能方式則能夠較好地解決這一問(wèn)題[10-12],其關(guān)鍵技術(shù)在于通過(guò)何種方式形成多級(jí)水躍來(lái)適應(yīng)不同的洪水工況。本文以待建的安谷水電站為例,對(duì)旨在形成多級(jí)水躍的消力池內(nèi)輔助消能工進(jìn)行了系列水工模型試驗(yàn),結(jié)合不同的護(hù)坦形式,對(duì)比了3種底流消能工體型的水力特性,提出了一種合理的消能防沖體型及布置形式。

安谷水電站工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電和航運(yùn),并兼有防洪、灌溉、供水等功能。工程壩址處河道順直,河谷開(kāi)闊,水流散亂,洲島遍布,是典型的多汊灘險(xiǎn)河道。安谷水電站擋水建筑物為閘壩,水庫(kù)調(diào)蓄能力差,遇洪水時(shí)大排大泄,絕大部分懸移質(zhì)細(xì)顆粒泥沙將通過(guò)閘壩排往下游。工程采用混合式開(kāi)發(fā)方式,水庫(kù)正常蓄水位為398.0m,電站裝機(jī)容量為760MW,滿發(fā)流量為 2576 m3/s,當(dāng)流量大于4500m3/s時(shí)停止發(fā)電,13孔閘門(mén)全開(kāi)泄洪;電站下游消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水,校核洪水按2000年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。安谷水電站主要泄水建筑物為布置于河床中部的13孔泄洪和沖沙閘,其中緊靠電站廠房5孔為沖沙閘,其余8孔為泄洪閘,泄洪閘和沖沙閘采用相同結(jié)構(gòu)布置,均為開(kāi)敞式平底堰,單孔凈寬12.0m,底板高程383.0m,閘墩頂高程400.7m,閘室凈高21.7m,閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)44.0m,采用弧形工作門(mén),工作門(mén)后底板采用1∶4的斜坡接反弧段(半徑30m)與消力池相接。為安全高效地消除下泄余能,有效地保護(hù)下游建筑物,同時(shí)保證河道行洪能力和河岸安全,安谷水電站需要設(shè)置合理的消能措施。

1 消力墩式多級(jí)消力池的水力特性

安谷水電站泄洪消能的原設(shè)計(jì)方案采用消力墩式多級(jí)消力池消能(以下簡(jiǎn)稱方案1),其體型布置如圖1所示。其中,工作閘門(mén)后閘室底板以1∶4的斜坡與消力池相接,兩者以半徑為30m的反弧段過(guò)渡。第1級(jí)消力池底板頂高程369.0m,池長(zhǎng)32.81m,池內(nèi)布置2排消力墩及1排差動(dòng)式消力坎,消力墩頂高程均為374.0m,墩高5m,差動(dòng)坎高3.75～5.00m,坎后以1∶2的斜坡與第2級(jí)消力池相接;第2級(jí)消力池底板高程369.5m,池長(zhǎng)73.50m,池末端設(shè)差動(dòng)坎,坎高2.75～4.50m,坎后以1∶2的斜坡與海漫連接,至樁號(hào)0+239.0處,再以 1∶4反坡連接至樁號(hào)0+251.0處,高程為374.5m,后接水平海漫,長(zhǎng)為102m,海漫總長(zhǎng)度為164 m。閘室出口下游消力池內(nèi)順?biāo)鞣较虿贾糜?道導(dǎo)流墻。

圖1 方案1各級(jí)消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

針對(duì)方案1,首先進(jìn)行模型比尺為1∶70的整體水工模型試驗(yàn),模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),模型樞紐布置形式見(jiàn)圖2。試驗(yàn)流量范圍較大,從1924m3/s變化到2000年一遇校核洪水的14000m3/s,消力池進(jìn)口處弗勞德數(shù)較小,單寬流量較大,具體工況參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 整體水工模型試驗(yàn)樞紐布置

為了更好地研究下游消能沖刷特性,海漫按抗沖流速為6～7m/s考慮,模型用天然石子進(jìn)行模擬,相應(yīng)的模型粒徑范圍為0.5～1.5cm(鋪設(shè)厚度為1.5～2.0cm)。覆蓋層用天然河沙模擬至壩0+703.0止,原型河床質(zhì)顆粒級(jí)配見(jiàn)表2。為了方便測(cè)量水邊線,泄洪渠右邊墻頂高程在壩0+420.0之前模擬高程為385.0m,之后及左邊墻頂高程為381.5m。動(dòng)床模擬覆蓋層底高程至365.0m,模擬范圍為護(hù)坦末端至壩0+703.0處,試驗(yàn)結(jié)果為沖刷穩(wěn)定后實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)工況

表2 安谷水電站河床質(zhì)顆粒級(jí)配

流態(tài)觀測(cè)結(jié)果(圖3)顯示,各工況下第1級(jí)消力池內(nèi)水躍均十分明顯,紊動(dòng)強(qiáng)烈,躍首在反弧段以上;流量較小工況下,消能水體基本位于第1排消能墩之上;流量較大工況下,消能水體逐漸向后擴(kuò)大,但主要消能任務(wù)仍由第1級(jí)消力池承擔(dān)。10年一遇及以下頻率工況下,由于第1級(jí)消力池消能充分,左岸護(hù)坦擴(kuò)散段可見(jiàn)回流,海漫段水面平滑,與下游水面銜接良好;隨著流量的增大,海漫段水面起伏趨于明顯,特別是流量超過(guò)10000m3/s后,消力池內(nèi)泄洪渠中部水面波動(dòng)較大,出池水流跌落也較大,海漫段水面涌波持續(xù)范圍較遠(yuǎn)。當(dāng)閘孔局部開(kāi)啟時(shí),閘后第1排消力墩處水流流態(tài)較亂,水流直接頂沖消力墩,沖高較大,時(shí)見(jiàn)水流越過(guò)右邊墻現(xiàn)象。

圖3 方案1典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

4級(jí)消力墩或差動(dòng)坎中,第1排消力墩起到主要的消能作用,其消能方式主要是水躍和水流與消力墩的碰撞,后3排消力墩(坎)除起壅高水墊作用外幾乎沒(méi)有起到更多的消能作用。在正常蓄水位電站發(fā)電、沖沙泄洪閘下泄多余水量這種常見(jiàn)工況下,壩下水流流速達(dá)到18～20m/s(圖4),單孔下泄量越大,水流對(duì)第1級(jí)消力墩的沖擊力越強(qiáng),碰撞躍起的水浪高程在383.0m以上,超過(guò)了右邊墻頂高程,同時(shí)碰撞會(huì)引起頻繁的振動(dòng),對(duì)消力墩及整個(gè)消力池(坐落在約10m深的覆蓋層上)的穩(wěn)定性極為不利,應(yīng)對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化修改。

圖4 方案1工況2閘室段及消能區(qū)流速分布(單位:m/s)

各工況下從海漫尾部開(kāi)始,沿程均有不同程度的沖刷,消力池末端與海漫前端之間河床中部形成了2個(gè)沖刷坑,沖刷深度和范圍隨流量增加而增大;工況2海漫段末端下游50m范圍內(nèi),沖刷深度在2.3～3.6m之間(圖5);工況1沖坑最深點(diǎn)約在海漫末端50m處,深度達(dá)5.9 m。

方案1最大的問(wèn)題在于流態(tài)不穩(wěn)定,適應(yīng)流量范圍小,效能布局不合理,多級(jí)消力池僅發(fā)生一次水躍,且主要靠壩后高速水流與第1排消力墩的碰撞消能,嚴(yán)重危及消力墩的穩(wěn)定性。

2 圓弧進(jìn)口連續(xù)坎式多級(jí)消力池的水力特性

圖5 方案1工況2沖坑試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)消力墩式多級(jí)消力池體型及海漫布置形式做了如下改變:①取消了第1排消力墩和消力池內(nèi)的2條分水墻;②第4排差動(dòng)坎(圖6虛線圓圈部分)消能率很小,但是考慮到右側(cè)沖沙孔運(yùn)行開(kāi)啟的頻率較高,所以只保留了右邊一半,左邊部分取消后以1∶4的反坡與海漫直線連接;③海漫前部采用1∶10的反坡設(shè)計(jì),海漫總長(zhǎng)度縮短了84m,后端增設(shè)28m長(zhǎng)的防沖槽(底高程為371.5m),槽內(nèi)用大石回填。該方案為圓弧進(jìn)口連續(xù)坎式多級(jí)消力池方案(以下簡(jiǎn)稱方案2),其體型尺寸和布置形式見(jiàn)圖6。

圖6 方案2各級(jí)消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

流態(tài)觀測(cè)結(jié)果(圖7)表明,在各級(jí)流量工況下取消了第1排消力墩后,水躍消能效果良好,大幅度增大了消能水體,水躍主要發(fā)生在原第2排消力墩之前;由于方案2在池內(nèi)未設(shè)置分水墻,水流平順,波動(dòng)比方案1小,特別是橫向分布較為均勻;由于差動(dòng)坎后海漫的反坡設(shè)計(jì),使得坎后水面很平靜,沒(méi)有明顯水面跌落現(xiàn)象;河床與防沖槽連接處有一定水面波動(dòng),其后水面與下游水位光滑銜接。在正常蓄水位泄洪沖沙閘局部開(kāi)啟泄洪工況下,方案2中消力池內(nèi)的水躍消能良好,橫向均化作用明顯,不會(huì)出現(xiàn)方案1中的水流與第1排消力墩嚴(yán)重碰撞的現(xiàn)象,大幅度減輕了水流對(duì)消力墩的強(qiáng)烈沖擊作用,有利于軟基上的建筑物安全。

圖7 方案2典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

在各級(jí)流量工況下,各個(gè)斷面的流速橫向分布較為均勻(圖8(a)),充分發(fā)揮了寬河床的均化作用。在工況2下,方案1中最大出池流速為7.0m/s,而在方案2相應(yīng)的最大出池流速只有6.0m/s左右,且主流在表面。雖然缺少了方案1中第1排消力墩的碰撞消能,但方案2的水躍消能水體更大,消能率與方案1相應(yīng)各個(gè)工況下消能率基本相當(dāng),以水躍為主的底流消能方式更安全合理。

圖8 方案2工況2流速及沖坑試驗(yàn)結(jié)果

由于水躍的消能作用,整個(gè)流場(chǎng)的橫向分布均勻,再加上海漫段的優(yōu)化設(shè)計(jì),使得海漫上水面跌落較小,在各級(jí)50年一遇以下頻率洪水工況下,海漫的破壞不明顯,河床沖刷明顯減輕和均化了。在50年一遇洪水工況下,大石回填段的破壞也不明顯(圖8(b)),在海漫末端50m處沖刷深度有一極大值為2.3m,不會(huì)威脅海漫的安全;而方案1沖坑相對(duì)較深區(qū)距離海漫段末端很近,在其后30m范圍內(nèi)形成很大的淘刷坑,最大沖刷深度3.6m,相應(yīng)的沖刷高程為370.9m,海漫段末端安全無(wú)法保證。工況1下,方案2沖坑最深點(diǎn)高程為370.7 m(沖刷深度3.7m),發(fā)生在海漫末端下游約150m處,方案1沖坑最深點(diǎn)高程為368.5m,距離海漫末端僅50m左右。方案2沖刷深處離海漫末端較遠(yuǎn),深度也不深,對(duì)海漫的安全更有利。

綜上所述,方案2與方案1相比,水躍流態(tài)良好,解決了中間流速集中現(xiàn)象,海漫前段采用反坡設(shè)計(jì),后段采用防沖槽回填大石方式,對(duì)海漫的安全保護(hù)作用明顯,沖坑比較均勻,沖刷程度大幅度減輕,特別是消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)及以下工況下,消力池差動(dòng)尾坎后海漫前端未見(jiàn)明顯沖刷現(xiàn)象,縮短了海漫長(zhǎng)度,其后沖刷最深處反而離海漫末端更遠(yuǎn),對(duì)消能設(shè)施更有利;但方案2也未能實(shí)現(xiàn)多級(jí)消力池多級(jí)水躍的目的,只有第1級(jí)消力池承擔(dān)了消能任務(wù),消能布局仍不合理。

3 跌坎進(jìn)口連續(xù)坎式多級(jí)淺水墊消力池的水力特性

前述試驗(yàn)結(jié)果表明:①不管是消力墩方案,還是圓弧進(jìn)口連續(xù)坎方案,消能任務(wù)均主要在消力池第1排消力墩之前完成,未能充分發(fā)揮后面幾排輔助消能工的多級(jí)消能作用。②采用消力墩作為消能設(shè)施,對(duì)各級(jí)流量的適應(yīng)性較弱。正常發(fā)電運(yùn)行宣泄多余流量工況下,部分主流從各墩之間的間隙處流向下游,該部分水流未能充分參與消能;在流量超過(guò)8090m3/s的敞泄工況下,主流從面上飄過(guò),導(dǎo)致消力墩對(duì)水流的消能作用也不佳(與粗糙表面對(duì)水流影響相類似);再加上施工難度較大,自身安全性有一定問(wèn)題,因此應(yīng)盡量減少或不用消力墩。③從消能防沖的工程經(jīng)驗(yàn)可知,消力池及海漫破壞較大的兩種重要工況在于“一頭一尾”:一是正常蓄水位電站發(fā)電運(yùn)行、泄洪沖沙閘局部開(kāi)啟泄流工況,這種工況流量雖然不大,但動(dòng)能比較大,而泄洪渠和電站尾水渠相對(duì)獨(dú)立,泄洪沖沙閘下游消力池水墊深度較淺,開(kāi)啟閘門(mén)泄洪時(shí),可能對(duì)下游沖刷破壞比較嚴(yán)重;二是消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)(50年一遇洪水)及以上工況下,下泄水流整體能量較大,再加上安谷水電站地處大渡河下游,河床顆粒偏細(xì),抗沖能力較低,對(duì)下游的破壞力較大。④海漫前段采用反坡設(shè)計(jì)、后段采用防沖槽回填大石方式,合理可行。

根據(jù)上述分析,結(jié)合多次體型修改及流態(tài)觀察,并考慮到跌坎式消力池在類似條件下的良好水力特性[8-9,13],對(duì)消力池體型和海漫形式進(jìn)行了如下修改:①消力池與閘室連接方式改為跌坎,在樁號(hào)0+67.0處;②消力池末端樁號(hào)位置從前兩個(gè)方案的0+189.0提前至0+158.0,護(hù)坦段縮短了31 m,兩級(jí)消力池總長(zhǎng)度從106.3m縮短至91.0m;③將方案2中的消力墩改為一道連續(xù)坎(位置從0+115.5提前至0+105.0),保留了方案2的前排差動(dòng)坎,其后即為海漫(取消了方案2的最后一級(jí)差動(dòng)尾坎);④海漫起點(diǎn)向前移至0+158.0,前段仍采用反坡設(shè)計(jì),坡度為 1∶12,海漫平段高程降至 374.0m,降低了0.5m,海漫末端樁號(hào)為0+269.0。該方案為跌坎進(jìn)口連續(xù)坎方案(以下簡(jiǎn)稱方案3),其體型見(jiàn)圖9。

圖9 方案3各級(jí)消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

在各級(jí)流量工況下,方案3的2個(gè)淺水墊消力池內(nèi)均形成了穩(wěn)定的水躍,兩級(jí)消能流態(tài)非常明顯(圖10),消能效果良好,出池流態(tài)比方案1和方案2有明顯改善;消力池內(nèi)臨底流速和出池流速(尾坎后)均比方案1和方案2低,且橫向分布更均勻,見(jiàn)圖11(圖中橫距表示距離第1孔沖沙閘右邊墻橫向長(zhǎng)度)。不同流量工況下3種消力池各級(jí)消能率對(duì)比情況見(jiàn)表3,可見(jiàn)各工況下3個(gè)方案的消能率大致相當(dāng),均在50%以上(為方便對(duì)比,入口斷面取壩軸線斷面,基準(zhǔn)高程取差動(dòng)坎后海漫起點(diǎn)高程371.5m),但方案1和方案2的消能任務(wù)主要在樁號(hào)0+140.0之前完成,后面2排差動(dòng)坎除壅高水墊以外,消能率未超過(guò)1.5%,基本沒(méi)有起到更多的消能作用,只有方案3真正實(shí)現(xiàn)了多級(jí)消能的目的,第1級(jí)水躍消能率消耗了大部分能量,第2級(jí)水躍消能率達(dá)9.80%～14.63%,所以,從消能率可以看出,方案3充分發(fā)揮了各個(gè)消能工的消能作用,兩級(jí)消能作用明顯,消能布局更合理。

圖10 方案3典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

圖11 3種方案工況1消力池典型位置流速分布對(duì)比

表3 3種方案兩級(jí)消力池在不同流量下的消能率對(duì)比

沖坑試驗(yàn)結(jié)果表明,方案3下游整體沖刷情況要優(yōu)于方案1和方案2(圖12),工況4及以下洪水工況,海漫及末端與河床連接處均未出現(xiàn)明顯沖刷現(xiàn)象;工況2和工況3大石回填段略有沖刷,沖刷深度基本在1m以內(nèi),下游河床右岸沖刷深度最大約1.8m(沖刷高程372.6m,樁號(hào)0+398.0),右岸沖刷比左岸明顯要深,方案3在右岸的沖刷深度要比方案2(海漫后50m范圍內(nèi)右岸最大沖刷深度約為2.2m)要小;工況1下,海漫后50m范圍內(nèi)最大沖刷深度在2m左右。

圖12 不同流量下3種方案海漫后沖刷情況對(duì)比

4 結(jié) 論

以低弗勞德數(shù)、大單寬流量的安谷水電站為例,通過(guò)系列試驗(yàn)對(duì)比了3種形式的多級(jí)消力池水力特性。研究結(jié)果表明,采用多排消力墩方式形成多級(jí)消力池消能率雖有保證,但消力墩布置形式對(duì)池內(nèi)流態(tài)影響較大,對(duì)不同單寬流量工況適應(yīng)性不好,特別是單寬流量大時(shí)難以形成多級(jí)水躍,且自身穩(wěn)定性難以得到保證;采用圓弧進(jìn)口連續(xù)坎式消力池大幅度改善了流態(tài),但仍未能形成兩級(jí)水躍;采用跌坎進(jìn)口連續(xù)坎式形式的兩級(jí)淺水墊消力池,結(jié)合下游的反坡護(hù)坦形式,池內(nèi)能形成明顯的兩級(jí)水躍,消能效果理想,且對(duì)各種工況的適應(yīng)能力非常強(qiáng),具有流態(tài)穩(wěn)定、臨底流速低、消能率高、出池水流平穩(wěn)及施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是解決低弗勞德數(shù)、大單寬泄水建筑物(特別是軟基上)下游消能防沖技術(shù)難題的一種有效方式。

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