X寬尾墩應用與發(fā)展的試驗研究

1、X寬尾墩應用與發(fā)展的試驗研究第26卷第4期2007年8月水力發(fā)電J0URNALOFHYDROELECTRICENGINEEmNGVo1.26No.4Aug.,2007X寬尾墩應用與發(fā)展的試驗研究尹進步,梁宗祥,龔紅林(西北農(nóng)林科技大學,陜西楊凌712100)摘要:本文在總結(jié)傳統(tǒng)寬尾墩與普通x寬尾墩消能工所存在問題的基礎上,通過思林水電站泄洪消能建筑物的試驗結(jié)果分析,提出一種新型x寬尾墩消能工.該消能工體型簡單,能滿足表孔泄洪流量變化范圍大,消力池縱向長度小,尾坎低的要求.與傳統(tǒng)寬尾墩對比試驗結(jié)果表明,消力池水流消能充分,下游河道水面波動小,消力池底板脈動小,滿足工程安全運行的需要.關鍵詞:水力

2、學;新型x寬尾墩;模型試驗;消能;泄洪中圖分類號:TV135.2文獻標識碼:AExperimentalstudyonapplication&development0fXtypeflaringgatepiersYINJinbu,LIANGZongxiang,GONGHonglin(NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForest,Yanglingcity,Shanxiprovince712100)Abstract:ThispaperputsforwardanewXtypeflaringgatepierbyhydraulicmode

3、ltestontheSilinhydropowerstation.Thesimpleshapecansuitthelargevariablerangesofflooddischarges,theshortstillingbasinandthelowtailweir.Thetestresultsshowthatthepierhasthehighenergydissipationandthesmallflowfluctuationonthebottomofstillbasinincomparisonwithconventionalflaringpiers.Keywords:hydraulics;a

4、newXtypeflaringgatepier;hydraulicmodeltest;energydissipation;flooddischargesO寬尾墩發(fā)展綜述寬尾墩作為一種適應于大單寬泄洪建筑物的消能工,先后在許多工程上得到應用.從工程運行結(jié)果看,由于寬尾墩作用,傳統(tǒng)消力池二元水躍變?yōu)槿S,增加摻氣,提高消能率同時,消力池長度也得到了大幅度減小,安康,五強溪,巖灘等工程消力池長度,均比傳統(tǒng)二元水躍消力池縮短一半以上¨.通過對已建工程泄洪運行結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)寬尾墩還存在一些問題.第一,傳統(tǒng)寬尾墩只適應大單寬高尾水的泄洪,當尾水深度較小或高庫水位單孔開啟時,大單寬泄洪可能

5、會發(fā)生消力池底板脈動急劇上升,甚至破壞消力池底板結(jié)構穩(wěn)定的問題,安康與五強溪泄洪均出現(xiàn)過此現(xiàn)象;第二,小流量泄洪時,難以形成縱向拉開的寬尾墩水舌,水流成一集中水股砸向壩面,壩面承受的沖擊壓強急劇增加,嚴重時,壩面被砸出許多小坑,小坑在大洪水泄洪時可能會引起壩面空蝕破壞問題發(fā)生.針對傳統(tǒng)寬尾墩存在的問題,文獻2,3在烏江索風營工程的試驗研究中,結(jié)合臺階壩面的使用,繼承傳統(tǒng)寬尾墩優(yōu)點同時,推出x寬尾墩消能工.x寬尾墩是在常規(guī)寬尾墩底部開一2m3m高的斜El后形成,其它部分與常規(guī)寬尾墩完全相同,但其優(yōu)點卻表現(xiàn)得比較突出.第一,下開El使底部比常規(guī)寬尾墩多出一個水墊層,消力池底板沖擊壓強比常規(guī)寬尾墩最

6、大可減小約30%;第二,小流量泄洪不出現(xiàn)沖砸壩面問題,大流量泄洪與常規(guī)寬尾墩完全相同;第三,與臺階壩面聯(lián)合使用,消能率至少提高約5%l0%,特別是施工期渡汛,壩面可以直接過流,節(jié)約投資同時,也節(jié)約了工期,索風營水電站首臺機組提前近半年發(fā)電的事實充分證明了這一優(yōu)勢的存在.已經(jīng)使用寬尾墩的幾個工程,包括建成或在建的工程,其表孔單寬最大泄量只有250m3/s?m,但實際工程中,由于河谷地形限制,有些工程的單寬泄量已超過250m3/s?m,堰頂水頭也超過25m,暫且稱其為特大單寬泄量.對收稿日期:2005.12.22作者簡介:尹進步(1968一),男,高級工程師.E?mail:xbsyjbsina.c

7、orn第4期尹進步等:x寬尾墩應用與發(fā)展的試驗研究37于特大單寬泄洪建筑物而言,如果我們還繼續(xù)使用傳統(tǒng)寬尾墩或x寬尾墩,從適應堰頂水頭的高度需要,則寬尾墩高度就必須增加,同時為滿足三元水躍的要求,消力池長度也必須增加.這些變化可能為建筑結(jié)構或樞紐布置帶來許多問題.為了滿足上述變化的需要,本文通過思林水電站泄洪消能問題研究,提出一種新型x寬尾墩,為這些問題的解決提供了較好參考依據(jù)1新型X寬尾墩的設想與體型簡介一般情況下,寬尾墩都是與戽式消力池聯(lián)合使用.我們知道,同樣泄洪寬度條件下,單寬泄洪量越大,下游河道尾水深度越大.一般深尾水,比較適合戽式消力池使用,但戽式消力池對尾水深度和尾坎的高度,挑射角

8、要求也比較嚴格.如果戽池尾坎高度與挑角比較大,而水深小時,消能可能充分,沖坑深度減小,但下游河道水面波動大;如果戽池尾坎高度與挑射角較小,而水深大時,下游河道可能出現(xiàn)潛底戽流,引起河床淘刷深度增加.因此深尾水在適合戽式消力池使用的同時,對尾坎高度與挑射角不變的戽式消力池而言,則要求其尾水變幅不能太大.而一般實際工程泄洪流量變化范圍都比較大,特別是河道狹窄,樞紐布置矛盾比較突出時,多數(shù)情況下,洪水都要通過表孔下泄,因此表孔的泄洪變化幅度更大,下游尾水深度變幅也就隨之增加.如果我們還繼續(xù)使用簡單x寬尾墩與戽池聯(lián)合消能的泄洪方式,則下游河道可能出現(xiàn)許多問題,如:小流量泄洪河道水面波動大,而大流量泄洪

9、河床潛底淘刷又比較嚴重.為了解決上述問題,我們在x寬尾墩基礎上,對其體型進行了調(diào)整,使中小洪水保持x寬尾墩泄洪消能特性,而大洪水或特大洪水時,泄洪方式發(fā)生變化.在x寬尾墩泄洪方式的基礎上,充分利用深尾水和消力池空間增加一部分挑流泄洪形式.水深,消力池空間與水頭的合理匹配應用,既降低了戽池尾坎高度,又解決了堰頂水頭與尾水深度變幅大的消能問題.新型x寬尾墩消能工就是根據(jù)這一思想而產(chǎn)生.新型x寬尾墩體型如圖1(b)所示,與圖1(a)所示普通x寬尾墩比較可以發(fā)現(xiàn),它是在一般x寬尾墩基礎上,下部體型不變,頂部AEF斜平面轉(zhuǎn)化為橢圓錐曲面后得到,另外寬尾墩總高度cF相對于一般寬尾墩要適當減小.當流量在20

10、0m/s?m以下時,水流基本呈現(xiàn)x寬尾墩水舌形態(tài),當流量大于200m/s?m時,大于200m/s?m的流量則通過寬尾墩頂部,呈現(xiàn)挑射水流形式下落.整個水舌橫斷面為"工"字形,底部沿壩面橫向展開,中間通過寬尾墩窄縫形成縱向拉開水舌,在寬尾墩頂部,水舌橫向展開以挑流形式越過寬尾墩,水流形態(tài)如圖2所示.寬尾墩頂部橢圓錐曲面保證了過流面的光滑,避免邊界突變引起的水流空蝕破壞現(xiàn)象發(fā)生.上,中,下三部分水流分流比依據(jù)消力池水墊深度及消力池長度而定.ABFEABEDC圖1寬尾墩詳圖Fig.1Dataileddrawingofflaringgatepier2工程試驗成果分析圖2泄水建筑物剖

11、面圖(單位:m)Fig.2Sectionaldrawingofdischargestructure(unit:m)2.1工程概況烏江思林水電站位于貴州省思南縣,是烏江干流的第五個梯級電站.工程樞紐由碾壓混凝土重力壩,壩頂七個泄水表孔,一個沖沙底孔,右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及左岸通航系統(tǒng)等組成.泄洪消能系統(tǒng)采用表孔寬尾墩+臺階壩+尹進步,烏江思林水電站水工水力學模型試驗報告R.陜西楊凌.水利部西北水利科學研究所實驗中心.2005FeC門ADFEC=二7AD38水力發(fā)電2007鉦面+消力池的聯(lián)合泄洪消能方式,原設計寬尾墩為Y型寬尾墩,經(jīng)試驗調(diào)整,最后為工程推薦新型x寬尾墩,體型縱剖面如圖2所示.電站裝機容

12、量1000MW,堰頂高程為418.5m,水庫正常蓄水位440.0m,對應下泄流量19400m3/s,設計庫水位444.83m,對應下泄流量25737m3/s,校核庫水位449.27m,對應下泄流量32922/s.表孔堰面泄流總寬度91m,三個水位過堰單寬泄流量都比較大,分別為213m3/s?Ill,283m3/s?m和362m/s?m,特別是校核水位,單寬泄量超過360m/s?m,在已建同類工程單寬泄量中,堪稱為世界之最.如果以此單寬流量計算消力池長度,普通消力池需要180m以上,采用寬尾墩消能工的消力池長度也應在80m以上,而原設計消力池全部長度不足65m,且消力池尾坎后緊接電站尾水渠.如此

13、緊密布置形式,對泄洪消能提出比較嚴格的要求.第一,消力池長度不能增加,消能還必須充分;第二,池后水面波動必須非常小,滿足電站正常運行的需要;第三,消力池底板沖擊壓強與脈動壓強必須滿足安全要求.試驗結(jié)果所推出的新型x寬尾墩,使上述問題全部得到解決.具體試驗成果如下.2.2水流形態(tài)與分流比原設計寬尾墩體型為Y型寬尾墩,寬尾墩高度接近32m,校核水位時,寬尾墩水舌外緣已伸出了消力池尾坎,在原設計消力池尾坎高度7.32m時,尾坎后出現(xiàn)比較嚴重的潛底戽流流態(tài),為了改變流態(tài),避免過大河床沖刷問題發(fā)生,將尾坎高度抬高至10m,潛底戽流流態(tài)得到改善,但高尾坎使中低庫水位泄洪時,河道波浪加大,嚴重影響電站的正常

14、運行.將寬尾墩修改為新型x寬尾墩后,消能工使水流在不同庫水位,出現(xiàn)不同水流流態(tài).庫水位440m以下,水舌完全呈現(xiàn)普通x寬尾墩水流形態(tài),一部分緊貼壩面橫向展開,一部分以寬尾墩窄縫縱向拉開,且底部橫向展開水流為縱向水舌提供一部分水墊作用;當庫水位高于440m后,通過寬尾墩的水流仍呈現(xiàn)寬尾墩水舌形態(tài),而高出寬尾墩AE線的水流立即向兩邊拓展,隨著庫水位的進一步上升,寬尾墩頂部水流完全形成一橫向展開的挑流水舌挑向消力池,如圖2所示,由于河道狹窄,消力池水深較大,上,下橫向展開水舌與寬尾墩縱向拉開水舌在消力池中碰撞紊動,形成比較復雜的多元水流紊動,池中水流消能比較充分,池后水面比較平穩(wěn).不同庫水位給予水流

15、不同消能形式,利用有限的空間和消能水體,使水流能量得到了合理的分散轉(zhuǎn)換.經(jīng)試驗測算,當總泄量不大于3400m3/s,即單寬泄量不超過3740II13/s?m時,水流基本通過x寬尾墩底部開口,緊貼壩面橫向展開通過,這一分流比是根據(jù)臺階面安全過流最大單寬泄量而定;當總泄量大于3400m/s時,底部開口通過的泄量基本穩(wěn)定在3400m3/s左右.當庫水位達到設計水位444.83m時,頂部挑流水舌流量約占總泄量的40%左右,到校核水位449.27m時,頂部泄量占總泄量的50%左右,即利用消力池深尾水,挑流消能率高的特點,接納了總泄量的一半水流,各方面優(yōu)勢得到了集中使用.2.3電站尾水渠水流涌浪分布Y型寬

16、尾墩水舌縱向拉開后,水舌落點區(qū)縱向范圍長.試驗測試發(fā)現(xiàn),為了滿足水流在消力池中消能的要求,不增加消力池長度條件下,挑射角仍保持45.,消力池尾坎高度需提高到10m.但高尾坎,大挑角中低庫水位泄洪時,電站尾水渠附近出現(xiàn)較大水面波動;而采用新型x寬尾墩后,各種工況消力池水流紊動消能都比較充分,消力池尾坎可采用1:2.5的斜坡挑角,高度降低至6m.進行不同庫水位泄洪測試,電站尾水渠附近水面波動減小到12m,保證了電站的正常運行.利用波高儀分別對原設計Y型寬尾墩以及修改后新型x寬尾墩電站尾水渠涌浪分布情況分別進行測試,測試結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出,原設計Y型寬尾墩設計水位及正常蓄水位泄洪時,電站

17、尾水渠涌浪最高接近4m,比相應的新型x寬尾墩涌浪高近2m,平均涌浪高度23m,比新型x寬尾墩高11.5m.2.4消力池底板脈動壓強圖3涌浪分布曲線Fig.3Curveofswell消力池底板脈動引起破壞是傳統(tǒng)寬尾墩中小流量無法克服的一個問題,特別是當下游消力池尾水比較低,而上游水位較高時,一般情況下底板脈動壓強都比較大.已建安康,五強溪等工程的破壞就是在此條件下發(fā)生.思林電站單寬泄量比一般工程大,而消力池長度又比一般工程短,因此本工程消力池底板脈動問題更加突出.第4期尹進步等:x寬尾墩應用與發(fā)展的試驗研究39為了對消力池底板的脈動分布情況進行分析,試驗針對新型x墩,尾坎高度6m,以及原設計Y墩

18、,尾坎高度10m兩種體型,先后進行了不同庫水位或同一庫水位,下游不同尾水位的多組脈動壓強測試.測試結(jié)果表明,不管采取哪種消能工,消力池底板的脈動對下游尾水位的變化都非常敏感.所有全開工況相對于分孔開啟要安全,而分孔開啟工況中,正常蓄水位單孔開啟脈動強度又最大.表1就是正常蓄水位7孔全開,單孔開啟,采用兩種寬尾墩時,沿消力池中心線方向脈動壓強的測試結(jié)果表1正常蓄水位消力池脈動壓強×9.8kPaTable1ThefluctuationonstillingbasinunderNWL由于使用Y型寬尾墩時尾坎高度10m,而使用新型x寬尾墩時,尾坎高度只有6m,所以正常蓄水位7孔全開時,x寬尾墩

19、泄洪時,在靠近壩腳處產(chǎn)生約30kPa的脈動壓強,比Y墩略大一些.但在比較危險的單孔開啟時,新型x寬尾墩優(yōu)勢表現(xiàn)的比較突出.Y型寬尾墩泄洪時,水流全部通過寬尾墩窄縫下泄,雖然在離開寬尾墩初始段形成縱向拉開水舌,但在入水時,水舌存在普遍下壓,縱向重疊現(xiàn)象,出現(xiàn)入水能量集中,消能不充分的問題;而新型x寬尾墩在底部增加消能緩沖水墊的同時,單寬泄量大于200m3/s?m時,水舌頂部開始橫向展開,充分利用空間分散入水能量,所以入池后水流消能比較充分,脈動均方根普遍比Y型寬尾墩小.進一步分析發(fā)現(xiàn),在距離壩面坡腳2m左右處,x墩與Y墩水舌都在緊貼壩面流動,所以脈動大小差別不是很大;隨著測點遠離壩腳距離的增加,

20、Y墩水舌下壓的趨勢逐漸增加,而x墩水墊消能的作用也在不斷增加,因此二者的脈動差距逐漸增大;隨著縱向距離的進一步增加,測點逐漸到達Y墩水舌外緣,脈動也開始減小,而此時,測點又距離x墩項部橫向展開水舌落點區(qū)域也越來越近,x墩脈動強度又開始增加,二者的差距逐漸縮小,但直到消力池末端,x墩水流的脈動強度始終比Y墩小1015kPa,試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),當庫水位高于正常蓄水位時,新型x墩與Y墩的這一變化趨勢表現(xiàn)的更加明顯.2.5消能防沖分析從上述分析過程可以看出,原設計的Y墩消能方案基本是"傳統(tǒng)寬尾墩+戽式消力池"消能模式.該方案消力池長度已經(jīng)確定時,戽池末端的尾坎形式及高度對消能效果影

21、響非常大.當采用原設計R=25m,挑射角=45.的尾坎時,尾坎高度7.32m,在設計庫水位時,下游沖坑深度約10m,校核水位沖坑深度約20m;如果尾坎改為R:34m,挑射角:45.時,尾坎高度10m,設計水位基本無沖刷,校核水位沖坑深度約8m,沖坑深度減小,但高尾坎使水流將消力池未消除的大量余能通過水流波動帶向下游河道,實測下游河道水流岸邊的表,中部均有78m/s以上流速出現(xiàn),對岸邊可能產(chǎn)生嚴重沖刷.采用新型x墩后,整體的消能模式已發(fā)生變化.正常蓄水位以下雖然仍以"普通x寬尾墩+戽池"的模式進行消能,但底部多出一股橫向展開水流,與寬尾墩水舌共同紊動,增加消能;庫水位高于正常

22、蓄水位時,頂部橫向展開水舌以挑流形式落入深尾水消力池中,水流消能形式超越了傳統(tǒng)的三元水躍消能模式,消能則更加充分.消力池中水流消能程度的改變,使尾坎高度與挑射角度也發(fā)生變化,尾坎采用1:2.5的斜坡,高度6m,比Y墩減小4m.低尾坎,小挑角避免了下游水流的大波動,庫水位低于448.5m時,下游河道無任何沖淤出現(xiàn),校核水位時,出現(xiàn)不足7m的小沖坑,下游河道水流流速非常小,實測不超過34m/s.3結(jié)語"傳統(tǒng)寬尾墩+戽式消力池"的泄洪消能模式,雖然解決了許多大中單寬泄洪建筑物泄洪消能問題,但同時也暴露出不適應小單寬泄洪,大中單寬低尾水消力池底板沖擊壓強過大等問題,"普通

23、x寬尾墩與臺階壩面聯(lián)合應用"模式的出現(xiàn),雖然解決了傳統(tǒng)寬尾墩所存在的問題,但隨著工程規(guī)模的增加,在一些特大單寬,短消力池泄洪建筑物的泄洪消能中,又存在寬尾墩高度太高,而短池或低尾坎又難以適應的問題.思林水電站泄洪消能試驗結(jié)果所推出的新型x寬尾墩消能工,以其體型簡單,適應流量變化范圍大等特點解決了傳統(tǒng)寬尾墩與普通x寬尾墩所存在的所有問題,試驗結(jié)果分析表明,該消能工消能充分,河道尾水波動小,消力池底板脈動強度小.在解決思林工程泄洪消能問題的同時,也為同類工程設計提供一定參考依據(jù).(下轉(zhuǎn)至第35頁)第4期黃國如等:利用區(qū)域流量歷時曲線模擬東江流域無資料地區(qū)的EI徑流過程353結(jié)論TOPMO

24、DEL模型是以地形為基礎的半分布式流域水文模型,其模型結(jié)構相對較為簡單,模型參數(shù)較少,在濕潤地區(qū)可以得到較高的模擬精度.由于無資料地區(qū)往往沒有實測的流量資料,故難以采用常規(guī)的方法進行模型的參數(shù)優(yōu)化.將東江流域中的13個子流域作為研究區(qū)域,采用多年平均法得到各個子流域的FDC,直線插值得到13個指定頻率下的流量值.以其中的11個子流域中的流量值分析流量歷時曲線與流域地形,地貌特征的相關關系,結(jié)果得知指定頻率下的流量值與流域面積和地形坡度等參數(shù)存在著較好的相關關系,確定性系數(shù)皆大于0.9.以星豐和岳城兩個流域作為驗證流域,模擬得到的FDC和實測的FDC較為吻合,因而可以通過無資料地區(qū)的流域面積和地

25、形坡度得到FDC,進而解決無資料地區(qū)的FDC區(qū)域化問題.以插值得到的13個指定頻率下的流量值作為TOPMODEL模型參數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù),模擬得到的流量過程線精度較高,說明采用該途徑可得到精度良好的模擬結(jié)果.該方法為無資料地區(qū)的徑流模擬預測提供了一條簡便可靠的途徑,值得在實際中加以應用.參考文獻:1SivapalanM,TakeuchiK,FranksSW.IAHSDecadeonPredictionsinUngaugedBasinS(PUB),20032012:ShapinganexcitingfutureforthehydrologicalsciencesJJ.HydrologicalScienceJoumal,2003,48(6):857880.2楊大文,夏軍,張建云.中國PUB研究與發(fā)展A.夏軍.水問題的復雜性與不確定性研究與進展C.北京:中國水利水電出版社,2004:4754.13JYuPS,YangTC.UsingsyntheticflowdurationcurvesforrainfallrunoffmodelcalibrationatungaugedsitesJ.HydrologicalPr