淺析某水電站工程溢洪道消能設計

□向 蕾(新疆水利水電勘測設計研究院)

0 前言

在水電站工程溢洪道的建設過程中，一定要注重其消能性能的提升，溢洪道消能性能的高低對于水電站工程的正常運轉有著極大的影響。本文以某水電站工程為例，對于溢洪道消能設計的基本要點進行了分析。

1 某水電工程的溢洪道的基本狀況

本水電工程位于新疆和田地區(qū),所在區(qū)域的地形以階梯形式所存在，地勢的高度自南向北依次遞減，此工程的溢洪道被布置在某河旁邊，就其整體結構而言，它涵括了泄槽段、引渠段、控制段、陡坡段以及消能段。每一段的設計都充分結合了工程所在地的地質特點，在設計過程中所采用的材料以及相關段體長度的確定都基本能夠滿足于工程地對于水電工程的要求。引渠段是溢洪道中最重要的結構之一，它底板的高度約為1760m，其布置的方式主要為圓弧擴散，所采用的圓弧的半徑大概為92m左右。在引水渠的兩側分別布有壩體的重要結構，在其左側是對壩體起到一定防護作用的重力式防護墻，其右側是由砂礫為主要組成部分的邊坡，在引水渠的建設過程中，此邊坡所采用的支護方式為噴錨支護。控制段對于整個溢洪道作用的發(fā)揮有著重要影響，在本工程中，控制段所設計的類型為實用堰型，堰頂高程1763.50m，堰寬15m，溢流堰面曲線方程為y=0.070627X1.85。整個控制段平臺的高度為1778.60m，在其孔口處設有弧形工作門，對其泄流過程起控制作用。在此弧形門前存有以固結灌漿和錨桿加固為主要處理方式的平板檢修門。泄槽段和控制段緊密相連，其斜坡的坡度和控制段相吻合。其和下游泄槽像連接的方式為圓弧連接，其圓心角α=42.14°，反弧末端高程1750.91m，其后為漸變段，底板由15m漸變?yōu)?2m，縱坡5/100，底板高程1748.91～1744.31m，斷面為12m×10.50m的矩形，泄槽段長92m，襯厚1.50m。消能段在整個溢洪道中也起著獨一無二的作用，消能段設計的是否合理對于溢洪道作用的發(fā)揮有著直接的影響。在本工程中消能段的挑流鼻坎凈寬12m，為扭鼻坎，轉彎半徑為80m，轉角為10.08°，起點底板高程1744.31m，挑流鼻坎反弧半徑為40m，挑角22.21°，坎頂高程1747.18m，邊墻墻頂高程1750.83～1758.18m。在挑流鼻坎底板下設置前后齒槽，并在此基礎之上在底板下加設錨筋，錨筋的基本尺寸為直徑25，排布方式為梅花形，各個錨筋之間的距離為2m，應岸坡巖層走向為緩傾角且挑坎處岸坡直立。整體的溢洪道的結構如圖1所示。

圖1 溢洪道體形圖

在本水電站中原對溢洪道設計核泄量為1017m3/s，實際校核泄量為1607.17m3/s。經過相關工作人員的測試，在本水電工程的溢洪道中，其基本的水位流量如表1所示。

表1 某水電站水位和流量關系表

2 某水電站右岸導流兼泄洪沖沙洞方案兩泄水道出口挑流鼻坎優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化思路

導流兼泄洪沖砂洞出口挑流鼻坎優(yōu)化是本次對某水電站工程溢洪道優(yōu)化過程中最重要的優(yōu)化部分之一，但是由于本水電站的河道極其狹窄并且大壩的高度超過60m，這種條件的水電站在我國都是很少見的，因此在對本工程進行試驗的過程中，相關工作人員所能參考的案例是很少的，這為試驗的順利進行造成了阻礙。

在原設計中所采用的是目前我國已經屬于比較成熟的等寬挑流鼻坎，在對這種設計方案進行試驗時，工作人員發(fā)現(xiàn)在對此挑坎的消能效果并不是太好，并且其在消能過程中存有頂沖對岸的現(xiàn)象，這對整個工程安全性能的保持是極其不利的，因此在本工程中相關設計人員所采取的的主要的優(yōu)化方式就是運用窄縫挑坎，這種挑坎能夠為水舌導向提供條件，更加適合本工程。

2.2 優(yōu)化方案1

設計水位和庫水位相同。把窄縫水流分為上下兩部分，上部為次生流，流量小，占比不足總流量的1/10，下部水流為主流，導向角較大。就方案整體來說，它能夠一定程度上解決原方案中挑流對岸的沖擊的問題，但是這種方案會使得窄縫出口沖擊波增強，不利于水電站的整體運行。

2.3 優(yōu)化方案2

在此優(yōu)化方案中對原設計中的明渠漸變段進行了去除，從而使得窄縫挑坎長度得以加長，為了能夠確保窄縫挑坎水舌在各種工況下都能夠形成，對原設計中的護坦高程進行了適當?shù)慕档停@一設計的優(yōu)化也能夠盡可能的使得窄縫挑坎內產生水躍的現(xiàn)象得以減少。為了減少水流對護坦的影響以及水舌在作用時會對護坦產生一定程度的沖擊，在挑坎出口處把跌坎去除，使得其能直接和護坦相連。此優(yōu)化方案和優(yōu)化方案1相比更具有針對性，整體性能也比較好。下面就不同工況下的試驗情況進行分析。

工況1：庫水位為校核水位、下游河道水位為1735.10m、工作弧門全開。

流態(tài)：水流的基本形態(tài)還是分為上、下兩個部分，其中>90%以上的流量都集中在水流的下部分。從水舌的基本狀態(tài)來看，在這種工況下的水舌的形態(tài)還算比較好。窄縫出口邊墻高度低于水面，為了驗證邊墻高度對于水翅形態(tài)的影響，在試驗中采取一定的措施對邊墻高度進行提升，被提升邊墻后，其相關水翅的形狀并沒有多大變化，因此在工程實施過程中沒必要對邊墻進行高度提升處理。這種優(yōu)化方案下的河道流態(tài)還是比較順暢的，雖然水舌兩側會產生微小回流，但是對于整體溢洪道消能作用的影響不大。

工況2：庫水位為設計水位、下游河道水位為1734.80m、工作弧門全開。

流態(tài)：水流與校核工況基本相同，只是水舌挑距略小。需要補充說明：①對于左岸，水舌頂端左側有微小回流，流態(tài)甚佳；②在右岸，水舌右側有顯著回流，且有一定的爬右岸坡，形成的原因是底層水流（2～3m）為淹沒射流，有顯著的橫向擴散。③窄縫挑坎出口水流高于邊墻，若加高邊墻，幾乎不影響水流。

3 對溢洪道出口消能的優(yōu)化設計

3.1 對于表孔進口體型進行優(yōu)化

表孔進口是溢洪道發(fā)揮作用的重要結構之一，其基本體型是否合理會直接對溢洪道消能過程的實現(xiàn)有著一定影響。在原設計中表孔口的流態(tài)存有一定的不良現(xiàn)象，造成這種不良現(xiàn)象得以出現(xiàn)的主要因素為中墩的存在以及受表孔進口左邊擋墻的墻體型影響，為了解決這一問題，使得表孔流態(tài)能夠表現(xiàn)正常，本工程相關人員對其進行了以下優(yōu)化：一是把進口中墩去掉，二是進口左側采用橢圓進口曲線，這一優(yōu)化方案很好的解決了原方案中所存在的問題。

3.2 結構優(yōu)化

本水電站工程的基本大壩的高度并不是特別高，溢洪道的出口和相關人員設計的水位之間的差距大概為30m，因此這就致使了水流通過溢洪道的出口時，其基本速度不會太快，這對其通過單窄縫挑坎有一定的阻礙。在原設計中所采用的設計思路為把水舌縱向拉開兼橫向擴散，這一設計方案雖然在一定程度上解決了溢洪道左側空間利用問題，但是卻不能使得水舌頂沖對岸問題得以解決，因此原設計方案不能夠很好的滿足水電站的基本要求。為了解決水舌沖擊對岸這一問題，在經過實地勘察和考察的基礎之上，相關設計人員提出了優(yōu)化設計方案，在優(yōu)化過后的設計方案中讓水舌采用兩個窄縫挑坎，并讓讓水舌以前后錯開的形式出現(xiàn)，這種方式能夠極大程度的降低水流對于相關建筑和河床的沖刷，對于溢洪道基本性能的發(fā)揮有著一定的積極作用。

4 結束語

水電站工程是和人們生活密切相關的工程，其基本性能能否順利發(fā)揮對于人們的生活有著極大的影響。為了確保水電站工程能夠正常運作，相關部門必須加強溢洪道消能性能的提升。只有溢洪道最大程度的實現(xiàn)了消能過程，才能夠為水電站接下來的運行奠定基礎。

[1]王天宇.臺階式溢洪道的消能及其應用價值的探討［J］.云南水力發(fā)電，2013(08):98-99.

[2]南祥韓.新型寬尾墩在索風營水電站的應用與研究［J］.水力學報，2011(09):65-66.

[3]宋曉亮.溢洪道挑流鼻坎幾何尺寸的確定［J］.水利科技與經濟,2011(09):121-122.

[4]姚文玲.那新水電站溢洪道出口挑坎結構形式的試驗研究［J］.紅水河,2011(07):64-65.

[5]王吉.階梯溢洪道的研究現(xiàn)狀及展望［J］.水利水電科技進展,2011(11):134-135.

[6]曾延農.向家壩水電站泄洪消能方案構思與初步研究［J］.水力發(fā)電，2011(04):38-39.