水庫溢洪道多級消能優化研究

水庫溢洪道多級消能優化研究

劉志芳

(山西省禹門口水利工程管理局，山西 太原030002)

【摘要】水電站多具有長泄水道、大落差發電特點，對于這類電站單級消能工已經不能滿足安全和經濟要求，因此，宜采用多級消能。本以大河邊水庫為研究對象，針對溢洪道原設計方案中的不利水力現象進行了方案修改，取得了良好效果。

【關鍵詞】大河邊水庫；溢洪道；多級消能；優化

中圖分類號：TV651.1

Research on reservoir spillway multistage energy dissipation optimization

LIU Zhifang

(ShanxiYumenkouWaterConservancyProjectAdministration,Taiyuan030002,China)

Abstract:Hydropower station is mostly characterized by long sluiceway and big drop power generation. Single-stage energy dissipation work of the power station can not meet requirement on safety and economy. Therefore, multi-stage energy dissipation can be suitably adopted. In the paper, Dahebian Reservoir is adopted as a research object, plan is modified aiming at adverse hydraulic phenomenon in original design plan of spillway with excellent effect.

Key words: Dahebian Reservoir; spillway; multi-stage energy dissipation; optimization

1工程概況

大河邊水庫位于云南省祿勸縣馬鹿塘鄉境內，主要建筑物包括大壩、輸水隧洞和溢洪道，壩頂高程2585.00m，最大壩高52m，壩頂寬6m，壩頂長191.79m。為Ⅳ等工程，主要水工建筑物級別為4級，次要水工建筑物級別為5級，總庫容784.61萬m3。

溢洪道位于大壩右岸，設計為無閘開敞式岸邊溢洪道，消能防沖設計為20年一遇洪水標準，洪水泄量為28.47m3/s。溢洪道消能工設計為三級消能，總長347.12m，落差51.51m。溢洪道進口斷面寬度10.10m，控制段(樁號溢0+000.00～溢0+012.00)堰頂高程為2581.13m 。

2原消能方案存在的問題

2.1原消能方案簡介

第一級消能(樁號溢0+012.000～溢0+104.200)由漸變段和泄槽段組成。漸變段寬度由10m漸變為5m，泄槽段采用階梯形加糙消能段之后接底流消力池。第一級消能全長92.20m，高差24.70m，平均坡角15°。

第二級消能(樁號泄0+010.000～泄0+148.620)由收縮段和泄槽段組成，泄槽段由雙人字形加糙消能段結合底流消能段組成，長138.61m，高差12.5m，平均坡角5°；第一級消能與第二級消能之間轉彎段長22.16m，平底，轉角為119°18′7″。

第三級消能(樁號泄0+178.403～泄0+230.748)，由交錯形加糙消能段和底流消能段組成，長52.35m，高差13.29m；第二級消能與第三級消能之間由反弧轉彎段連接，長21.203m，坡角60°，轉弧半徑30m，轉角139°30′16″。

溢洪道整體布置平面圖見圖1。

圖1　大河邊水庫溢洪道平面圖

2.2模型試驗方案

2.2.1模型試驗控制范圍

為最大限度模擬泄洪道的實際水力狀態，模型試驗以壩軸線為起點，上游制作長度100m，下游由溢洪道末端向下延伸150m。結合實際校核水位，上游地形高程設定為2590.00m，下游設定為2540.00m[1]。

2.2.2模擬實驗工況設定

模擬試驗按表1所列三個工況進行。

表1　模擬實驗主要工況

2.3原消能方案存在的問題

三種工況下的模擬試驗結果顯示，對整個溢洪道進行多級消能，基本能夠完成泄洪消能要求，各工況下不存在高速水流現象，因此，發生空蝕、磨蝕及建筑物振動等不利影響的可能性不大，但在個別工況和一些特殊位置仍然表現出一些不利現象，主要是工況3下的交錯加糙段，在流量較小情況下，會形成局部空腔，并產生較大負壓，容易產生空蝕破壞，其原因是加糙段與水流方向垂直，并且高度較大[2]；其次是在泄洪道進口段，在工況2水位條件下，水位已經越過導流墻頂部并橫向進入溢洪道，出現脫壁繞流問題；一、二級間的彎道過渡段轉彎幅度較大，在大流量狀態下，右邊墻有少量溢水，并導致第二級水面擺動幅度增大，二、三級連接段也存在類似問題；交錯加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是摻氣過度使水深增加，并導致水流從邊墻溢出。

3消能方案優化

3.1溢洪道體型修改方案

針對原方案不足之處，提出兩點修改建議：首先，將溢洪道進口段導流墻頂高程改為2585.00m(見圖2)；其次，取消溢洪道加糙段底板加糙條，以改善下泄水流的流態。

圖2　溢洪道進口導流墻修改示意圖

3.1.1優勢

泄洪道進口段修改方案實施后，高水位進口流態明顯改善，過流能力略微增加，但與原方案相差不大；模擬試驗結果顯示，各個測壓孔壓力值總體有所減小，最重要的是負壓消失，原因是去掉底板加糙條后，下泄水流流態有明顯改善，下泄流速增大，壓能相應減小，由加糙條造成的漩渦區消失，因此負壓不復存在。

3.1.2不足

由于取消了泄流槽底板的加糙條，在改變流態的同時，水流速度明顯增加。流速增加的負面效應就是溢洪道末端消力池內難以形成水躍，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流態，挑距與水舌高度比原方案有明顯增加。試驗結果顯示：在所有三種工況下，消力池均失去其基本的消能作用。很明顯這一現象是由于消力池長度和深度不夠造成的。但是要實現消力池內的底流消能，消力池的長度和深度需要大幅度增加，例如：在工況2的條件下，要實現底流消能必須將消力池深度由現在的1.20m增加到4m以上，顯然在經濟上是不可取的[3]。

3.2進一步優化

3.2.1優化措施

針對原修改方案存在的消力池失效問題，擬將溢洪道出口消力池由底流消能改為挑流消能。根據消力池周邊地形及下游河道狀況，經過優化比對，決定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程為2532.30m，樁號為0+222.590，比原方案消力池末端向上游移動約8.16m，挑流鼻坎的挑角設計為25°，其具體設計體型如圖3所示。

圖3　挑流鼻坎設計體型示意圖

3.2.2模擬試驗結果及分析

3.2.2.1動水壓力分析

經過模擬試驗對不同工況下的時均動水壓力值進行測量，結果顯示，各工況下各個測壓孔均無負壓值出現，壓力值均符合設計要求。

3.2.2.2溢洪道流速、流態及水面線分析

由于此次修改措施只影響溢洪道下游的水流態勢，因此，在模擬試驗過程中只對泄0+178.042向下游進行測量，實測結果顯示各工況水流下泄平穩，流態良好。部分流速值見表2。

表2　部分位置底部流速實測值　單位： m 3/s

取消加糙條后流速會增加，是否會產生空化對過流壁造成危害，需要進行分析計算 [4]。根據模擬試驗數據，利用水流空化數計算公式，計算出各個測量斷面的空化數(見表3)，計算結果顯示水流空化數都遠大于0.30，因此，溢洪道過流壁不會因為水流空化遭到空蝕破壞。

試驗結果顯示：挑流消能工運行良好，達到了預期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高點距鼻坎的距離見表4)，從水舌挑流形態來看鼻坎挑流順暢，水舌形態良好。

表4　各工況挑流水舌形態特征值　單位： m

3.2.2.3下游河道流速及流態

各工況下，下游河道各測速點實測流速值見表5。從中可知，各工況下岸邊流速都在4m/s以下，其中，工況2下不超過3m/s。下泄設計流量以下時，下游河道流態良好。在工況1和工況3下，在泄0+253.297斷面左岸附近有回流，但是回流流速不超過4m/s，不會對下游河道流態造成負面影響。

表5　不同工況各流速測點及實測流速值　單位： m 3/s

3.2.2.4下游河道沖淤

在模擬試驗中，各工況下水流對河道的沖刷時間均保證在5h以上，以便使河道沖淤達到形態不再變化的平衡狀態[5]，并將測得的各特征值列于表6。由試驗數據可以看出，各工況沖坑底到挑流鼻坎的距離在22～34m之間，并且坡度很緩，不會危及溢洪道安全。

表6　各工況沖淤特征值　單位： m

4結語

通過加高導流墻可以有效解決高水位狀態下，溢洪道進口導流墻脫壁繞流現象；交錯形加糙段加糙條阻水作用明顯，拆除后流速有所加大，但不存在超過20m/s的高速水流現象，并且水流流態明顯改善；原方案各工況下，溢洪道末端消力池內不能形成底流消能流態，將底流消能改為挑流消能后，消能效果良好，下游流速較小，回流流速都在4m/s以內，不會對岸坡造成明顯沖刷，滿足出口水流銜接要求。

參考文獻

[1]董玉蓮，劉亞坤，孫洪亮，等.彎曲溢洪道多級跌水與底流復合消能研究[J].水利與建筑工程學報，2013(5):1-4，9.

[2]王均星，鄒鵬飛，黃先敏.溢洪道彎道前陡槽內水流的消能研究[J].水力發電學報，2004(3):98-101，120.

[3]潘輝.溢洪道多級跌水消能探析[J].水利技術監督，2010(4):27-29.

[4]何占斌，鄭春城.彎曲溢洪道綜合消能的試驗研究[J].中國水運，2012(3):107，109.

[5]楊磊，徐宏亮，唐培磊，等.許家崖水庫溢洪道消能防沖方案模型試驗研究[J].水力發電學報，2014(6):149-154.