水電站泄洪消能問題探究,水利水電論文

水電站泄洪消能問題探究,水利水電論文1工程大概情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(yùn)、環(huán)境保衛(wèi)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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2220MW,多年平均發(fā)電量為100108kWh.大壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為11300m3/s,經(jīng)水庫調(diào)蓄后庫水位為2305m,樞紐下泄流量〔電站不泄流〕為11115m3/s;大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為9970m3/s,經(jīng)水庫調(diào)蓄后庫水位為2302m,樞紐下泄流量〔含電站〕為9850m3/s;大壩正常蓄水位為2302m,正常蓄水位下面庫容為7.81108m3.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(duì)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(jiān)硬巖。樞紐布置方案采用雙曲拱壩+壩身泄洪〔3個(gè)表孔，從左至右依次為#1、#2、#3+4個(gè)中孔，從左至右依次為#1、#2、#3、#4〕+右岸地下廠房〔4臺(tái)機(jī)組〕+左岸2條導(dǎo)流洞〔圖1〕。表、中孔按泄洪中心線對(duì)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2286m,表孔孔口尺寸為12m16m〔寬高〕，堰面采用WES曲線，堰面曲線方程為y=0.04529x1.85.泄洪中孔采用有壓管型式，進(jìn)口底板高程為2222.00m,頂板高程為2232.65m,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7m5m〔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。華而不實(shí)#2、#3中孔洞長44.1m,整個(gè)洞身底板〔包括出口〕均為2222.00m,出口段平面上孔寬由6m漸擴(kuò)至7m,洞頂采用1∶6.9的壓坡，孔高由8m漸縮至5m〔出口洞頂高程為2227.00m〕，出口挑角為0；#1、#4中孔洞長43.7m,出口底板高程為2226.15m,頂板高程為2230.72m,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280m60m〔長寬〕，底板高程為2108m,校核工況下水墊塘水深58.8m,水面寬約110m〔下游水位2166.80m〕；二道壩采用混凝土壩，壩頂高程為2152.50m,上游側(cè)壩坡比1∶0.5,下游側(cè)坡比1∶0.3,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(diǎn)及水墊塘底板防沖是需重點(diǎn)解決的問題[1].對(duì)此，本文通過整體水工模型試驗(yàn)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，按重力類似準(zhǔn)則建模[2].根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)和要求，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和模型規(guī)模，取模型幾何比尺為1∶100.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1800m.根據(jù)水墊塘底板高程2108.00m,并考慮測(cè)壓管和壓力傳感器安裝要求，確定大廳地坪高程為2050.00m;根據(jù)模型最高洪水位〔上游2305.00m,下游2167.00m〕和富有超高，確定上、下游導(dǎo)墻頂高程分別為2330.00、2190.00m.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(yàn)工況試驗(yàn)條件和工況見表1.各試驗(yàn)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(yàn)。當(dāng)無下游防洪任務(wù)時(shí)，對(duì)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(shí)，控制下泄流量，按來量下泄，壩前水位為2302.00m;當(dāng)洪水來量高于正常蓄水位泄流能力時(shí)，敞泄，壩前水位相應(yīng)壅高。3.2流態(tài)表孔單獨(dú)泄洪時(shí)，水流前后呈兩層落入水墊塘中。各工況下，#2表孔水舌挑距近期，#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中孔水舌交匯處構(gòu)成水翅，入塘水流構(gòu)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(hào)0+50~0+200區(qū)域涌浪較大，塘底水舌沖擊區(qū)為樁號(hào)0+120~0+140區(qū)域，附壁射流在樁號(hào)0+130~0+220區(qū)域，底部水流與外表水流旋滾，摻混劇烈，樁號(hào)0+100~0+250為主要旋滾消能區(qū)域，兩側(cè)樁號(hào)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(dú)泄洪時(shí)，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。水流入塘后構(gòu)成淹沒射流，射流水股恰好觸及底板，底部附壁射流特征不明顯。底部旋滾與外表旋滾卷吸，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(shí)，表、中孔水舌呈上下、左右碰撞消能特點(diǎn)。#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(duì)稱布置，#1、#3表孔水舌左右碰撞，之后與#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，主要表如今水墊塘底板上沖擊動(dòng)水壓力的大小和壓力梯度的均勻性。水墊塘底板沖擊動(dòng)水壓力[3]為：P=Pmax-T〔1〕式中，P為水墊塘底板沖擊動(dòng)水壓力；Pmax為沖擊區(qū)最大時(shí)均動(dòng)水壓力；T為水墊深度。由式〔1〕可知，水墊塘底板沖擊動(dòng)水壓強(qiáng)與沖擊區(qū)最大時(shí)均動(dòng)水壓力、水墊深度密切相關(guān)。前者通?？捎蓽y(cè)壓管系統(tǒng)量測(cè)，而水墊深度的選取卻不太統(tǒng)一[4].結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況，采用挑流水舌內(nèi)緣入水點(diǎn)上游水深〔樁號(hào)0+088斷面〕作為計(jì)算塘內(nèi)沖擊動(dòng)水壓力的水墊深度。各工況下，壩身孔口挑射水流進(jìn)入水墊塘均能構(gòu)成淹沒水躍。各工況水墊塘底板動(dòng)水壓力分布見表2.1MATLAB軟件擬合模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到底板動(dòng)水壓力立體圖和等值線。由表2、圖3可知：①表孔單泄時(shí)底板最大沖擊壓力為42.2~80.4kPa,沖擊區(qū)為樁號(hào)0+120~0+140段，距壩址92~112m,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。②中孔單泄底板沖擊區(qū)峰值不明顯，實(shí)測(cè)最大沖擊壓力為36.3~46.1kPa,沖擊區(qū)為樁號(hào)0+200~0+230段，距壩址172~202m.③表、中孔聯(lián)合泄流時(shí)，表、中孔水舌上下空中碰撞。#1、#4中孔分別與#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，構(gòu)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(shí)測(cè)最大沖擊壓力為175.6~346.3kPa,沖擊區(qū)為樁號(hào)0+200~0+230段，距壩址172~202m.以上分析表示清楚：①中孔單獨(dú)敞泄時(shí)水舌挑距較遠(yuǎn)，水墊塘長度略嫌缺乏；②大流量表、中聯(lián)泄時(shí)，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大沖擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，大壩校核工況5000年一遇洪水實(shí)測(cè)底板時(shí)均沖擊壓力達(dá)282.5kPa.因而，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(cè)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)歷體驗(yàn)，在表孔出口加設(shè)齒坎，分散表孔水舌，進(jìn)而避免相鄰孔水舌搭接，到達(dá)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)147.2kPa以內(nèi)，可保證工程安全運(yùn)行?！?】4結(jié)論該水電站大壩采用壩身3個(gè)表孔、4個(gè)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)齒坎不僅能夠調(diào)整水舌落點(diǎn)，還可起到分散水舌的作用，有效降低沖擊動(dòng)水壓力。研究成果可供類似工程參考。以下為參考文獻(xiàn)：[1]王均星，尹浩，劉