龍開口水電站主河床狹窄的消能措施

龍開口水電站主河床狹窄的消能措施

1壩段結(jié)構(gòu)及壩段布置龍開口水庫位于云南省金沙江上游，是金沙江上游規(guī)劃級水電站的第六級。主要建筑物由混凝土重力式攔河壩、河床開敞式溢流壩、泄洪沖沙中孔、右岸壩后式廠房及戶內(nèi)升壓開關站、廠房右側(cè)沖沙底孔等組成。溢流壩、泄洪沖沙中孔壩段布置在河床主河道上,廠房引水壩段布置在右河床臺地上、左右岸均采用混凝土重力式擋水壩?；炷林亓巫畲髩胃?19m,壩頂高程1303.00m。主河床泄洪沖沙壩段,長141.0m,其中5孔溢流表孔壩段長93m,表孔孔口尺寸13×20m;表孔兩側(cè)分別設有2孔泄洪沖沙中孔,各設一個壩段,壩段長均為24m,中孔孔口尺寸為5m×8.2m(寬×高),底板高程1238.0m,表、中孔均采用挑流消能。2挑坎體型分析挑流消能的基本原理就是利用高速水流所挾帶的巨大動能,因勢利導將水流挑射至遠離建筑物的下游,使下落水舌對河床的沖刷不會危及建筑物的安全。水流在空中及水下射程中應盡可能分散,以利于通過剪切和混摻消殺大量能量。在第一階段試驗當中,挑流消能并不充分,閘墩的出口流態(tài)也比較紊亂,因此需要對閘墩的進出口體型進行進一步的研究。在壩工建設中,有各具特色的挑坎體型,其中連續(xù)坎、差動坎、高低坎、舌形坎、窄縫坎以及為適應地形變化提出的斜挑坎和扭曲挑坎等應用較廣。本論文結(jié)合龍開口水電站分別對連續(xù)坎、差動坎、窄縫坎以及差動坎和舌形坎、窄縫坎和舌形坎、窄縫坎和連續(xù)坎的結(jié)合運用進行了沖坑的物理模型試驗。3下擾動床模擬模型模擬了龍開口水電站溢流堰上5孔中的3孔,按重力相似準則設計,模型比尺為1:50的正態(tài)模型,各物理量的比尺如表1。根據(jù)模型比尺要求,單個溢流表孔的最大流量約為2932m3/s,模型試驗5孔中的3孔,總的流量約為8796m3/s,換算為模型流量約為498L/s。在庫區(qū)和下游各布置了1個水位測點,用于控制上下游水位,上、下游水位采用測針測量。模擬范圍為,壩軸線上游一定長度及寬度,以保證表孔進流平順。下游動床模擬范圍為壩軸線下游約90m至300m,下游水位控制斷面約在壩軸線下游約350m處。對于下游動床采用散粒體模擬,根據(jù)設計提供的基巖抗沖流速9.5m/s,顆粒大小則采用常用的散粒體抗沖流速公式:Vk=csγs?γγgD??????√Vk=csγs-γγgD上式中cs為與巖性有關的參數(shù),大多數(shù)情況下為1.25―1.75,因此,上式簡化為Vk=(5～7)D??√Vk=(5～7)D,據(jù)此,可以計算出模型試驗中的散粒體直徑為3.7―7.2cm,中值粒徑的直徑約為5.0cm左右,因此選用粒徑為4―7cm的碎石來模擬下游基巖的沖刷。4沖坑試驗結(jié)果為了初步選定挑坎體型,針對不同挑坎體型,僅進行了兩個工況的沖坑試驗,(見表2),其中沖刷區(qū)的預挖高程為1190m,從沖坑方面評價了各體型。所得結(jié)果見表3。各挑坎體型的流態(tài)和沖刷結(jié)果分析:4.1下游礦床沖刷大流量連續(xù)坎構(gòu)造簡單,不易發(fā)生空蝕破壞,但挑流時水股密實集中,高水頭大流量時,下游河床沖刷較深。連續(xù)式挑坎方案的水舌基本在同一樁號處入水,水舌擴散不明顯,從而導致入水單寬流量較大,因此沖刷比較嚴重。4.2入水點的入水角差動坎是齒、槽相間的長挑坎,齒的挑角大于槽的挑角,射流挑射時水股上下錯開,加強在空中的擴散作用,故可減輕下游的局部沖刷,但齒的棱線和側(cè)面易受空蝕破壞。在該方案中第1、3、5孔的出口挑角為15o,而第2、4孔的出口挑角為35o,從現(xiàn)場試驗中可觀察到,水舌入水點已經(jīng)比較明顯地分開了,由于1、3兩孔的出口挑角較小,而下游水位與挑坎出口高程僅相差2m左右,因此這兩股水舌的入水角很小。根據(jù)沖刷試驗結(jié)果,可以看出差動坎對下游的沖刷減弱了很多。4.3下墊板及下口板的設計窄縫坎多用于峽谷高壩泄洪建筑物的末端,由于兩側(cè)邊墻沿程縮窄,過流寬度逐漸束窄,末端寬度常在原有寬度1/2以下,挑出的射流呈窄而高的矩形,基于挑射水股在空氣中獲得充分的豎向和縱向擴散,水舌進入下游水墊轉(zhuǎn)為很窄的長條形,不僅局部沖刷大為減輕,同時,能滿足峽谷高岸坡穩(wěn)定的要求。本實驗對窄縫采用了兩種體型,一種是窄縫在樁號71.256m處開始收縮且沒有挑角,窄縫出口寬度為5m,另一種也是在樁號71.256m處開始收縮,但窄縫出口為俯角-10o。從校核工況流態(tài)可看到,第一種方案與差動坎方案的沖刷情況比較接近,第二種方案水舌入水范圍在縱向的范圍較大,沖坑較淺。4.4加舌形坎的影響舌形坎有利于將水舌在橫向拉開,在差動坎的基礎上采用舌形坎后,水墊塘底板上的沖擊壓力明顯減小,而沖擊壓力是影響基巖沖刷的重要因素,因此采用舌形坎來減弱沖刷。水舌在橫向的分散程度與舌形坎的形狀及角度有關,總的來看,出水前緣最低點(兩側(cè))與最高點(最頂端)之間的高差越大,水舌越分散;挑角越大,水舌越分散。因此差動坎加舌形坎后,水舌更加分散,舌形坎明顯地將中孔的水舌在橫向分散開來,入水處的寬度幾乎與三孔的總寬相同。沖刷比單獨使用差動坎要減弱很多,沖坑最低點要高2.6m。4.5舌形坎水舌的模擬窄縫+舌形坎(窄縫采用第一種)時的中孔水舌擴散范圍要小些,主要是由于窄縫的水舌高高聳起,擋住了舌形坎水舌的擴散。第1、3、5孔采用窄縫,第2、4孔采用30o舌形挑坎。與不采用舌形坎相比,沖坑加深了3m左右,這主要是由于窄縫的縱向水舌擋住了舌形坎出流水舌橫向擴散的緣故。4.6對窄縫+舌形坎的沖刷方案的思考窄縫+連續(xù)坎(窄縫采用第一種)從窄縫出流的水舌近端入水點很近,而遠端入水點與第2孔基本處于同一樁號處,因此其入水范圍在縱向的范圍大大增加。通過以上不同方案的沖刷比較,我們認為窄縫和舌形坎能將水舌充分擴散,而從沖刷試驗結(jié)果,我們也可以看到當采用差動坎+舌形坎時,沖刷明顯比其他方案要輕,雖然窄縫方案1與差動坎+舌形坎時沖坑最深點深度相同,但其位置向上游移動了22.5m,考慮到可能影響大壩穩(wěn)定,應盡量避免。而對于窄縫+舌形坎,因原來窄縫出口底板為0o,窄縫水舌影響舌形坎水舌的橫向擴散,沖刷比較嚴重,考慮降低窄縫坎的出口,并將窄縫出口改為Y型。最終選擇差動坎+舌形坎和窄縫+舌形坎進行詳細的對比沖刷試驗。5沖沖壓結(jié)果比較在原來窄縫+舌形坎的基礎上,通過模型試驗進行了再次優(yōu)化。將窄縫出口寬度修改為4m,側(cè)墻從樁號71.256m處開始收縮,邊墻折坡為1:3.74;出口采用Y型寬尾墩形式的出口;底板從樁號59.61m處調(diào)整為-15o的俯角;舌形坎調(diào)整為35o挑角。對于差動坎+舌形坎不需要進一步的優(yōu)化,仍采用原有體型。對上述兩個體型共進行了8個工況(見表4)的實驗,并且將預挖高程提高到1200m,所得的沖刷結(jié)果見表5。從沖刷結(jié)果比較,在大流量時,兩個體型的沖坑深度相差不大,窄縫+舌形坎的沖坑要淺1m左右,并且沖坑最深點要遠離壩體;在小流量的時候,窄縫+舌形坎的沖坑要明顯淺得多。對于窄縫+舌形坎,采用Y型寬尾墩形式的出口后,即使在校核工況下,窄縫水舌也不影響舌形坎出流水舌的橫向擴散,其入水范圍在平面上錯開。窄縫水舌充分利用了舌形坎水舌入水點近壩區(qū),而舌形坎使水舌在橫向充分擴散,單孔水舌的入水寬度達到45―50m?？偟膩砜?水舌的入水范圍非常大,從消能的角度分析,這樣將大大增加水舌入水形成的剪切消能區(qū),因此有利于減弱下游的沖刷。在近壩區(qū)的動床沒有產(chǎn)生任何沖刷,表明窄縫水舌雖然采用-15o的俯角,但并不會由此造成沖刷坑向上游移動。對于差動坎+舌形坎,出坎水舌在高度上錯開比較明顯,在下游水位較高的情況下,水舌入水點在平面上錯開,但隨著下游水位的降低,入水點之間的距離逐漸減小,據(jù)此可以判斷,水舌到達河床底部時錯開的距離將會更小,而窄縫+舌形坎方案則剛好相反,隨著泄流量的減小、下游水位的降低,水舌入水點以及到達河床底部時錯開的距離將會更大,這是兩方案流態(tài)上比較大的差別,流態(tài)見圖1.a―1.d。正是由于大Δθ+舌形坎方案在小洪水時,水舌的沖擊點更為集中,因此,窄縫+舌形坎方案不沖刷的小洪水工況,大Δθ+舌形坎方案產(chǎn)生了沖刷。6窄縫+舌形坎①從上面的實驗結(jié)果,推薦采用窄縫+舌形坎方案,在各種工況下,窄縫水舌與舌形坎水舌完全獨立進入下游河道,窄縫水舌不影響舌形坎水舌在橫向的擴散,窄縫水舌充分利用