高水頭泄水建筑物消能方式探討

高水頭泄水建筑物消能方式探討

1底流消力池消能高速車輛的清洗和空化侵蝕隨著高洪水建筑物的安全運(yùn)行而發(fā)生，這是一個不容忽視的技術(shù)問題之一。解決這一難題的方式有兩種:第一種,把大部分泄洪能量集中于下游消力池或水墊塘,以底流水躍消能方式消散洪水能量,其特點(diǎn)是以水與水相互作用為主,完成消散能量的過程,簡稱集中消能方式。第二種,通過充分挖掘流道(包括閘室、溢流體、陡坡、陡槽空中運(yùn)行段等)的消能潛力,消除部分或大部分泄洪能量,減輕消力池或水墊塘的消能負(fù)擔(dān),順利完成泄洪消能任務(wù);其特點(diǎn)有:水與水、水與固體邊界、水與空氣的相互作用,簡稱分散消能方式。對于集中消能方式,溢洪道的消力池以前的建筑物(如閘室、斜坡、陡槽段)的設(shè)計,通常遵循“流線型”、“光面化”準(zhǔn)則,建筑物對水流的阻力小,被水流沖刷破壞的風(fēng)險亦小,把80%～90%的泄洪能量集中到下游消力池或水墊塘。但當(dāng)消力池或水墊塘不堪重負(fù)時,就可能遭受破壞,甚至為工程所不允許。當(dāng)然,如果有條件把消力池或水墊塘建大些,質(zhì)量做得足夠堅實(shí),在技術(shù)上仍然可行但不一定經(jīng)濟(jì),要進(jìn)行具體經(jīng)濟(jì)比較后才有明確結(jié)論。底流消能能形成完整水躍的底流,消能率為50%左右。強(qiáng)水躍底流消能率為70%左右,出池余能仍較大,對大流量、窄河谷,或存在地質(zhì)缺陷(如下游河床允許抗沖流速低、兩岸谷坡穩(wěn)定性差等)或下游存在對水流沖刷反應(yīng)敏感的設(shè)施、建筑物等時,為了確保工程安全,顯然要付出較高的代價,需要有關(guān)人員認(rèn)真思考尋找其他出路。值得注意的是,從工程實(shí)踐看,混凝土襯砌的底流消力池在運(yùn)行中出現(xiàn)不同程度的沖刷破壞實(shí)例還不少,尤其是流速高達(dá)45～50m/s以上的底流消力池,更容易出現(xiàn)水流沖刷破壞。如20世紀(jì)80年代建成的前蘇聯(lián)薩揚(yáng)舒申斯克水電站混凝土重力拱壩,壩高242m,壩身泄洪流量13600m3/s,采用底流消力池消能方式。消力池長130m,海漫長110m,入池流速52m/s,1985年檢查發(fā)現(xiàn)消力池底板有80%被破壞,部分錨桿折斷,底板沖出消力池外,基巖最大沖深8m,沖走混凝土2.7萬m3,基巖3000m3,三次修復(fù),共澆混凝土9.3萬m3,用鋼筋314t,至今尚未找到根治措施?？磥?對于實(shí)踐工程尚缺對付高達(dá)45～50m/s以上高速水流沖刷的強(qiáng)有力的手段和切實(shí)可行的辦法,來確保消力池工程安全。2分散消能法的工程實(shí)例2.1以提高航空消耗率為特征的自由下落消耗方法為例2.1.1壩身防洪工程措施(1)樞紐泄洪消能有壩身7個表孔、6個中孔和岸邊2條泄洪隧洞。壩身表、中孔共用壩下水墊塘水下消能,2個泄洪洞分別有各自天然河道的水下消能區(qū)。(2)表孔、中孔出口挑坎高程差別較大,形成大差動挑坎(見圖1(a)),在宣泄大洪水(校核流量23900m3/s、相應(yīng)壩身流量16300m3/s,設(shè)計流量20600m3/s、相應(yīng)壩身流量13200m3/s)時,表、中孔水舌撞擊消能。(3)7個表孔出口高程差別中等的兩組挑坎,形成中等差動挑坎(見圖1(b)),利用挑坎導(dǎo)向作用,使水流沿水流方向分成兩層水舌,兩層水舌在橫向互不重疊。(4)6個中孔利用孔身和挑坎(不同高程、不同挑角)導(dǎo)向作用,使中孔水流沿水流方向分成三層,各層水舌落水時互不重疊,挑坎亦是中等差動挑坎。(5)每個表孔設(shè)分流齒坎(相當(dāng)于小差動挑坎,見圖1(c))使水舌縱橫擴(kuò)散,增加空中消能率,增大落水面積。(6)1號泄洪隧洞出口處河床較窄,采用斜切挑坎,使水舌入水時沿水流方向,增大水舌長度,同時擴(kuò)大水舌與空氣接觸面積,提高空中消能率。(7)2號泄洪隧洞出口處河床較寬,采用舌型挑坎,使水舌縱橫擴(kuò)散,增大水舌與空氣接觸面積,提高空中消能率。二灘的泄洪消能方式,采用以上分散措施后,提高了空中消能率,減輕了下游水下消能負(fù)擔(dān)。其中壩身的泄洪水流最大理論流速從60m/s左右降至22m/s左右;水墊塘動水壓力Δp<150kPa;二道壩上最大流速約11m/s。所有泄洪孔口可以單獨(dú)運(yùn)行,亦可任意組合運(yùn)行。泄洪消能運(yùn)行靈活大,整體安全度高。2.1.2壩體結(jié)構(gòu)及壩體消能拉克瓦混凝土重力壩壩高192m,采用4孔17m×15m的壩身表孔溢洪道泄洪,泄洪流量8000m3/s,單寬流量158m2/s;壩下游存在較寬的板巖層帶橫穿河道,抗沖能力差,為避免泄洪水舌直接落在薄弱的板巖層帶上,在溢流壩頂采用高挑流坎和分流戽,使泄洪水流充分?jǐn)U散,充分摻氣,增大水流空中消能率,減輕下游消力池消能負(fù)擔(dān)和下游河床沖刷(見圖2)。與光滑溢洪道相比,消力池底最大動水壓力由1.7MPa降至360kPa,動床試驗沖刷深度由20m降至9.6m。泄洪水舌因摻氣充分,挑距大大縮短,落點(diǎn)未達(dá)板巖層,卻距壩腳很近,某些工況下水舌還直接掉在下游壩面上,經(jīng)研究認(rèn)為是允許的。成功實(shí)例還有中國流溪河拱壩,白山重力拱壩壩面設(shè)高低坎挑流泄洪,提高了空中消能率,鳳灘拱壩也采用了高、低坎挑流,水舌撞擊消能方式,在建的溪洛渡、錦屏、小灣、拉西瓦、構(gòu)皮灘等都屬這類分散消能方式。南非里·洛克斯拱壩壩頂?shù)苍O(shè)分流墩等提高了空中消能率,減輕了下游沖刷,消能效果良好。2.2壩身溢洪道寬尾墩消能該消能方式的消能特點(diǎn):主要由寬尾墩形成片狀水舌落在消力池,強(qiáng)化了水流紊動消能,提高了消能率,減輕對下游河床沖刷,是我國首創(chuàng)的泄洪消能方式,在我國許多工程得到應(yīng)用,如巖灘、五強(qiáng)溪、安康、百色等工程。其中安康混凝土重力壩,壩高128m,壩身溢洪道設(shè)5孔15m×17m寬尾墩表孔,最大單寬流量209.3m2/s,下游設(shè)消力池消能,消能效果良好。后又發(fā)展到寬尾墩+臺階壩面+消力池組合消能方式,已建的工程有水東、大朝山、索風(fēng)營、思林、平班、魚劍口等。其中大朝山采用碾壓混凝土臺階壩面重力壩,壩高111m,設(shè)5孔14m×17m寬尾墩表孔,最大單寬流量193.6m2/s,下游設(shè)戽式消力池。以上工程建成后運(yùn)行效果良好。寬尾墩+臺階壩面+消力池組合消能方式特點(diǎn):是以寬尾墩形成片狀水舌與消力池水流產(chǎn)生消能為主,而臺階只是對寬尾墩片狀水舌的底緣發(fā)揮作用,且流程較短,所以臺階的綜合消能效果不會對消能設(shè)施的總體消能效果產(chǎn)生明顯改變。重力壩寬尾墩臺階溢流面聯(lián)合消能工設(shè)計導(dǎo)則,已由中國水電工程顧問集團(tuán)公司發(fā)布,于2007—08—01實(shí)施。2.3u2004模型計算臺階式泄槽的水流特點(diǎn)是臺階干擾水流運(yùn)動,加強(qiáng)水流紊動摻氣,當(dāng)水流全斷面摻氣飽和后,形成穩(wěn)定的滑行水流,水深、流速沿程不再發(fā)生變化,成為紊動明渠均勻流。利用這一特點(diǎn),水頭高的工程亦可運(yùn)用臺階消能方式,而不受水頭限制。臺階消能率一般達(dá)溢洪道總消能率的70%以上,臺階成為主要消能工,大大了減輕消力池的消能負(fù)擔(dān)。臺階式泄槽+消力池組合消能方式更能適應(yīng)高水頭、窄河谷泄洪消能工程?，F(xiàn)舉例如下:(1)四川黑水河毛爾蓋水電站,采用心墻堆石壩,壩高147m,岸邊臺階式溢洪道由閘室、光滑泄槽段、臺階泄槽段、出口挑坎等組成。泄槽總體坡度為0.26,泄槽寬度由12m縮至10m,最大泄洪流量763m3/s,最大單寬流量76m2/s,泄槽出口毛水頭120m。閘室長30m,光滑泄槽長9m(后40m內(nèi)設(shè)摻氣挑坎),臺階泄槽長416m,臺階步高2m,步長5.6m,臺階溢洪道末端流速26m/s(光滑溢洪道相應(yīng)部位流速38m/s),出口水流挑距100m(光滑溢洪道水流挑距160m),河岸流速小于5m/s,減輕了水流沖刷岸坡的作用。詳見圖3。該溢洪道模型試驗的水流流態(tài)特點(diǎn)顯示,由于臺階泄槽上游設(shè)置摻氣挑坎,使水流進(jìn)入臺階泄槽就達(dá)到全斷面充分摻氣,形成滑行水流流態(tài),開始成為穩(wěn)定的紊動均勻流。直到臺階出口都保持水深、流速不變。水流進(jìn)入各級臺階摻氣明顯,模型摻氣濃度大于5%。臺階泄槽消能率大于總消能率的70%,消能效果良好。(2)重慶市萬州魚背山水電站,采用混凝土面板堆石壩,壩高73m,岸邊臺階式溢洪道,閘室長30m,溢流前沿寬46m,設(shè)3孔12m×17m表孔,泄槽在平面上為擴(kuò)散型,擴(kuò)散角5°,進(jìn)口寬40m,出口寬75.6m,前段為光滑泄槽長90m,底坡為0.037,后段為臺階式泄槽,長88m,底坡1∶2.5(臺階步高2m、步長5m)下接消力池長23m(見圖4)。為進(jìn)一步提高消能率,減輕下游河道沖刷,消力池內(nèi)設(shè)置T型墩消能工。該溢洪道最大泄量3600m3/s,上、下游水位差48m。理論流速約30m/s,模型實(shí)測消力池躍首流速約20m/s,臺階泄槽末端消能率為總消能率的70%左右。消力池段消能率為總消能率的22.6%,斜坡段為總消能率的4.1%。魚背山溢洪道1998年投入運(yùn)行至今泄洪33次,最大泄流量944m3/s?，F(xiàn)場目測臺階面完好,無破壞痕跡,但泄洪流量未達(dá)到設(shè)計流量。(3)美國上靜水壩,壩高88m,溢洪道高61m,最大泄量2124m3/s,采用臺階壩面與消力池聯(lián)合消能,壩面臺階消能率達(dá)70%以上;消力池長9.1m,與光滑壩面比較縮短了50%。(4)新蒙克斯維里壩為混凝土壩,壩高36.6m,設(shè)計流量6010m3/s,光滑溢洪道流速22.2m/s,臺階溢流壩面出口流速9.2m/s,消能率84%。1994年泄百年一遇洪水,單寬流量90m2/s,臺階壩面與消力池安然無恙。(5)加拿大格朗德2號樞紐,溢洪道泄流量15300m3/s,凈寬122m,落差110m,采用多級跌水,依山而下,在巖石較好處不加襯砌(見圖5)。臺階泄槽溢洪道有明顯的減速消能效果,能節(jié)省工程投資,對高水頭工程,可避免難于對付的高速水流帶來的麻煩,減小泄洪消能風(fēng)險,在水利水電工程有推廣應(yīng)用價值。2.4設(shè)置混合型加自然混凝土引流場(1)四川龔嘴水電站的混凝土重力壩壩高85m,漂木道長370m、寬9m,底坡為0.13,最大水頭53m,泄流量105m3/s。為滿足漂木水深要求,在流道內(nèi)全程設(shè)置3個人型加糙墩,墩高0.4m,經(jīng)水工模型試驗成果反算糙率為0.07,為一般混凝土糙率0.014的5倍。從消能角度看,漂木道加糙物亦是一種消能工,漂木道出口理論流速約為30m/s,有加糙物后流速降至6.5m/s,消能率高于70%。漂木道出口只設(shè)小消力池,下游水位高一些時就不需要消力池。(2)魚背山溢洪道斜坡段,做過一字型加糙(0.5m×0.5m×5m)試驗,消能率比光滑斜坡增加一倍。2.5在流道內(nèi)，消能工與消力池或下游地板結(jié)合的消能方法如流道內(nèi)孔板消能工+消力池組合消能(我國黃河小浪底工程)、流道內(nèi)豎井消能工+下游水墊組合消能等都屬于這一消能方式。3分散消能