低水頭電站消能結構試驗研究

【摘要】水電是中國能源結構的重要組成部分，近年來，隨著我國經濟建設以及城市發展，對于電力需求越來越大。為了有效解決電力供需矛盾，有關部門在西南地區的上游河段修建了低水頭電站，但往往由于山洪爆發迅速，電站集中泄洪給低水頭電站下游消能設施帶來不利影響。本文通過分析低水頭電站壩下消能結構的消能放沖效果，建立了概化模型作消能結構試驗研究，希望能給相關專業技術工作人員提供幫助。

【關鍵詞】低水頭；電站；消力池；消力墩； 結構型式；消能效果

水力資源是中國能源的重要組成結構，是新型的可再生清潔能源，合理開發水力資源有利于能源工業的可持續性發展。我國河流眾多，隨著社會經濟的發展，人類在防洪、建壩、發電等方面加強了與河流之間的聯系。我國建國初期水電建設集中在東部地區，并且大型的水電站不多，作為能源豐富的西南地區水力資源并沒有得到大規模開發利用。改革開放以后，國家將西部能源開發作為主要任務，提出西電東送戰略，在長江和黃河流域大力建設水電站，促進了我國水電建設事業的發展。

近年來，隨著我國經濟的發展，社會對于電力資源的需求也在不斷擴大，但是現有的電力供應緊張問題，給人們生活帶來了不便。為解決這一問題大力開發新型高效率可再生的能源--水能，水電站不僅發揮發電效益，還有防洪養殖等綜合效益。小水電的建設主要分布在山區小河流上游，由于山區河流量小，為降低建設成本和降低工作難度，很多都采用了低水頭電站的型式，這種低水頭電站也存在一定的潛在隱患，當發生山洪爆發時水流量變大，需要在低水頭電站壩下修建消能放沖設施，只有解決好低水頭電站的消能防沖問題，才能保證小水電的安全運行。本文通過概化模型試驗研究低水頭電站的消能結構形式和效能效果，結合流域的實際情況，提出最優的結構型式。

一、當前低水頭電站消能結構試驗研究所面臨的問題

一般天然河道水流屬于緩流，但是在河道中修建擋水建筑物后，會改變水流條件，導致建筑物下泄水流具有很高的流速，對下游河床威脅極大，尤其考慮到節省建筑成本，建筑物的泄水寬度遠小于河床，使得高速水流下泄，使建筑物下游易產生遠趨式水躍銜接，為了改變這種銜接形式，需要加大建筑物的下游深度，能夠在一定范圍內控制水躍。加大下游水深可以從兩種方式進行：一是可以在河流下游形成消力池，二是在護坦末端修建消能坎，抬高水位，也就是在坎前形成消力池。但是水流在經過消力池后能量很大，因此還需要對消能結構進行優化，如果不及時采取措施消除余能，這會導致水流沖擊下游河床，破壞建筑物結構。消能是采取一定工程措施消除余能的過程，而防沖是對河床加以防護，在一定程度上可以對河床起到保護作用，二者需要結合才能更有效地解決泄水建筑物下游的沖刷問題。

二、對低水頭電站消能結構試驗研究的思考

（一）水流流速變化

1、消力墩位于首部

消力墩是消力池中重要組成部分，常見的消力墩，主要有t字型、梯形和矩形等形式，其主要作用是能夠穩定水躍，降低水躍的波動，通過概化模型試驗研究得出，消力墩設立在消力池前面時可以也在一定程度上增大流速，而在消力池中部時可以形成強迫水躍，設立在尾部可以將底部水流挑離河底，改善下游流速分布清況，降低高流速對河床的沖刷作用。對于低水頭電站來說，在閘孔水流量小時，水流流速不大，對河床以及建筑物的破壞力較小，消能結構主要還是在動能較大的水流條件中能凸顯其優勢，這種條件下T字消力墩比較好。

2、消力墩位于尾部

將不同形式的消力墩放在消力池的尾部，水流銜接處要比消力墩墩設在消力池前面更加平順，主要是由于消力墩能夠增大水躍過后產生的水深，而且設立在尾部，降低了水躍后產生的底流速，防止下游波浪的產生，一定程度上加強消能放沖效果。

（二）水深變化

將消力墩放置在消力池的前部、中部和尾部時，當水流經過消力墩后，能夠大大削弱高速水流產生的能量，一方面是由于水流經過消力墩后，流速降低，產生的動能也降低，另一方面是由于墩后容易產生水躍，形成斷面水深，將動能轉化為勢能，只有使水流的動能減小才能對河床及建筑物形成保護，真正起到消能結構形式的消能效果。但是，還應當考慮水流勢能的變化，水流經過消力墩后形成水躍高度，最終勢能也會轉化為動能，沖刷下游河道。因此，在消力墩后形成的水躍高度也是在消能建筑構造中需要進行仔細研究的。

（三）不同型式的消能結構的能量損失系數

水流能量損失主要是在克服摩擦阻力和克服形狀阻力過程中構成了消能建筑物對水流的阻力，能量損失主要是在墩前水流受阻造成的，其會在墩前形成下降紊流，對墩前形成較大沖擊，另外，水流受阻后會使水流在經過消能建筑物后能量大大降低。但是在低水頭電站下游河床無法進行下切的情況下，能量損失是水流受阻的直接后果。通過試驗研究得出，從低水頭電站的消能效果上看，由T字墩加消力池構成的消能結構明顯具有優勢，在工程實際中更實用。

三、小結

隨著我國經濟建設的發展，社會對電力需求增大，水力資源是新型的可再生清潔能源，在一些河流區域進行低水頭電站的構建，極大緩解了電力緊張問題，水電站不僅可以發電，還在防洪抗洪方面起到重要作用，低水頭電站可以降低建設成本，降低建設難度，但是在使用過程中也存在一定的隱患。在發生山洪爆發時需要在低水頭電站壩下建立消能結構，當前主要是從消能和防沖相結合的措施進行，解決河床以及建筑物的沖刷問題。在對低水頭電站消能結構試驗研究中需要對水流流速變化和水深變化進行分析，采取合理的消能結構降低水流對河床以及建筑物的破壞。

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作者簡介：趙偉偉（1985.8-），男，漢族，籍貫：陜西商洛市，本科，工程師，研究方向：從2009年起長期從事水利工程設計工作。