徐 崗,韓曉維,包中進

(浙江省水利河口研究院 ,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

泄水建筑物下游常見的消能方式一般有底流消能、挑流消能、面流消能、戽流消能、新型消能工(如階梯式消能)等,各有其特點及適用性。高水頭溢洪道一般泄洪流量較大,設計時泄洪消能及下游防護問題尤為突出,也是工程建設過程中水力學研究的關鍵,國內水電站中超過半數(shù)的高水頭溢洪道采用挑流消能方式,但是挑流消能往往伴隨著強烈的霧化降雨及噪音污染,對附近村莊及下游沿程河道造成一定的影響。面流消能則多數(shù)適用于泄洪落差小、尾水較深的布置條件。戽流消能主要運用在低水頭、大流量、深尾水的泄水工程中。新型的階梯式消能技術往往有一定的局限性。而底流由于其適應性強,流態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點,往往成為溢洪道消能布置的首選,當由于受現(xiàn)狀地形限制等問題,常規(guī)布置常不能滿足消能要求。

方溪水庫為規(guī)劃擬建工程,壩頂高程121.00 m,大壩壩高78.00 m,建筑物級別為2級,大壩按100 a一遇洪水設計,2000 a一遇洪水校核,校核洪水位117.83 m,消能方式采用底流消能,布局較為緊湊。為驗證工程消能設計的合理性,文章通過1∶50水工模型試驗,對溢洪道下游的消能工布置進行了多方案試驗比較研究,為設計提供合理依據(jù),以確保工程建成后行洪時的河床穩(wěn)定及工程區(qū)周邊建筑物的安全。

2 工程概況[1]

方溪又稱車口溪,是椒江上游永安溪上的支流,發(fā)源于括蒼山東麓,其流域面積92.3 km2,河長24 km。方溪為山區(qū)性河流,河道比降陡,流域地形地貌以山區(qū)為主。方溪水庫位于浙江省臨海市括蒼鎮(zhèn)境內,永安溪流域方溪支流上,壩址地處方溪村上游約500 m,控制流域面積84.8 km2。水庫壩址距臨海市區(qū)公路里程約22 km,直線距離約10 km。總庫容7205萬m3,根據(jù)SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規(guī)定,確定方溪水庫工程為Ⅲ等工程。本工程主要由混凝土面板堆石壩、岸邊溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等組成。平面布置圖見圖1。

圖1 工程平面布置圖

3 原布置消能試驗研究[2]

3.1 消力池布置

溢洪道泄槽下游為消力池,等寬矩形斷面,池寬34.00 m,長64.65 m,池深6.80 m,池底高程33.50 m,尾坎高程40.30 m,消力池邊墻為重力式結構,墻頂高程49.00 m,墻底高程31.30 m,墻高17.70 m,消能防沖建筑物按30 a一遇設計(庫水位116.85 m,下泄流量994 m3/s)。

消力池下游設尾水渠與下游河道連接。尾水渠底寬34.00 m,邊坡1∶1.25,尾水渠與消力池間采用扭坡連接,扭坡長20.00 m,尾水渠底設漿砌塊石海漫,漿砌石海漫下游為拋石防沖槽,消力池平剖面見圖2。

圖2 原布置方案消力池平剖面布置圖

3.2 試驗研究成果

消能工況試驗表明,入池躍首流速達到33.0 m/s,消力池內能形成斜坡式水躍,躍首位于0+188.00 m,池內翻滾劇烈,躍尾位于池內0+254.74 m處,消力池的池長有一定的富裕。消力池坎頂最高水深約7.50 m,混凝土護坦末及砌石海漫段 (0+279.34～0+337.34 m)流速7.0～8.5 m/s,Fr=1.2～1.6,均呈急流狀態(tài),超過了護坦及海漫的抗沖刷流速。

從沿程的流態(tài)來看,河道沿線主流相對集中于河道左半側,主流的水面寬度約40.00 m,占整個河道的1/2。通過現(xiàn)狀河道二維數(shù)學模型分析,消力池坎頂附近位置天然河道狀態(tài)下,河道橫斷面主流流速為3.5 m/s左右。溢洪道泄洪時,將導致下泄水流集中于河道左半側,斷面流速在平面分布上極為不均勻,且流速大大超過天然河道的行洪流速,影響較大。消能工況下消力池附近河道的流速分布見圖3。

圖3 消能工況消力池附近河道的流速分布圖

4 優(yōu)化布置消能試驗研究[2]

4.1 消力池布置

為保護消力池后護坦、海漫及沿線河床的穩(wěn)定,針對原布置試驗存在的池后余能較大的問題,擬在原布置消力池后設置二級消力池,以進一步消除一級池池后水流余能,為此,特對二級消力池不同池長、池深等4組方案的進行了比較試驗。

(1)方案1:二級消力池池長20.00 m,池深2.00 m,池寬34.00 m,一級池尾坎高程40.30m。

(2)方案2:一級池尾坎加高1.00 m,坎頂抬高至41.30 m,二級消力池池長20.00 m,池深3.00 m,池寬34.00 m。

(3)方案3:一級池尾坎高程40.30 m,二級消力池池長50.00 m,池深6.80 m,池寬34.00 m。

(4)方案4:一級消力池池長水平段長60.00 m(0+195.08～0+255.08 m)(二級消力池單側擴散布置后,一級池坎頂水深略有降低,為確保消能工況下形成淹沒水躍,將一級消力池縮短4.66 m),池深6.80 m,池底高程33.50 m,坎頂高程 40.30 m,尾坎段 (0+255.08～0+265.08 m)順水流方向長10.00 m。一級消力池尾坎后接二級消力池,二級消力池池長30.00 m,池深2.00 m,池底高程38.30 m,尾坎高程40.30 m。二級消力池邊墻平面上單側擴散,即右側邊墻在0+260.08 m處向原河道中間方向擴散,擴散角29.8°,擴散的直立邊墻高度與原始地形自然銜接,二級消力池末0+295.08 m處池寬51.00 m。消力池平剖面布置圖見圖4。

圖4 方案4消力池平剖面布置圖

4.2 試驗研究成果

從試驗觀測的情況來看:

(1)方案1:水流出一級池后在二級池內不能潛底,主流集中于水流表層,無典型的底流消能水躍形成,出池后水流集中,沿線流速仍屬急流。

(2)方案2:一級消力池尾坎處水流壅高明顯,二級池內能形成一定的水躍,但出池后流速仍很高呈急流狀態(tài)。

(3)方案3:流態(tài)類似于方案一,出一級池后水流流態(tài)呈面流狀,二級池內無水躍形成,池后沿程水流仍為急流,且相對集中,消力池的池深對消能影響不明顯。

(4)方案4:二級池內形成穩(wěn)定的水躍,池內消能充分,出池后水流能向天然河道中間擴散,充分利用原河道寬度行洪,從弗勞德數(shù)Fr來看,沿程水流均為緩流,二級池后主流寬度接近60.00 m,占整個河寬的3/4。0+337.34 m斷面平均流速較原布置方案減小了30%,在橫斷面分布上更趨均勻,將該方案作為推薦布置方案。原布置及推薦布置消力池后斷面流速成果見表1,工程區(qū)附近流速分布見圖5。

表1 原布置及推薦方案消力池后斷面流速成果表

圖5 推薦布置方案消力池后流速分布圖

5 結 語

方溪水庫工程泄洪落差大、消能問題突出,文章通過1∶50水工模型試驗,對多個不同消力池布置方案進行了試驗比較,最終采用二級消力池且右側邊墻單側向原天然河道擴散的布置方案(即方案4),該布置大幅降低了出池后的水流流速,較好地解決了下游河道的消能防沖問題,確保了行洪時河床的穩(wěn)定和工程區(qū)及周邊建筑物的安全,為工程設計提供了技術依據(jù),成果可供類似工程參考。

[1]來妙法.浙江省臨海市方溪水庫可行性研究報告 [R].杭州:浙江省水利水電勘測設計院,2011.

[2]徐崗,史斌.臨海方溪水庫溢洪道水工模型試驗研究報告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2012.