某工程泄洪消能的試驗研究

陳艷 崔忠 石育銘(曾用名：石晶)

1 工程概述

布侖口水庫是蓋孜河中游河段的龍頭水庫,也是該河唯一具有多年調節性能的控制性水庫。該工程是一項具有灌溉、發電、防洪和改善生態等綜合利用效益的大(2)型水電站工程。水庫總庫容6.44億m3,正常蓄水位3 290.00 m,正常蓄水位下庫容5.267億m3,死水位 3 283.00 m,死庫容 1.94億 m3,最大壩高35 m。其電站裝機容量200 MW,保證出力 71.5 MW,多年平均有效發電量6.7億 kW?h。樞紐工程主要由攔河壩、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發電引水系統和發電廠房組成。攔河壩為澆筑式瀝青混凝土心墻壩。開敞式溢洪道布置在右岸,導流兼泄洪沖沙洞及發電引水洞進口布置在左岸。

2 模型簡介

按重力相似準則設計模型,進行正態水工模型試驗,模型比例尺采用1∶40。考慮糙率相似,溢洪道、導流兼泄洪洞用有機玻璃制作。模型模擬范圍為溢洪道及導流兼泄洪沖沙洞所有部位,兩條泄水道的進口附近庫區定床地形,保證進口水流的相似性。為保證出口河床沖刷相似,下游消能防沖區的河道為動床模型,模型砂采用天然砂。試驗條件見表1。建筑物設計洪水標準為100年一遇(P=1%,洪峰流量Q=594 m3/s),校核洪水標準為2000年一遇(P=0.05%,洪峰流量Q=1 199.03 m3/s)。

表1 庫水位及泄流流量表

3 泄洪消能試驗結果分析

3.1 開敞式溢洪道的泄洪消能問題

本工程開敞式溢洪道采用底流消能,溢洪道出口消力池凈寬15 m,底板高程3 258.000 m,長 54.5 m,池深 5.0 m,坎頂高程3 263.000 m,邊墻頂高程3 270.600 m。退水渠為梯形斷面,由扭面與消力池相接,底寬15 m～20 m,退水渠長148.123 m,在渠道末端布設7 m深的齒墻。

在正常水位下溢洪道進口引渠水流比較平順,堰流比較理想,滿足設計過流能力。泄槽段、渥奇段及陡坡段內為典型的明流,流態很好,水面既平順又穩定。消力池內水躍形態比較理想(消力池內水流流態如圖1所示),消能率高,消力池足夠長,無水流翻越邊墻現象,邊墻高度滿足要求。消力池后呈現二次跌落,這是正常流態,退水渠內流態較好,滿足要求。

消力池內形成了比較理想的完整水躍,消能效果較好,本模型試驗對退水渠出口形態進行了優化,退水渠水流流態較好,水流進入下游河床時流速較小,下游河道沖刷輕微,不會對河床兩岸形成淘刷。

3.2 導流兼泄洪沖沙洞的泄洪消能問題

本工程導流兼泄洪沖沙洞出口消能采用底流消力池消能,出口消力池長40 m,底寬10 m,底板高程3 260.0 m,池頂高程3 269.5 m,池深3.0 m。在正常水位下導流兼泄洪沖沙洞進口水流流態比較穩定,雖有漩渦出現,但沒有形成漩渦漏斗,不影響正常泄流。導流兼泄洪沖沙洞進口滿足設計過流能力。洞內水流為典型的有壓流,流態比較穩定。工作閘門后明渠段水流流態也比較穩定,水面呈降水曲線。消力池內水躍形態很不理想(消力池內水流流態如圖2所示),消力池內水躍為遠驅式水躍形態,消能率較低,不能滿足工程要求。因此進行了消力池結構優化試驗,由于在正常水位運行工況下,導流兼泄洪沖沙洞洞內水流為有壓流,水流流態比較穩定,本模型試驗僅在原設計方案的基礎上,對消力池的池長進行優化,即在保證消力池池深不變的情況下將消力池尾坎上移,迫使遠驅水躍變為稍有淹沒的水躍,提高消力池的消能效率,以滿足工程需要。

1)修改方案Ⅰ是將導流兼泄洪沖沙洞消力池尾坎在高度不變的情況下向上游移15 m,即消力池池長縮短15 m,消力池池長為25 m。在正常水位運行工況時水躍躍首位于池首以上11.2 m(沿1∶6.4斜坡),水躍末端位于尾坎處。總體看來消力池長度偏短,水躍不完整,消力池內水面波動較大,消能效果不理想。

2)修改方案Ⅱ是在方案Ⅰ的基礎上將消力池尾坎下移7.5 m,在原設計方案將消力池尾坎上移7.5 m,即在原設計方案的基礎上將消力池池長縮短7.5 m,消力池池長為32.5 m。設計水位時,躍首有所下移,水躍較完整,躍后水流較平穩;導流洞退水渠出口左半段稍有沖刷,最大沖深2.7 m。

3)修改方案Ⅲ是將導流兼泄洪沖沙洞消力池尾坎在高度不變的情況下向上游移5 m,即消力池池長縮短5 m,消力池池長為35 m。在正常水位運行工況時水躍形態比較理想(消力池內水流流態如圖3所示)。消力池內水躍完整,水流比較穩定,水面波動相對較小,消能率高。平均波動水面低于消力池邊墻,但由于波動的隨機性,水面不時超過邊墻高度,雖然絕大部分水流落回消力池內,但也有少量水流翻出消力池,總的來看滿足工程要求。

經過反復試驗研究建議,將消力池池長縮短5 m,消力池池長縮短后池內形成了比較理想的完整水躍,消能效果較好,退水渠水流流態較好,水流對下游河道沖刷較輕,下游河床不會形成較嚴重的充坑。

4 結語

1)試驗結果表明開敞式溢洪道消力池池長設計比較合理,在正常水位工況運行下,消力池內能形成穩定的水躍,消力池內水流流態比較穩定,消能效果較好,滿足工程要求。2)導流兼泄洪沖沙洞消力池池長設計不合理,消力池池長偏長,經反復試驗研究,建議消力池池長縮短5 m。試驗結果表明消力池池長縮短5 m后,消力池內能形成穩定的水躍,消力池內水流流態比較穩定,消能效果較好,滿足工程要求。

[1]水利部長江水利委員會長江科學院.泄水工程于高速水流情報網第三屆全網大會論文集[C].武漢：長江科學院出版社,1990：10.

[2]新疆蓋孜河布侖口——公格爾水電站工程水工模型試驗報告[R].西安：水利部西北水利科學研究所,2009：12.

[3]羅 起,徐 文.梅西水庫電站擴客的項目決策分析[J].山西建筑,2008,34(10)：360-361.