加拿大拉斯金工程的性狀評估

[加拿大] B.休斯 等

拉斯金水電站位于加拿大溫哥華以東約 65 k m的斯泰夫河上。工程于 1930年完成,包括海沃德湖水庫(拉斯金壩水庫)、拉斯金發電廠房和拉斯金壩。海沃德湖水庫集水面積可以忽略,來水幾乎完全來自上游約5.6 k m的斯泰夫瀑布發電站的泄水。拉斯金發電廠房安裝 3臺 35MW的混流式水輪機,拉斯金壩為混凝土重力壩。

現有的溢洪道為 7孔弧形閘門壩頂或溢流溢洪道。從大壩右側(向下游看)起,依次編號為 1孔到7孔。S形溢洪道的堰頂高程為34.98 m,溢洪道上面的現有道路的面板高程為45.75 m。在溢洪道的下游兩岸,混凝土臺階和導墻的布設與自然渠岸的等高線一致。除了保護兩岸不受沖刷破壞外,這些混凝土臺階還將泄水重新導向主渠,尤其是當使用外側閘門時。雖然這些臺階的平面形狀不同,高程不同,但是兩岸均有幾個較大的混凝土臺階。最大的臺階長 27 m、寬 12 m,位于右岸6.8 m的高程處,在 2號與 3號孔的下游。在 5號和 6號孔的下游,左岸有一個稍小的臺階,長 19 m、寬 8 m、高程為-6.2 m。溢洪道斜槽末端為混凝土護坦,高程為-10.13 m,在 4號和 5號孔的下游,將兩岸最低的混凝土臺階相連。

緊靠溢洪道的下游河道由基巖和粒狀材料組成,高程為 -10 m至 -13 m。尾水位決定于工程的流量(發電廠房和溢洪道流量)和位于下游約 3 k m處的受潮水影響的弗雷澤河的水位。估計最高和最低尾水位分別為10 m和2.4 m高程。在溢洪道護坦末端的下游約 35 m處,一座發電廠房的交通橋橫跨溢洪道渠道。一個約寬 17 m的混凝土橋墩位于渠中偏中心線的右側處。

目前,拉斯金水電站的發電運行次序(G O O)規定了首選的溢洪道閘門運行順序,這種順序的設計,是為了使溢洪道下游河道中產生的沖刷和總氣體壓力(T G P)水平最小。表 1列出了拉斯金壩目前G O O中提出的首選溢洪道運行情況。

表1 原有 7孔溢洪道閘門開度的首選順序

本工程的可能最大洪水 (P M F)流量估計為3650 m3/s,電廠最大下泄流量為 351 m3/s。在過去 25 a(記錄時期)中經歷的最大日平均流量估計為1100 m3/s。

1 建議的工程改造

作為抗地震改造的一部分,原先的拉斯金溢洪道將實施部分重建。目前的規劃涉及保留原有的堰頂形狀,但將用 5扇閘門/6個閘墩的布置替換原先7扇閘門/8個閘墩的布置形式。S形溢洪道的堰頂高程保持34.98 m不變;同時溢洪道單孔寬度增加到17 m,溢洪道橋的高程也將抬高到46.1 m高程(橋面高程)。

作為建議的改造工程的組成部分,B C水電局正在尋找方案,以改善與工程運行有關的總氣體壓力特性,降低對該系統中重要水生生物的危害風險。為此,B C水電局進行了模型試驗,以便更好地了解改造后的溢洪道有關總氣體壓力產生機制的性能和評估可能減輕總氣體壓力的辦法。

1.1 總氣體壓力

當摻有空氣的水跌入溢洪道下面的深水或有類似的跌水(如瀑布)時,總氣體壓力水平可能會超過100%,而增加的壓力會迫使空氣溶解,形成溶解空氣過飽和。通常,水流的跌入深度一旦超過 8 m,就會產生空氣過飽和。魚會將過飽和溶液吸入其身體組織,當魚游到淺水區時,空氣將從溶液中放出,這樣會產生水泡和造成出血,通常稱之為氣泡創傷(G B T)。

拉斯金溢洪道產生的總氣體壓力備受關注,因為在緊靠溢洪道的下游有溯河鮭魚產卵。從深秋到初冬,這些鮭魚在大面積淺卵石層中產卵。如果拉斯金壩溢洪(在過去 23 a中有 6 a沒有泄洪),則通常是發生在下半年,海沃德湖水庫接近其正常蓄水位,而且因強降雨產生的入流量很大。泄洪持續時間一般小于 4 d。但是,泄洪往往總是與弗雷澤河的高流量(導致水深更大)遇在一起,因此,可使大壩下游的總氣體壓力水平提高。這些不太常見、持續時間短的事件,使魚暴露在較高的總氣體壓力的情況較少,而相比之下,哥倫比亞河流域的大多數水電站,其總氣體壓力過高的時間每年均會持續幾星期或幾個月。

1.2 總氣體壓力的緩解措施

減小一個工程處的總氣體壓力的一般方法是將產生總氣體壓力的條件降低到最小,尤其是要減少跌落到水深大于 8 m的深水區中的水量。減少總溶解氣體(T D G)的最有效措施,通常是將運行措施與工程措施相結合。

1.3 改變運行方式

在正常流量條件下,對于有多余泄洪孔和溢洪道容量過大的溢洪道而言,改變運行方式最有效。在溢洪道下游的尾水深度變化很大的地帶,還考慮了其他一些運行方式的改變。在這些情況下,在正常洪水流量行洪期間,用溢洪道的一側泄洪可能對降低總氣體壓力更加有效。

1.4 修改溢洪道斜槽

溢洪道下游總氣體壓力水平的提高,是由溢洪道斜槽下游端的水流跌入相當深的尾水區所產生的。根據這一特點,常常需要對溢洪道斜槽和/或尾水渠做出如下改變:

(1)在溢洪道斜槽或消力池中,增加消力墩、消力檻等消能裝置來進行消能,以便降低下游渠道中的跌入水深;

(2)在溢洪道斜槽面上,加設折流裝置(挑坎),以使下泄水流在下游河槽中變為表層“滑行”水流;

(3)在溢洪道趾部,抬高和延伸原先的護坦,以提供類似于由常規折流裝置建立的那種表層“滑行”水流;

(4)延伸一個(或多個)分隔溢流孔和斜槽的溢洪道閘墩,以允許在為數有限的溢洪道孔中產生一個總氣體壓力的比選方案,從而使有利于保護魚類非常重要的“正常”水流通過。

1.5 修改尾水渠

通過修改尾水渠的結構形狀,可以降低水流跌入尾水渠水域的深度,并可在溢洪道水流中進行消能。可行的修改方法包括在溢洪道下游簡單地填充尾水渠區域(用足夠大的材料,在工程設計洪水以下,將保持穩定),或者在溢洪道斜槽趾部增加一個抬高的平臺或斜面。其他可行的尾水渠修改方案可能還包括在尾水渠區域砌一堵墻,以便將水流更加有效地導入下游渠道,從而降低尾水渠水域中大量摻氣水流的紊動與混合。

1.6 泄水底孔/導流隧洞

為了降低泄放到工程下游的摻氣水流量,常常會考慮利用底孔或施工用導流隧洞來泄水。

1.7 水輪機改造

通過對水輪機實施改造,可以增加通過發電廠房的不含氣水流量,從而降低工程溢洪(摻氣)的頻率,這樣往往也可以降低工程下游的凈總氣體壓力水平。

某些水電站已經采用了改變運行方式的措施,但由于拉斯金工程的高水頭和溢洪道結構形狀的特殊性,預計在較高流量下,可能還需要采取一些工程措施。運行方式的改變,包括修改溢洪道的運行順序,而工程結構的改變,則包括在溢洪道下游兩岸改變臺階的布置(例如,在幾個較大的混凝土臺階上,增加折流墩或延伸選擇的混凝土臺階)或修改溢洪道斜槽的結構(例如,增加折流裝置或抬高和延長斜槽趾部現有的溢洪道護坦)。

2 模型研究

在西北水力咨詢公司的實驗室建立了推薦用于拉斯金工程的 1∶40的非變態縮尺模型,專門用于評估新溢洪道布置的總氣體壓力的產生機制以及評估降低渠道下游總氣體壓力的運行方法和工程方法。

模型試驗檢查了從 200 m3/s到 1200 m3/s的溢洪道流量范圍,包含過去 25 a間工程所經歷的溢洪道流量范圍,評估了渠道下游降低總氣體壓力的運行方式和工程方法。為了幫助定性分析,美國陸軍工程師團已經制訂了水流性能分類方法,用于類似的溢洪道模型研究,如圖 1所示。

通常,認為滑行水流流態是使溢洪道下游的總氣體壓力集中最小的最佳水流流態,而將跌落水流流態看作是總氣體壓力高度集中的原因。但是,要想在很寬的泄水和尾水位范圍內得到滑行水流是不可能的;因此,認為波動表面射流分類也是可以接受的。在水流分類時,也考慮了總流量。例如,與較大的流量相比,小流量對總氣體壓力水平的影響較小。因此,在流量較低時,認為可能不理想的水流分類更加易于接受。

圖 1 總氣體壓力水流分類

拉斯金工程溢洪道下游的流態受到第 1、2號和5號泄水孔下游的混凝土臺階、溢洪道下游支撐發電廠房交通橋的大型橋墩以及橋墩附近渠道水深較淺的嚴重影響。因此,許多試驗不可能嚴格按照標準的總氣體壓力水流分類來對水流進行分類。最值得注意的流態(不包括在標準分類中)是水流受到一個或多個混凝土臺階的偏轉而進入下游河道中水深受到高河床或其他臺階限制的區域。在這些情況下,將通常的“跌落”水流稱為“水深受限的跌落”水流。

3 首選閘門開度順序的研究

對于新的 5孔溢洪道布置方案,試驗是以評估閘門運行順序方案開始的。因為尾水深度在中心孔(3號和 4號孔)以下超過 8 m,就會導致氣體的過飽和,所以模型運行狀況的試驗重點是靠外邊的溢洪孔(1號、2號和 5號孔),以確定使溢洪道底部區域的水流跌落和回流最小的最佳組合。對于每一種流量,均考慮單扇閘門、兩扇閘門和 3扇閘門的運行順序。如前所述,這樣將限于使用 1號、2號和 5號孔,避免 3號和 4號孔下游的深水區,并利用與外側泄水孔下游混凝土臺階有關的消能作用。兩扇閘門和 3扇閘門的運行順序試驗主要是考慮均勻和不均勻的閘門操作。首選操作的選擇是基于達到“滑行”、“波動表面射流”或“水深受限的跌落”水流流態;使溢洪道趾部(水深最大處)的回流最小;以及使發電廠房交通橋的濺水和漫溢最小。

借助于模型試驗,對以下各方面進行了觀測:

(1)1號和 2號孔下泄水流受到混凝土臺階的影響,向發電廠房交通橋附近的淺水區偏移,導致產生“水深受限的跌落”水流。

(2)5號孔下泄水流同樣也受到混凝土臺階的影響,向發電廠房交通橋橋墩偏移,但是以較陡的角度入水,導致在橋墩上游出現垂直回流。

(3)當 1號和 2號孔同時打開時,尤其是在溢洪道流量超過 500 m3/s時,觀察到橋面上有些濺水和作用在橋墩上的壓力稍高。

(4)1號閘門高單寬流量的下泄水流受到混凝土臺階的影響,向發電廠房偏移,導致在溢洪道趾部出現一定程度的跌落和回流,而且溢洪道下泄水流與發電廠房水流混合的程度較高。

(5)2號閘門高單寬流量的下泄水流受到高混凝土臺階的影響,向位于橋墩和右岸壩肩之間的淺水渠中偏移,導致水深受限的高速跌落(或滑行)水流。

(6)1號和 2號閘門聯合的高寬流量泄流,使發電廠房交通橋上產生過多的濺水和漫溢。當 2號閘門全開或接近全開運行時,將 1號閘門的最大開度限制于1.5 m,以限制該橋上的濺水量。

(7)當 5號閘門開度超過 2 m時,其跌落流量隨開度增加而增加。

在進行上述試驗的基礎上,提出了采用 5孔溢洪道的新的操作順序。

4 結構的修改

在制訂了首選的閘門操作順序之后,采用該模型,對溢洪道斜槽、混凝土臺階和尾水渠區域幾項結構修改工作的有效性進行了快速評估。尤其是進行了有限的試驗,以評估以下修改的性能:

(1)在 3號和 4號孔下面的溢洪道斜槽上設一折流裝置(挑流坎);

(2)延伸到 2號孔下游的大混凝土臺階,挖除在 5號孔下游臺階上的巖石露頭;

(3)拆除支撐發電廠房交通橋的大型橋墩(假設該橋墩可用許多較小的、對流態影響小的流線形橋墩代替)。

利用該模型,對幾種不同形狀的溢洪道斜槽折流裝置進行了評估,包括不同的折流裝置高程(浸沒在正常尾水位以下)和折流裝置長度。試驗結果證明,將一套長1.5 m至3 m的折流裝置安裝在正常尾水位以下約 3 m,當 3號和 4號閘門的閘門開度在 2 m以內時,能夠提供令人滿意的滑行水流流態(相當于約 500 m3/s的總泄水量)。類似地,該試驗結果還證明了從尾水渠區域拆除橋墩,可得出紊動較小的水流流態,同時減少摻氣水流溢洪道下游深水區混合的可能性。修改 2號孔下面的大型混凝土臺階會起到相反的作用,而挖除 5號孔下游的巖石露頭,則會大大降低前面與 5號閘門操作有關的跌落水流的流態。