多級連續(xù)消力池水躍的水力特性模型試驗

王 勝,李連俠,孫 炯,劉 學(xué),廖華勝,沈煥榮,易文敏

(1.中國水電建設(shè)集團圣達水電有限公司,四川 成都 610041;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川 成都 610065)

底流消能是利用消力池使下泄水流在泄水建筑物出口限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍,將上下游水流銜接,并通過水躍產(chǎn)生表面旋滾和強烈的紊動以達到消能的目的[1-2]。水躍的流態(tài)與躍前弗勞德數(shù)和下游尾水有直接的關(guān)系[3],為在不同來流和下游尾水條件下在消力池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍,通常采用不同于傳統(tǒng)消力池的體型[4],如進口設(shè)置跌坎,采用突擴突跌,末端設(shè)置尾坎等。為減少工程造價和提高消能率,應(yīng)盡可能縮短消力池的長度,并在池內(nèi)設(shè)置輔助消能工[5-9],進一步加劇水流的紊動混摻作用,目前國內(nèi)外主要采用趾墩、消能墩、T型尾墩、尾坎等形式。底流消能工消力池的長度選擇及池內(nèi)加設(shè)輔助消能工的形式,應(yīng)慎重考慮,應(yīng)對各級流量進行水力計算。根據(jù)文獻[2]介紹,池內(nèi)設(shè)趾墩或消力墩,其池內(nèi)流速不宜大于18m/s,否則會造成空蝕破壞。

在實際工程中,往往需要消力池能夠在不同的來流和下游水深條件下均能形成較好的水躍[3],采用多級水躍消能方式則能夠較好地解決這一問題[10-12],其關(guān)鍵技術(shù)在于通過何種方式形成多級水躍來適應(yīng)不同的洪水工況。本文以待建的安谷水電站為例,對旨在形成多級水躍的消力池內(nèi)輔助消能工進行了系列水工模型試驗,結(jié)合不同的護坦形式,對比了3種底流消能工體型的水力特性,提出了一種合理的消能防沖體型及布置形式。

安谷水電站工程開發(fā)任務(wù)為發(fā)電和航運,并兼有防洪、灌溉、供水等功能。工程壩址處河道順直,河谷開闊,水流散亂,洲島遍布,是典型的多汊灘險河道。安谷水電站擋水建筑物為閘壩,水庫調(diào)蓄能力差,遇洪水時大排大泄,絕大部分懸移質(zhì)細(xì)顆粒泥沙將通過閘壩排往下游。工程采用混合式開發(fā)方式,水庫正常蓄水位為398.0m,電站裝機容量為760MW,滿發(fā)流量為 2576 m3/s,當(dāng)流量大于4500m3/s時停止發(fā)電,13孔閘門全開泄洪;電站下游消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水,校核洪水按2000年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。安谷水電站主要泄水建筑物為布置于河床中部的13孔泄洪和沖沙閘,其中緊靠電站廠房5孔為沖沙閘,其余8孔為泄洪閘,泄洪閘和沖沙閘采用相同結(jié)構(gòu)布置,均為開敞式平底堰,單孔凈寬12.0m,底板高程383.0m,閘墩頂高程400.7m,閘室凈高21.7m,閘室順?biāo)鞣较蜷L44.0m,采用弧形工作門,工作門后底板采用1∶4的斜坡接反弧段(半徑30m)與消力池相接。為安全高效地消除下泄余能,有效地保護下游建筑物,同時保證河道行洪能力和河岸安全,安谷水電站需要設(shè)置合理的消能措施。

1 消力墩式多級消力池的水力特性

安谷水電站泄洪消能的原設(shè)計方案采用消力墩式多級消力池消能(以下簡稱方案1),其體型布置如圖1所示。其中,工作閘門后閘室底板以1∶4的斜坡與消力池相接,兩者以半徑為30m的反弧段過渡。第1級消力池底板頂高程369.0m,池長32.81m,池內(nèi)布置2排消力墩及1排差動式消力坎,消力墩頂高程均為374.0m,墩高5m,差動坎高3.75～5.00m,坎后以1∶2的斜坡與第2級消力池相接;第2級消力池底板高程369.5m,池長73.50m,池末端設(shè)差動坎,坎高2.75～4.50m,坎后以1∶2的斜坡與海漫連接,至樁號0+239.0處,再以 1∶4反坡連接至樁號0+251.0處,高程為374.5m,后接水平海漫,長為102m,海漫總長度為164 m。閘室出口下游消力池內(nèi)順?biāo)鞣较虿贾糜?道導(dǎo)流墻。

圖1 方案1各級消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

針對方案1,首先進行模型比尺為1∶70的整體水工模型試驗,模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,模型樞紐布置形式見圖2。試驗流量范圍較大,從1924m3/s變化到2000年一遇校核洪水的14000m3/s,消力池進口處弗勞德數(shù)較小,單寬流量較大,具體工況參數(shù)見表1。

圖2 整體水工模型試驗樞紐布置

為了更好地研究下游消能沖刷特性,海漫按抗沖流速為6～7m/s考慮,模型用天然石子進行模擬,相應(yīng)的模型粒徑范圍為0.5～1.5cm(鋪設(shè)厚度為1.5～2.0cm)。覆蓋層用天然河沙模擬至壩0+703.0止,原型河床質(zhì)顆粒級配見表2。為了方便測量水邊線,泄洪渠右邊墻頂高程在壩0+420.0之前模擬高程為385.0m,之后及左邊墻頂高程為381.5m。動床模擬覆蓋層底高程至365.0m,模擬范圍為護坦末端至壩0+703.0處,試驗結(jié)果為沖刷穩(wěn)定后實測結(jié)果。

表1 試驗工況

表2 安谷水電站河床質(zhì)顆粒級配

流態(tài)觀測結(jié)果(圖3)顯示,各工況下第1級消力池內(nèi)水躍均十分明顯,紊動強烈,躍首在反弧段以上;流量較小工況下,消能水體基本位于第1排消能墩之上;流量較大工況下,消能水體逐漸向后擴大,但主要消能任務(wù)仍由第1級消力池承擔(dān)。10年一遇及以下頻率工況下,由于第1級消力池消能充分,左岸護坦擴散段可見回流,海漫段水面平滑,與下游水面銜接良好;隨著流量的增大,海漫段水面起伏趨于明顯,特別是流量超過10000m3/s后,消力池內(nèi)泄洪渠中部水面波動較大,出池水流跌落也較大,海漫段水面涌波持續(xù)范圍較遠。當(dāng)閘孔局部開啟時,閘后第1排消力墩處水流流態(tài)較亂,水流直接頂沖消力墩,沖高較大,時見水流越過右邊墻現(xiàn)象。

圖3 方案1典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

4級消力墩或差動坎中,第1排消力墩起到主要的消能作用,其消能方式主要是水躍和水流與消力墩的碰撞,后3排消力墩(坎)除起壅高水墊作用外幾乎沒有起到更多的消能作用。在正常蓄水位電站發(fā)電、沖沙泄洪閘下泄多余水量這種常見工況下,壩下水流流速達到18～20m/s(圖4),單孔下泄量越大,水流對第1級消力墩的沖擊力越強,碰撞躍起的水浪高程在383.0m以上,超過了右邊墻頂高程,同時碰撞會引起頻繁的振動,對消力墩及整個消力池(坐落在約10m深的覆蓋層上)的穩(wěn)定性極為不利,應(yīng)對該方案進行優(yōu)化修改。

圖4 方案1工況2閘室段及消能區(qū)流速分布(單位:m/s)

各工況下從海漫尾部開始,沿程均有不同程度的沖刷,消力池末端與海漫前端之間河床中部形成了2個沖刷坑,沖刷深度和范圍隨流量增加而增大;工況2海漫段末端下游50m范圍內(nèi),沖刷深度在2.3～3.6m之間(圖5);工況1沖坑最深點約在海漫末端50m處,深度達5.9 m。

方案1最大的問題在于流態(tài)不穩(wěn)定,適應(yīng)流量范圍小,效能布局不合理,多級消力池僅發(fā)生一次水躍,且主要靠壩后高速水流與第1排消力墩的碰撞消能,嚴(yán)重危及消力墩的穩(wěn)定性。

2 圓弧進口連續(xù)坎式多級消力池的水力特性

圖5 方案1工況2沖坑試驗結(jié)果

對消力墩式多級消力池體型及海漫布置形式做了如下改變:①取消了第1排消力墩和消力池內(nèi)的2條分水墻;②第4排差動坎(圖6虛線圓圈部分)消能率很小,但是考慮到右側(cè)沖沙孔運行開啟的頻率較高,所以只保留了右邊一半,左邊部分取消后以1∶4的反坡與海漫直線連接;③海漫前部采用1∶10的反坡設(shè)計,海漫總長度縮短了84m,后端增設(shè)28m長的防沖槽(底高程為371.5m),槽內(nèi)用大石回填。該方案為圓弧進口連續(xù)坎式多級消力池方案(以下簡稱方案2),其體型尺寸和布置形式見圖6。

圖6 方案2各級消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

流態(tài)觀測結(jié)果(圖7)表明,在各級流量工況下取消了第1排消力墩后,水躍消能效果良好,大幅度增大了消能水體,水躍主要發(fā)生在原第2排消力墩之前;由于方案2在池內(nèi)未設(shè)置分水墻,水流平順,波動比方案1小,特別是橫向分布較為均勻;由于差動坎后海漫的反坡設(shè)計,使得坎后水面很平靜,沒有明顯水面跌落現(xiàn)象;河床與防沖槽連接處有一定水面波動,其后水面與下游水位光滑銜接。在正常蓄水位泄洪沖沙閘局部開啟泄洪工況下,方案2中消力池內(nèi)的水躍消能良好,橫向均化作用明顯,不會出現(xiàn)方案1中的水流與第1排消力墩嚴(yán)重碰撞的現(xiàn)象,大幅度減輕了水流對消力墩的強烈沖擊作用,有利于軟基上的建筑物安全。

圖7 方案2典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

在各級流量工況下,各個斷面的流速橫向分布較為均勻(圖8(a)),充分發(fā)揮了寬河床的均化作用。在工況2下,方案1中最大出池流速為7.0m/s,而在方案2相應(yīng)的最大出池流速只有6.0m/s左右,且主流在表面。雖然缺少了方案1中第1排消力墩的碰撞消能,但方案2的水躍消能水體更大,消能率與方案1相應(yīng)各個工況下消能率基本相當(dāng),以水躍為主的底流消能方式更安全合理。

圖8 方案2工況2流速及沖坑試驗結(jié)果

由于水躍的消能作用,整個流場的橫向分布均勻,再加上海漫段的優(yōu)化設(shè)計,使得海漫上水面跌落較小,在各級50年一遇以下頻率洪水工況下,海漫的破壞不明顯,河床沖刷明顯減輕和均化了。在50年一遇洪水工況下,大石回填段的破壞也不明顯(圖8(b)),在海漫末端50m處沖刷深度有一極大值為2.3m,不會威脅海漫的安全;而方案1沖坑相對較深區(qū)距離海漫段末端很近,在其后30m范圍內(nèi)形成很大的淘刷坑,最大沖刷深度3.6m,相應(yīng)的沖刷高程為370.9m,海漫段末端安全無法保證。工況1下,方案2沖坑最深點高程為370.7 m(沖刷深度3.7m),發(fā)生在海漫末端下游約150m處,方案1沖坑最深點高程為368.5m,距離海漫末端僅50m左右。方案2沖刷深處離海漫末端較遠,深度也不深,對海漫的安全更有利。

綜上所述,方案2與方案1相比,水躍流態(tài)良好,解決了中間流速集中現(xiàn)象,海漫前段采用反坡設(shè)計,后段采用防沖槽回填大石方式,對海漫的安全保護作用明顯,沖坑比較均勻,沖刷程度大幅度減輕,特別是消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)及以下工況下,消力池差動尾坎后海漫前端未見明顯沖刷現(xiàn)象,縮短了海漫長度,其后沖刷最深處反而離海漫末端更遠,對消能設(shè)施更有利;但方案2也未能實現(xiàn)多級消力池多級水躍的目的,只有第1級消力池承擔(dān)了消能任務(wù),消能布局仍不合理。

3 跌坎進口連續(xù)坎式多級淺水墊消力池的水力特性

前述試驗結(jié)果表明:①不管是消力墩方案,還是圓弧進口連續(xù)坎方案,消能任務(wù)均主要在消力池第1排消力墩之前完成,未能充分發(fā)揮后面幾排輔助消能工的多級消能作用。②采用消力墩作為消能設(shè)施,對各級流量的適應(yīng)性較弱。正常發(fā)電運行宣泄多余流量工況下,部分主流從各墩之間的間隙處流向下游,該部分水流未能充分參與消能;在流量超過8090m3/s的敞泄工況下,主流從面上飄過,導(dǎo)致消力墩對水流的消能作用也不佳(與粗糙表面對水流影響相類似);再加上施工難度較大,自身安全性有一定問題,因此應(yīng)盡量減少或不用消力墩。③從消能防沖的工程經(jīng)驗可知,消力池及海漫破壞較大的兩種重要工況在于“一頭一尾”:一是正常蓄水位電站發(fā)電運行、泄洪沖沙閘局部開啟泄流工況,這種工況流量雖然不大,但動能比較大,而泄洪渠和電站尾水渠相對獨立,泄洪沖沙閘下游消力池水墊深度較淺,開啟閘門泄洪時,可能對下游沖刷破壞比較嚴(yán)重;二是消能防沖設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)(50年一遇洪水)及以上工況下,下泄水流整體能量較大,再加上安谷水電站地處大渡河下游,河床顆粒偏細(xì),抗沖能力較低,對下游的破壞力較大。④海漫前段采用反坡設(shè)計、后段采用防沖槽回填大石方式,合理可行。

根據(jù)上述分析,結(jié)合多次體型修改及流態(tài)觀察,并考慮到跌坎式消力池在類似條件下的良好水力特性[8-9,13],對消力池體型和海漫形式進行了如下修改:①消力池與閘室連接方式改為跌坎,在樁號0+67.0處;②消力池末端樁號位置從前兩個方案的0+189.0提前至0+158.0,護坦段縮短了31 m,兩級消力池總長度從106.3m縮短至91.0m;③將方案2中的消力墩改為一道連續(xù)坎(位置從0+115.5提前至0+105.0),保留了方案2的前排差動坎,其后即為海漫(取消了方案2的最后一級差動尾坎);④海漫起點向前移至0+158.0,前段仍采用反坡設(shè)計,坡度為 1∶12,海漫平段高程降至 374.0m,降低了0.5m,海漫末端樁號為0+269.0。該方案為跌坎進口連續(xù)坎方案(以下簡稱方案3),其體型見圖9。

圖9 方案3各級消力池結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

在各級流量工況下,方案3的2個淺水墊消力池內(nèi)均形成了穩(wěn)定的水躍,兩級消能流態(tài)非常明顯(圖10),消能效果良好,出池流態(tài)比方案1和方案2有明顯改善;消力池內(nèi)臨底流速和出池流速(尾坎后)均比方案1和方案2低,且橫向分布更均勻,見圖11(圖中橫距表示距離第1孔沖沙閘右邊墻橫向長度)。不同流量工況下3種消力池各級消能率對比情況見表3,可見各工況下3個方案的消能率大致相當(dāng),均在50%以上(為方便對比,入口斷面取壩軸線斷面,基準(zhǔn)高程取差動坎后海漫起點高程371.5m),但方案1和方案2的消能任務(wù)主要在樁號0+140.0之前完成,后面2排差動坎除壅高水墊以外,消能率未超過1.5%,基本沒有起到更多的消能作用,只有方案3真正實現(xiàn)了多級消能的目的,第1級水躍消能率消耗了大部分能量,第2級水躍消能率達9.80%～14.63%,所以,從消能率可以看出,方案3充分發(fā)揮了各個消能工的消能作用,兩級消能作用明顯,消能布局更合理。

圖10 方案3典型洪水工況下各部位水流流態(tài)

圖11 3種方案工況1消力池典型位置流速分布對比

表3 3種方案兩級消力池在不同流量下的消能率對比

沖坑試驗結(jié)果表明,方案3下游整體沖刷情況要優(yōu)于方案1和方案2(圖12),工況4及以下洪水工況,海漫及末端與河床連接處均未出現(xiàn)明顯沖刷現(xiàn)象;工況2和工況3大石回填段略有沖刷,沖刷深度基本在1m以內(nèi),下游河床右岸沖刷深度最大約1.8m(沖刷高程372.6m,樁號0+398.0),右岸沖刷比左岸明顯要深,方案3在右岸的沖刷深度要比方案2(海漫后50m范圍內(nèi)右岸最大沖刷深度約為2.2m)要小;工況1下,海漫后50m范圍內(nèi)最大沖刷深度在2m左右。

圖12 不同流量下3種方案海漫后沖刷情況對比

4 結(jié) 論

以低弗勞德數(shù)、大單寬流量的安谷水電站為例,通過系列試驗對比了3種形式的多級消力池水力特性。研究結(jié)果表明,采用多排消力墩方式形成多級消力池消能率雖有保證,但消力墩布置形式對池內(nèi)流態(tài)影響較大,對不同單寬流量工況適應(yīng)性不好,特別是單寬流量大時難以形成多級水躍,且自身穩(wěn)定性難以得到保證;采用圓弧進口連續(xù)坎式消力池大幅度改善了流態(tài),但仍未能形成兩級水躍;采用跌坎進口連續(xù)坎式形式的兩級淺水墊消力池,結(jié)合下游的反坡護坦形式,池內(nèi)能形成明顯的兩級水躍,消能效果理想,且對各種工況的適應(yīng)能力非常強,具有流態(tài)穩(wěn)定、臨底流速低、消能率高、出池水流平穩(wěn)及施工簡單等優(yōu)點,是解決低弗勞德數(shù)、大單寬泄水建筑物(特別是軟基上)下游消能防沖技術(shù)難題的一種有效方式。

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