東風(fēng)水電站泄洪洞

1、東風(fēng)水電站泄洪洞摘要： 烏江東風(fēng)水電站攔河大壩采用薄拱壩，泄洪洞采用斜鼻坎新型消能工，并伴有高速水流， 故需通過原型觀測(cè)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果。 本文通過對(duì)流態(tài)、 時(shí)均壓力及脈動(dòng)壓力等的原型觀測(cè)成果分析， 為電站安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)， 并為今后同等規(guī)模的類似工程提供有價(jià)值的參考。關(guān)鍵詞： 原型觀測(cè) 流態(tài) 時(shí)均壓力及脈動(dòng)壓力 安全分析1 工程概況東風(fēng)水電站位于貴州省清鎮(zhèn)、黔西縣交界的烏江干流甲鴨池河段上，距貴陽(yáng)市88km,大壩采用混凝土雙曲拋物線薄拱壩，壩頂高程978.0m,最大壩高162m,裝機(jī)510MW,年均發(fā)電量24.2億kwh。電站樞紐由大壩、泄洪系統(tǒng)、引水 發(fā)電廠房等部分組成。壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)

2、雜，河谷狹窄，兩岸巖體風(fēng)化深約1028m,距壩址190m 處有 F6 斷層及九級(jí)灘頁(yè)巖出露。大壩的泄水建筑物由左岸泄洪洞、左岸溢洪道、壩身三個(gè)中孔和三個(gè)表孔組成，泄洪洞全長(zhǎng) 526.021m,為開敞式無壓泄洪 洞，主要由引渠段、閘室段、洞身段、出口消能工及護(hù)坦組成，進(jìn)口采用堰式進(jìn)水口， 堰頂寬度 12m， 泄洪洞右側(cè)通過圓弧形翼墻與溢洪道導(dǎo)墻相連。 泄洪洞穿過地層為灰?guī)r，埋深30100m,進(jìn)、出口邊坡高度2050m。溢洪堰堰頂高程950.00m,設(shè)計(jì)才3水位970.00m。堰面曲線采用 WES曲線，定型水頭 ，堰面曲線方程 ，在 WES 曲線后由坡度為 1: 1 的直線段與反弧段相連， 反弧半

3、徑為 10m。 泄洪洞洞身全長(zhǎng)466.5m， 底坡為 6.55%,斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為12X17.5m。泄洪洞出口采用斜鼻坎消能工，挑坎圖程 905.609916.378m,挑射角7.0133。東風(fēng)泄洪洞從布置到體型設(shè)計(jì)雖然作了大量的計(jì)算分析及水工模型試驗(yàn)研究， 并采取了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施， 但由于高速水流問題的復(fù)雜性， 特別是對(duì)采用斜鼻坎型消能工的認(rèn)識(shí)不足， 因此有必要通過原型觀測(cè)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果， 為電站安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)，并為今后同等規(guī)模的類似工程提供有價(jià)值的參考。2 原型觀測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置東風(fēng)水電站設(shè)計(jì)洪水位為 973.5m,此時(shí)泄洪洞的泄流量為 2240m3/s,校核 洪水位為

4、977.53m,相應(yīng)的泄流量為3560m3/s,挑坎附近最大流速達(dá) 32m/s。由于洞身系緩坡，且空穴系數(shù)較大，預(yù)計(jì)不發(fā)生空蝕，但要求施工中必須嚴(yán)格控制 不平整度。2.1 觀測(cè)內(nèi)容原型觀測(cè)的內(nèi)容包括以下幾方面：（1）進(jìn)出口流態(tài)；（2）表面流速觀測(cè)；（3）水舌 軌跡；（4）脈動(dòng)壓力；（5）時(shí)均壓力；（6）泄洪洞檢查。2.2 測(cè)點(diǎn)布置時(shí)均壓力及脈動(dòng)壓力測(cè)試布置在斜鼻坎底板上。在底板中心線0+473.00m樁 號(hào)處布置1#測(cè)點(diǎn)（即時(shí)土壓力測(cè)點(diǎn) Pi,脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)Fi）,在0+483.00m樁號(hào) 處布置2#測(cè)點(diǎn)（P2, F2）;在偏離底板中心線靠左側(cè) 3m的0+493.00m處布置3# 測(cè)點(diǎn)（P3,

5、F3）o3觀測(cè)成果分析對(duì)比3.1 上下游水位及泄量水庫(kù)水位觀測(cè)采用的儀器為 WFY型浮子式水位計(jì)，可自動(dòng)采集、傳送數(shù)據(jù)， 尾水位觀測(cè)采用DCB9418型壓力傳感式測(cè)控儀，流量測(cè)驗(yàn)采用旋漿式25-3型流 速儀，儀器型號(hào)為900015,測(cè)流使用鉛魚重為150kg。各閘門開度下相應(yīng)上、下 游水位、泄量、單寬流量及對(duì)比見表 1:表1不同閘門開度時(shí)泄流量對(duì)照表開度庫(kù)水位尾水位實(shí)測(cè)泄單寬流設(shè)計(jì)泄實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)相重重重差(e)(m)(m)(m3/s)(m3/s)(m3/s)%1/4968.08842.1573060.87201.071/2967.93843.131284107.0114710.67全開967.7

6、1844.721926160.517439.50從表中可以看出泄洪洞寬實(shí)際過流能力大于相應(yīng)設(shè)計(jì)過流量，說明泄洪建筑物能夠滿足泄洪要求。3.2 進(jìn)出口流態(tài)及表面流速3.2.1 進(jìn)口流態(tài)(1) e=1/4 閘門開度工況下流態(tài)庫(kù)中來流平順，流線清晰，右導(dǎo)流墻頭部略有繞流現(xiàn)象，但對(duì)進(jìn)口流態(tài)并沒有造成影響；閘門前左、右兩側(cè)水面各有一漩渦，兩漩渦特點(diǎn)有所不同：左側(cè)漩渦距閘門35m,距邊墻約1m,強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小，直徑約50100mm,表面呈漏斗狀，右側(cè)旋渦距閘門34m,距邊墻約1m,強(qiáng)度較弱，表面呈波浪狀，且有間歇性； 閘門前水流表面有一段逆向水流， 長(zhǎng)度約 1.5m； 進(jìn)口左邊墻上游2m 處有一殘留障礙物，

7、 使水流在該處表面出現(xiàn)漩滾， 進(jìn)口左邊原交通洞洞口平臺(tái)水流在平臺(tái)未端略有跌落。(2)e=1/2 閘門開度下流態(tài)從流線看，進(jìn)口水面流線并非直線，基本是從右側(cè)繞向進(jìn)口，右導(dǎo)墻頭部繞流明顯，并從頭部未端起貼壁水流表面出現(xiàn)白色浪花，寬度為 0.51.0m,沿程逐漸增大； 表面水流在閘門前產(chǎn)生旋滾， 其起始端在平面上呈弧線， 旋滾發(fā)生后，水流表面有強(qiáng)烈波動(dòng)和摻氣現(xiàn)象， 閘門前無明顯漩渦； 進(jìn)口左側(cè)平臺(tái)水流有跌落現(xiàn)象，高差約30cm,障礙物對(duì)水流產(chǎn)生明顯的繞流影響。(3)閘門全開工況下流態(tài)進(jìn)口水流主要來自右側(cè)，右導(dǎo)流墻頭部繞流較嚴(yán)重，貼壁水流表面突降，水流繞過墻頭后產(chǎn)生斜向表面旋滾，漩滾前沿與洞中線約呈3

8、0° 夾角，旋滾現(xiàn)象沿程逐漸減弱， 至閘門處基本消失， 左側(cè)殘留物對(duì)進(jìn)口左側(cè)水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響，主要是殘留物阻擋水流， 使進(jìn)口及墻面水流發(fā)生紊亂； 進(jìn)口兩側(cè)水面均低于中部，原因是右側(cè)繞流和左側(cè)殘留物阻擋所致。總體看來， e=1/4 時(shí)，在閘門前產(chǎn)生的兩個(gè)漩渦強(qiáng)度不是很大，且不是貫穿性漩渦， 所產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度不會(huì)太大， 由于受邊界影響產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象， 尤其是閘門全開泄量加大時(shí)， 水流側(cè)向和豎向收縮影響了表面水流的穩(wěn)定， 但無多大危害。3.2.2 出口流態(tài)(1)e=1/4 閘門開度工況下流態(tài)從消能工水舌形態(tài)分析，可分為清水區(qū)、表面摻氣區(qū)、噴射躍射區(qū)、內(nèi)緣水舌落水區(qū)、霧化形成區(qū)。出口水舌

9、流量集中于左側(cè)，出洞時(shí)水面已摻氣，水面一片白，摻氣后水面破碎。距洞出口 45m 左右水舌開始跌落，呈噴射狀，水流被對(duì)流空氣撕碎，呈棉團(tuán)狀拋落。水舌頭部寬度大約25m 左右。水流中部到右邊墻，水流出洞時(shí)有明顯清水區(qū)，沿水流流程，該區(qū)逐漸縮小呈尖三角形狀，長(zhǎng)度約 30m,而后消失。水舌清水區(qū)右側(cè)為表面摻氣區(qū)， 摻氣程度與左側(cè)表面摻氣區(qū)相近， 水流尚未挑起便下落， 開始是表面大量摻氣， 以后在跌落過程中， 在空氣對(duì)流作用下形成棉團(tuán)狀落入河谷。 整個(gè)水舌， 尤其是水舌主流在下跌至河床時(shí)， 折沖對(duì)岸河床和護(hù)坡，造成陣發(fā)性濺起的水柱，形成大量霧化，水霧沿對(duì)岸山坡向上爬，形成強(qiáng)、中、弱多霧化區(qū)。中國(guó)最龐大的

10、資料庫(kù)下載(2)e=1/2 閘門開度工況下流態(tài)水舌中間有清水區(qū)，兩側(cè)均為表面摻氣區(qū)，水舌主流集中在左側(cè)，從寬度和氣勢(shì)看均比e=1/4開度壯觀，水舌頭部寬度可達(dá)2530m,水舌噴射起始點(diǎn)距洞口 50m 左右時(shí)開始呈棉團(tuán)狀下拋。 從水舌的流態(tài)分區(qū)比較， 清水區(qū)范圍明顯比 1/4 開度時(shí)窄，仍呈三角形狀收縮，其長(zhǎng)度在30m 左右，此時(shí)的清水區(qū)表面已有少量摻氣，水舌右側(cè)與左側(cè)相同，也分別為表面摻氣區(qū)，多噴射躍射區(qū)，流態(tài)與1/4 開度相似。水舌霧化，主要是水舌頭部落水后頂沖河床右側(cè)巖體，形成陣發(fā)性垂直向上濺起的水柱， 水體迅速在對(duì)流空氣中霧化， 水舌頭部濺起高度可達(dá)進(jìn)廠公路 865m 高程，形成的水霧在

11、無風(fēng)情況下，沿著右岸山坡爬至968m 高程左右。(3)閘門全開工況下流態(tài)出口水舌大量摻氣，主流區(qū)仍在左側(cè)，且水舌左高右低，水舌距洞出口 45m左右時(shí)開始下落，其頭部寬度在35m 左右；洞出口水流已無清水區(qū)，主要表現(xiàn)為水舌摻氣、躍射。在三種閘門開度工況下，剛開啟和關(guān)閉時(shí)，均出現(xiàn)水舌砸本岸現(xiàn)象，開啟時(shí) 在2min左右，閘門關(guān)閉時(shí)，歷時(shí)1min左右。3.3 表面流速采用浮標(biāo)法測(cè)定各閘門開度下的表面流速，見表 2表2表面流速觀測(cè)成果表閘門開度(e)庫(kù)水位(m)浮標(biāo)平均歷時(shí)(s)表面流速(m/s)1/4968.0817.2527.941/2967.9317.5027.54全開917.7118.3526.

12、27由上表可知各閘門開度下，水流表面流速基本相同，流速變化主要受水頭影 響。3.4 水舌形態(tài)測(cè)定了三個(gè)閘門開度下的水舌軌跡，同時(shí)與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4表4水舌軌跡試驗(yàn)對(duì)比表庫(kù)水位(m)尾水位(m)閘門開度(e)入水前 緣距出口(m)入水下 緣距出口(m)入水長(zhǎng)度(m)水舌最局部位寬度(m)入水寬度968.08842.15原型1/4164798529240967.93843.13原型1/2155728330245967.71844.72原型全開130428837970.00847.00模型全開115496685觀測(cè)中我們發(fā)現(xiàn)，原型與模型的觀測(cè)結(jié)果存在一定區(qū)別，經(jīng)過分析認(rèn)為主要是因?yàn)樵谠托顾畷r(shí)

13、，水流摻氣更充分，水舌膨脹也就大得多4消能工時(shí)均壓力及脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)壓力P (t)為時(shí)均壓力與脈動(dòng)壓力中/之和，即P (t) =P+P，其中P包括靜水頭和部分動(dòng)水頭，而脈動(dòng)壓力則通過以下四種特征值來描述： 均方根值，表示脈動(dòng)壓力強(qiáng)度的特征值；功率譜密度函數(shù)，表示脈動(dòng)壓力隨機(jī)過程的頻率分布結(jié)構(gòu)；自相關(guān)函數(shù)，用來描述隨機(jī)過程在時(shí)間域上的特性； 概率密度函數(shù)，表示不同脈動(dòng)強(qiáng)度的相應(yīng)概率。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)測(cè)得各組壓力時(shí)均值，瞬時(shí)最大壓力、最小壓力值,脈動(dòng)壓力均方差及相關(guān)參數(shù)見表 3。表3觀測(cè)結(jié)果參數(shù)表測(cè)占 八、閘門開度(e)上游水位(m)8M:Q(m3/s)時(shí)均壓力(KPa)最大壓力(KPa)最

14、小壓力(KPa)脈壓均方根(KPa)(KPa)(KPa)優(yōu)勢(shì)頻率f(Hz)紊動(dòng)系數(shù)Cv(%)1#1/4968.0873090.68104.2178.333.757.359.680.904.141/2967.93128496.61118.1682.614.118.0610.600.344.25全開;967.711926145.43161.82131.923.637.119.370.482.502#1/4968.0873072.0190.5357.794.188.1910.781.065.801/2 967.93128477.84全開967.71192692.553#1/4968.0873051.

15、3568.6039.603.406.668.770.726.621/21967.93128461.0781.77146.654.328.4711.150.417.07全開967.71192667.0888.1554.684.478.76311.530.396.67從測(cè)試結(jié)果分析可知，各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率明顯，自相關(guān)性好，其脈動(dòng)概率密度分布均近似高斯正態(tài)分布。按正態(tài)分布考慮，即可取概率為P=68.3%的均方差()為平均脈動(dòng)壓力強(qiáng)度，取 P=95.44%的脈動(dòng)壓力1.96排為計(jì)算動(dòng)水荷載的最大脈動(dòng)壓力；取 P=99.74%的脈動(dòng)壓力強(qiáng)度2.586作為研究空穴水流的最大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度。在上表中2.58

16、X 項(xiàng)，各值遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的時(shí)均正壓，故不會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。 從各測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓力分析， 流量增大，1#測(cè)點(diǎn)水深隨之增大，同時(shí)1#測(cè)點(diǎn)已處于反弧上挑部位，測(cè)值中反應(yīng)了一部分動(dòng)壓水頭，故時(shí)均壓力增值較高，而反弧未端3#測(cè)點(diǎn)由于斜鼻坎作用，部分水流已由側(cè)面下泄，此部位時(shí)均壓力變化不十分明顯。 從脈動(dòng)壓力均方差分析， 隨著閘門開度加大， 泄量增加，1#測(cè)點(diǎn)在全開時(shí)，紊動(dòng)系數(shù)降低，3#測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)程度變化不大。從測(cè)點(diǎn)沿程分布看：越接近挑坎未端，水流摻氣量越大，紊動(dòng)越強(qiáng)烈，即3#測(cè)點(diǎn)Cv 值大于2#測(cè)點(diǎn)，2#測(cè)點(diǎn)Cv 值大于1#測(cè)點(diǎn)，這是符合一般規(guī)律的。各閘門開度下，由各測(cè)點(diǎn)頻譜圖分析可得出以下結(jié)論：各測(cè)點(diǎn)部位脈動(dòng)優(yōu)

17、勢(shì)頻率在0.341.06Hz之間，脈動(dòng)最大能量在低頻區(qū)。5 泄洪洞泄洪后現(xiàn)場(chǎng)檢查與評(píng)價(jià)在測(cè)試前對(duì)泄洪洞整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一次全面檢查。檢查結(jié)果：泄洪洞側(cè)墻及頂拱混凝土澆筑較好。 底板混凝土澆筑不平整， 較嚴(yán)重的已做修補(bǔ)， 洞身中部有幾處橫向施工縫錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重， 造成局部沖蝕， 大部分修補(bǔ)的混凝土已被沖掉， 在泄洪洞0+441.30+418.4之間有三條橫向裂縫，裂縫表面寬度最大23mm,邊墻 有垂直裂縫。放水后對(duì)泄洪洞又進(jìn)行了一次檢查； 發(fā)現(xiàn)原洞身中部底板橫縫處破壞進(jìn)一步擴(kuò)大，寬度達(dá)2030cm； 0+472.27樁號(hào)靠右底板出現(xiàn)氣蝕區(qū)，呈小坑狀。由于出現(xiàn)破壞的區(qū)域均不在負(fù)壓區(qū)， 從破壞發(fā)生的現(xiàn)象分析

18、， 認(rèn)為其主要原因是因?yàn)檫^流混凝土表面不平整度較大， 高速水流通過時(shí)產(chǎn)生了氣蝕， 不平整區(qū)的混凝土 大部分已被沖掉，建議采用高強(qiáng)度材料對(duì)表面不平整處進(jìn)行修整。6 結(jié)語(yǔ)（ 1）東風(fēng)水電站泄洪洞的泄流能力滿足設(shè)計(jì)泄量要求，進(jìn)口導(dǎo)墻體型合理，水流平順， 若將進(jìn)口前緣左側(cè)施工遺留殘?bào)w清除， 流態(tài)會(huì)更好些。 泄洪洞過流面不平整度不能完全滿足高速水流下的過流要求， 造成一些輕微的沖蝕現(xiàn)象， 必須進(jìn)行相應(yīng)處理。（ 2）消能工底部脈動(dòng)強(qiáng)度不大，對(duì)其結(jié)構(gòu)不會(huì)構(gòu)成威脅，消能效果較好，水舌在空中的摻氣效果良好， 雖然出現(xiàn)水舌底流頂沖河床本岸坡腳的現(xiàn)象， 但均在設(shè)計(jì)沖坑范圍內(nèi)， 不致對(duì)其它建筑物構(gòu)成太大威脅。( 3)

19、水舌在空中摻氣和入池的劇烈碰撞，產(chǎn)生了大量的霧雨，受山體和峽谷風(fēng)的作用，主要影響進(jìn)廠公路交通，此部位處于霧化產(chǎn)生的強(qiáng)暴雨區(qū)。參考文獻(xiàn)：1 王木蘭 紊流的統(tǒng)計(jì)概念及其在高速水流中的某些應(yīng)用 R 。 1981.52趙世俊，李桂芬，周勝.水流脈動(dòng)壓力研究中的幾個(gè)問題J.水利學(xué)報(bào)，1959 (4)3黃濤.水流壓力脈動(dòng)的特性及模型相似律J.水利學(xué)報(bào)，1993(1)4 黎發(fā)貴 ,羅友余,葉緒綱 .烏江東風(fēng)水電站水文原型觀測(cè)分析J.1999(6)作者簡(jiǎn)介：宿輝( 1972)，男，河北保定人，講師，鄭州大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。Water Discharge Archetype Observation and Analysis ofDongFen Hydroelectric Station Spillway OutletSu Hui 1， Zheng Wenxin 2(1.Hebei University of Engineering ， Handan 056021， Hebei ， China;2 Liming University ，