戽流與挑流聯(lián)合消能工在狹窄彎道河段水電工程中的應(yīng)用

錢(qián)麗云,任　葦

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安　710065)

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戽流與挑流聯(lián)合消能工在狹窄彎道河段水電工程中的應(yīng)用

錢(qián)麗云,任葦

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

摘要：基于甘南某水電站工程實(shí)踐，針對(duì)單純挑流消能工在狹窄河段應(yīng)用時(shí)，存在易沖刷兩岸、沖坑深度大、消能不充分的問(wèn)題，將該工程中間表孔的挑流消能方式調(diào)整為戽流，將兩側(cè)表孔、底孔挑流向河中間集中，根據(jù)調(diào)整后模型試驗(yàn)成果，由于采用了分散消能形式，有效降低了沖坑深度，消能效果良好，這種戽流與挑流聯(lián)合消能形式，為狹窄彎道段水電工程消能設(shè)計(jì)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：戽流；挑流；聯(lián)合消能；狹窄

0前言

水庫(kù)一般都要泄洪，泄洪就需消能。最古老的消能工是階梯形溢流面。目前，底流消能、戽流消能和挑流消能成為3種主要消能方式[1]。近20多年，中國(guó)的水利工作者在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)消能技術(shù)的同時(shí)對(duì)消能工和消能方式做了很多創(chuàng)新性的研究和設(shè)計(jì)工作。如河北潘家口、遼寧白石水庫(kù)分別采用了寬尾墩和異形寬尾墩挑流消能，安康、巖灘、五強(qiáng)溪等水電站工程采用了寬尾墩(異形寬尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩等)方式的組合消能[2-3]，寬尾墩是中國(guó)創(chuàng)造的。龍羊峽、東江等水庫(kù)則采用了窄縫挑流的先進(jìn)消能技術(shù)。由于大型導(dǎo)流洞改建永久泄洪洞的需要，開(kāi)展了洞內(nèi)消能工的研究，并在黃河小浪底水庫(kù)率先建成了大型多級(jí)孔板消能泄洪洞。對(duì)水平螺旋流和旋流式豎井溢洪道等內(nèi)消能技術(shù)的研究成果，也已應(yīng)用到公伯峽和沙牌等工程[4]。

1工程概況

某水電站裝機(jī)容量3×27 MW，水庫(kù)正常蓄水位1 962.00 m，最大壩高62 m，樞紐工程屬Ⅲ等中型工程，首部樞紐設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪水流量956.00 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，相應(yīng)洪水流量1 580.00 m3/s。

攔河大壩共分為9個(gè)壩段，由左向右依次布置左岸擋水壩段、2孔溢流表孔、1孔沖沙底孔、1孔電站進(jìn)水口壩段及右岸擋水壩段。擋水壩為混凝土重力壩。泄水建筑物布置在壩身。由2個(gè)表孔和2個(gè)底孔組成，壩后為短護(hù)坦，兩岸為消能及霧化影響范圍防護(hù)區(qū)[5]。

樞紐區(qū)河道蜿蜒曲折，彎道較多，河槽形態(tài)以“V”字形居多，河寬一般僅為15～40 m。庫(kù)區(qū)兩岸基巖裸露，山體雄厚，岸坡高陡，河床覆蓋層厚約5 m左右，作為混凝土壩基需清理。下覆基巖為石碳系灰?guī)r，巖體比較完整，強(qiáng)度高，模量值較大，透水性小，弱風(fēng)化厚度8～15 m，河床建基面選擇在可置于弱風(fēng)化巖體中下部，巖體完整性較好。

2原設(shè)計(jì)挑流消能方案及初步修改

原設(shè)計(jì)方案充分利用上述河床基巖整體性較好的特點(diǎn)，表孔、底孔均采用挑流消能，同時(shí)通過(guò)水工模型試驗(yàn)調(diào)整底孔鼻坎形式，使其水流落點(diǎn)分散，減少對(duì)下游的沖刷，提高消能效果。詳見(jiàn)圖1。

圖1　原設(shè)計(jì)挑流消能方案平面布置圖　　　單位：m

根據(jù)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1) 表孔和底孔挑流落點(diǎn)位置基本一致，均位于護(hù)坦末端下游40 m左右，超過(guò)護(hù)坦防護(hù)范圍，對(duì)河床沖刷較大，沖刷坑最低點(diǎn)高程1 888.16 m，最大沖刷深度19.84 m；

(2) 左表孔水舌水疵較大，水舌落點(diǎn)有些蹭擊左岸岸坡，右底孔出流也有些蹭擊右岸岸坡。

以上試驗(yàn)成果表明：原設(shè)計(jì)方案未充分考慮河道彎道多、河寬狹窄的特點(diǎn)，因此建議對(duì)底孔及表孔的水舌收縮幅度進(jìn)行修改，以避免水舌蹭擊岸坡；進(jìn)一步通過(guò)模型試驗(yàn)加強(qiáng)消能效果，減小河床沖刷坑深度。模型試驗(yàn)主要進(jìn)行了以下修改。

(1) 水舌對(duì)撞消能方案

對(duì)表孔出口進(jìn)行修改，以達(dá)到出口水舌對(duì)撞的目的。通過(guò)模型放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于兩表孔距離近，水舌不能采用較大偏角，否則容易沖擊河岸，但小偏角方案不僅不能產(chǎn)生水舌對(duì)撞效果，反而使兩表孔水舌合為一處，水流更為集中，使下游沖刷更為嚴(yán)重，最大沖刷深度達(dá)25 m左右。

(2) 動(dòng)床加寬

對(duì)下游河道的動(dòng)床范圍進(jìn)行了加寬處理，放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)床加寬后，對(duì)消能有一定的有利效果，沖刷坑深度有所減小，但校核工況的最大沖刷深度還在20 m左右，沒(méi)有明顯改善。

(3) 挑坎尾部修改

目的主要為調(diào)整表孔、底孔水舌收縮幅度及落點(diǎn)。放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，下游沖刷情況沒(méi)有實(shí)質(zhì)性改善。校核工況的最大沖刷深度在18 m左右， 30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)不同運(yùn)行方式?jīng)_刷坑深度介于8～14 m，5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)不同運(yùn)行方式?jīng)_刷坑深度均在10 m以上。

以上試驗(yàn)均在采用挑流消能工的前提下，通過(guò)各種優(yōu)化措施，結(jié)果表明，均不能有效解決存在的問(wèn)題。

3戽流與挑流聯(lián)合消能工設(shè)計(jì)

上述多個(gè)修改方案的放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于某水電站所處河段蜿蜒曲折，主河槽狹窄，河道單寬流量大，流速高，底孔、表孔均為挑流，水舌落點(diǎn)位置一致，均位于護(hù)坦下游，直接砸在下游河床上；水舌落點(diǎn)區(qū)域水流集中，沖擊力大，河床局部沖刷劇烈。有必要改變思路，將單一挑流消能工調(diào)整為聯(lián)合消能方式。

根據(jù)分析考慮，擬將2個(gè)溢流表孔中的中間一孔修改為戽流，為挑流提供了較為穩(wěn)定的水墊，將兩側(cè)的溢流表孔、底孔鼻坎體型進(jìn)行優(yōu)化，使水舌集中，詳見(jiàn)圖2。

圖2　戽流與挑流聯(lián)合消能方案平面布置圖　　　單位：m

經(jīng)模型放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在樞紐下游，兩底孔和左表孔均形成自由挑流，右表孔出口形成貼水面挑流或臨界淹沒(méi)挑流；兩底孔水舌落點(diǎn)位于護(hù)坦河槽中心，左表孔水舌落點(diǎn)緊貼護(hù)坦左岸護(hù)坡，挑射水舌潛入水面后形成強(qiáng)烈的水面波動(dòng)及漩滾水流，并對(duì)壩下0+086.40 m下游護(hù)坦及河道右岸形成頂沖，右岸形成主流區(qū)，左岸形成一定范圍的回流區(qū)。

在30年一遇及其以下洪水，護(hù)坦及下游河道流態(tài)較好，沖刷坑深度均在5 m以下；設(shè)計(jì)洪水、百年一遇洪水及校核洪水護(hù)坦及下游河道右岸雖然還有涌浪，但較前述的一些修改方案有很大改善，沖刷坑最大深度均不超過(guò)10 m。

可以看出，采用戽流與挑流聯(lián)合消能工，護(hù)坦及下游河道流態(tài)有很大改善，樞紐下游沖刷坑問(wèn)題也較好解決，此方案可作為推薦方案。

4結(jié)語(yǔ)

本文依托某中型工程，根據(jù)其具體河道特點(diǎn)，結(jié)合其樞紐區(qū)河道彎道較多、河寬窄的地形特點(diǎn)，以及壩址區(qū)基巖條件好的特點(diǎn)，介紹了設(shè)計(jì)采用中間戽流、兩側(cè)挑射的聯(lián)合消能設(shè)計(jì)，成功了解決了消能問(wèn)題的思路，為類(lèi)似工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn):

[1]許蔭椿 ,胡德保.水力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1988.

[2]林珍喜,鄭洪,歐陽(yáng)福生,周翠云.寬尾墩在福建龍湘水電站挑流消能中的作用研究[J].湖南水利水電,2008,(4)：26-28.

[3]潘旭東,郭宇.山口水電站泄流能力及消能方式研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，(02)：48-51，122.

[4]劉慧卿 ,劉云婷,張先起.適合高壩的壩身旋流式豎井溢洪道設(shè)計(jì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2003,(4)：41.

[5]郭紅浩.九龍峽水電站水工整體模型試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

Application of Joint Energy Dissipation Structure of Bucket and Trajectory Flow in Hydropower Project in Narrow and Curve River Course

QIAN Liyun, REN Wei

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China)

Abstract:Based on the practice of one hydropower project and aiming at the application of the single energy dissipation structure with trajectory flow in narrow river course, which easily scours banks, causes deep scouring pit and energy is not fully dissipated, the energy dissipation type of the trajectory flow of the middle surface outlet is modified to the bucket flow. The trajectory flows from the surface outlets on both sides and the bottom outlets concentrate to the middle. From the results of the modified model tests, the scouring pit depth is decreased and the energy dissipation effect is excellent after the dispersive energy dissipation type is applied. The joint energy dissipation type of bucket and trajectory flow provides design of the energy dissipation of hydropower project in narrow and curve river course with new concept.

Key words:bucket flow; trajectory flow; joint energy dissipation; narrow

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.012

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)麗云(1987- ),女,河北省陽(yáng)原縣人,工程師,從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2015-06-04

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0048—03