水電站泄洪消能問題探究

1、水電站泄洪消能問題探究1 工程概況某水電站主要由混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物、水墊塘、二道壩和地下廠房等組成，是一座兼顧發(fā)電、航運、環(huán)境保護(hù)、推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的綜合型電站，其平面布置見圖1.該水電站混凝土雙曲拱壩最大壩高213m,電站裝機(jī)容量2 220MW,多年平均發(fā)電量為100×108kW·h.大壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為11 300m3/s,經(jīng)水庫調(diào)蓄后庫水位為2 305m,樞紐下泄流量（電站不泄流）為11 115m3/s;大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為9 970m3/s,經(jīng)水庫調(diào)蓄后庫水位為2 302m,樞紐下泄流量（含電

2、站）為9 850m3/s;大壩正常蓄水位為2 302m,正常蓄水位以下庫容為7.81×108m3.壩址附近為深切峽谷地形，橫斷面為典型的V型谷，河谷兩岸地形對稱性較好，壩址區(qū)地表基巖廣布，第四系覆蓋層分布范圍小，建壩巖體主要為花崗巖、斜長角閃片巖和混合巖，均為堅硬巖。樞紐布置方案采用雙曲拱壩+壩身泄洪（3個表孔，從左至右依次為#1、#2、#3+4個中孔，從左至右依次為#1、#2、#3、#4）+右岸地下廠房（4臺機(jī)組）+左岸2條導(dǎo)流洞（圖1）。表、中孔按泄洪中心線對稱間隔布置，無岸邊泄洪設(shè)施。溢流表孔單孔凈寬12m,堰頂高程為2 286m,表孔孔口尺寸為12m×16m（寬

3、×高），堰面采 用WES曲 線，堰 面 曲 線 方 程 為y =0.045 29x1.85.泄洪中孔采用有壓管型式，進(jìn)口底板高程為2 222.00m,頂板高程為2 232.65m,進(jìn)口頂板、側(cè)墻曲線均采用橢圓曲線。頂板曲線方程為x2/92+y2/32=1,側(cè)墻曲線方程x2/3.62+y2/1.22=1,底緣曲線半徑為2m的圓弧。中孔洞身段孔寬6m,孔高8m,出口控制斷面尺寸為7m×5 m（寬×高），中孔出口采用平底型（#2、#3）和上翹型（#1、#4）兩種形式，采用挑流消能。其中#2、#3中孔洞長44.1m,整個洞身底板（包括出口）均為2 222.00m,出

4、口段平面上孔寬由6m漸擴(kuò)至7m,洞頂采用16.9的壓坡，孔高 由8 m漸 縮 至5 m（出 口 洞 頂 高 程 為2 227.00m），出口挑角為0°；#1、#4中孔洞長43.7m,出口底板高程為2 226.15m,頂板高程為2 230.72m,出口挑角10°。下游消能防沖建筑物為混凝土水墊塘+二道壩。水墊塘采用復(fù)式梯形斷面，塘底平面尺寸為280m×60m（長×寬），底板高程為2 108m,校核工況下水墊塘水深58.8 m,水面寬約110 m（下游水位2 166.80m）；二道壩采用混凝土壩，壩頂高程為2 152.50m,上游側(cè)壩坡比10.5,下游側(cè)坡比

5、10.3,頂寬5m,底寬40.6m,二道壩頂面上游側(cè)距中孔挑坎水平距離約300m.該水電站是典型的高水頭、窄峽谷、大單寬流量的混凝土雙曲拱壩水電站，水舌碰撞、落點及水墊塘底板防沖是需重點解決的問題1.對此，本文通過整體水工模型試驗研究，較好解決了泄洪消能問題，保證了大壩和消能建筑物的安全。2 模型采用水工正態(tài)整體模型，按重力相似準(zhǔn)則建模2.根據(jù)試驗任務(wù)和要求，結(jié)合試驗場地和模型規(guī)模，取模型幾何比尺為1100.模擬范圍包括大壩、泄水建筑物（含表孔和中孔）、消能防沖建筑物（含水墊塘）和電站建筑物（含進(jìn)、出口），上游水庫河道模擬長度為800m,下游河道模擬長度為1 800m.根據(jù)水墊塘底板高程2 1

6、08.00m,并考慮測壓管和壓力傳感器安裝要求，確定大廳地坪高程為2 050.00m;根據(jù)模型最高洪水位（上游2 305.00m,下游2 167.00m）和富裕超高，確定上、下游導(dǎo)墻頂高程分別為2 330.00、2 190.00m.模型全長約30m,最大寬度6m,上游高2.8m,下游高1.4m,見圖2.3 結(jié)果與分析3.1試驗工況試驗條件和工況見表1.各試驗工況下分別進(jìn)行表孔單泄、中孔單泄和表中孔聯(lián)泄放水試驗。當(dāng)無下游防洪任務(wù)時，對入庫洪水自正常蓄水位起調(diào)節(jié)。當(dāng)洪水來量低于正常蓄水位泄流能力時，控制下泄流量，按來量下泄，壩前水位為2 302.00m;當(dāng)洪水來量高于正常蓄水位泄流能力時，敞泄，壩

7、前水位相應(yīng)壅高。3.2流態(tài)表孔單獨泄洪時，水流前后呈兩層落入水墊塘中。各工況下，#2表孔水舌挑距最近，#1、#3表孔水舌挑距最遠(yuǎn)。表孔水流最大入水寬度為115m,未見水舌直沖干砸水墊塘邊墻。表1中孔水舌交匯處形成水翅，入塘水流形成淹沒水躍。二道壩下出塘水流呈急流，水面跌落明顯，近似二次水躍。塘內(nèi)樁號0+500+200區(qū)域涌浪較大，塘底水舌沖擊區(qū)為樁號0+1200+140區(qū)域，附壁射流在樁號0+1300+220區(qū)域，底部水流與表面水流旋滾，摻混劇烈，樁號0+1000+250為主要旋滾消能區(qū)域，兩側(cè)樁號0+150以上為岸邊回流帶。塘中部水面隆起，二道壩及下游水流銜接平順，未出現(xiàn)二次水躍。中孔單獨泄

8、洪時，4股水舌前后兩層落入水墊塘，入水角較表孔小。#1、#4邊孔入水處兩股水舌內(nèi)側(cè)相連，#2、#3中孔兩股水舌同樣也在入水處相連，且#2、#3水舌入水處外緣與#1、#4水舌內(nèi)緣相連?？傮w上四股水舌入水集中在水墊塘中部，未見水舌直沖干砸水墊塘邊墻。水流入塘后形成淹沒射流，射流水股剛好觸及底板，底部附壁射流特征不明顯。底部旋滾與表面旋滾卷吸，摻混劇烈，水墊塘內(nèi)為白色泡沫狀水體，摻氣明顯，岸邊出現(xiàn)回流。表、中孔聯(lián)合泄洪時，表、中孔水舌呈上下、左右碰撞消能特點。#1表孔水舌與右側(cè)#3表孔水舌左右碰撞，之后與#1中孔水舌上下碰撞，再與#2、#3中孔水舌碰撞，由于對稱布置，#1、#3表孔水舌左右碰撞，之后

9、與#4中孔水舌上下碰撞，再與#2、#3中孔水舌碰撞。而#2表孔僅與#2、#3中孔水舌碰撞。中孔水舌與表孔水舌碰撞后，水體摻氣充分，裂散充分，呈白色不連續(xù)水體，摻氣較碰撞前更明顯。上下水舌碰撞消能，效果良好。3.3壓力消能效果的優(yōu)劣，主要表現(xiàn)在水墊塘底板上沖擊動水壓力的大小和壓力梯度的均勻性。水墊塘底板沖擊動水壓力3為：P=Pmax-T（1）式中，P為水墊塘底板沖擊動水壓力；Pmax為沖擊區(qū)最大時均動水壓力；T為水墊深度。由式（1）可知，水墊塘底板沖擊動水壓強(qiáng)與沖擊區(qū)最大時均動水壓力、水墊深度密切相關(guān)。前者通?？捎蓽y壓管系統(tǒng)量測，而水墊深度的選取卻不太統(tǒng)一4.結(jié)合該項目實際情況，采用挑流水舌內(nèi)緣

10、入水點上游水深（樁號0+088斷面）作為計算塘內(nèi)沖擊動水壓力的水墊深度。各工況下，壩身孔口挑射水流進(jìn)入水墊塘均能形成淹沒水躍。各工況水墊塘底板動水壓力分布見表2.1MATLAB軟件擬合模型試驗數(shù)據(jù)，得到底板動水壓力立體圖和等值線。由表2、圖3可知：表孔單泄時底板最大沖擊壓力為42.280.4kPa,沖擊區(qū)為樁號0+1200+140段，距壩址92112m,主要為#1、#3表孔內(nèi)側(cè)水舌交匯和#2水舌疊加效應(yīng)引起。中孔單泄底板沖擊區(qū)峰值不明顯，實測最大沖擊壓力為36.346.1kPa,沖擊區(qū)為樁號0+2000+230段，距壩址172202m.表、中孔聯(lián)合泄流時，表、中孔水舌上下空中碰撞。#1、#4中

11、孔分別與#1、#3表孔水舌碰撞，碰撞后混為一股，基本沿中孔拋射軌跡行進(jìn)，射距有所減小，水舌摻氣、裂散更為明顯，基本為不連續(xù)水股；#2、#3中孔先與#2表孔碰撞后，又與#1、#3表孔水舌內(nèi)側(cè)橫向搭接部分水股碰撞，基本無法沖出重圍;,最后#2、#3中孔水股、#2表孔水股及#1、#3表孔橫向交匯搭接，形成一道水簾;,落入水墊塘，造成水墊塘底板沖擊壓力集中。底板沖擊區(qū)峰值不明顯，實測最大沖擊壓力為175.6346.3kPa,沖擊區(qū)為樁號0+2000+230段，距壩址172202m.以上分析表明：中孔單獨敞泄時水舌挑距較遠(yuǎn)，水墊塘長度略嫌不足；大流量表、中聯(lián)泄時，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大沖擊

12、壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，大壩校核工況5 000年一遇洪水實測底板時均沖擊壓力達(dá)282.5kPa.因此，應(yīng)調(diào)整下泄水舌形態(tài)，提高水墊塘消能效果。通過觀測發(fā)現(xiàn)，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大沖擊壓力P較大，主要由相鄰表孔下泄水舌搭接造成。根據(jù)已建工程經(jīng)驗，在表孔出口加設(shè)齒坎，分散表孔水舌，從而避免相鄰孔水舌搭接，達(dá)到降低P值的目的。修改方案主要參數(shù)見表3.修改方案后，水舌縱向分散，集中入水現(xiàn)象明顯改善，底板最大P為138.3kPa,在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)147.2kPa以內(nèi)，可保證工程安全運行。4 結(jié)論該水電站大壩采用壩身3個表孔、4個中孔集中泄洪，下游水墊塘及二道消能的方案是可行的。表孔出口加設(shè)齒坎不僅可以調(diào)整水舌落點，還可起到分散水舌的作用，有效降低沖擊動水壓力。研究成果