梅州抽水蓄能電站階梯溢流壩與底孔泄洪建筑物試驗(yàn)研究

周望武

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

碾壓混凝土筑壩技術(shù)在世界大壩建設(shè)中得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]，階梯泄洪建筑物隨著RCC筑壩技術(shù)的發(fā)展得以在越來越多的工程中采用。下泄水流經(jīng)階梯泄洪建筑物時(shí)，通過其階梯底部時(shí)發(fā)生的橫向旋滾，水流的劇烈紊動(dòng)及表面摻氣，使水流很大一部分能量消耗在臺(tái)階溢流面上，從而有效減少下游消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸，降低工程規(guī)模及工程投資[2]。本文所述梅州抽水蓄能電站下水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，若采用平滑溢流壩泄洪，為了消除水流過壩所形成的能量，一般會(huì)采用挑流利用下游水墊消能或在下游修建消力池進(jìn)行水躍消能。與傳統(tǒng)溢流壩消能方式相比，階梯溢流壩具有更突出的優(yōu)勢(shì)，階梯溢流壩配合RCC筑壩技術(shù)具有易施工、工期短、投資省等特點(diǎn)。

1 概 況

梅州抽水蓄能電站下水庫(kù)大壩頂高程419.00 m，正常蓄水位413.50 m，死水位383.00 m，正常蓄水位時(shí)庫(kù)容4 382×104m3。泄洪建筑物布置于大壩河床部位，由表孔和底孔組成。表孔采用無閘門控制的階梯溢洪道，堰頂高程同正常蓄水位，共2孔，單孔凈寬12 m，總凈寬24.0 m。表孔堰面曲線為WES型曲線，下接階梯泄槽，泄槽坡比1∶0.75，單級(jí)階梯高度為1.2 m，水平長(zhǎng)度0.9 m；階梯后接下游護(hù)坦，護(hù)坦高程340.00 m。底孔布置在兩表孔中間，寬度2.5 m，采用短有壓進(jìn)口，進(jìn)口高程378.00 m，出口高程377.074 m。泄洪建筑物平面及典型剖面見圖1。

通過試驗(yàn)，復(fù)核泄洪建筑物泄流能力，測(cè)驗(yàn)泄洪建筑物泄洪時(shí)的水力特性，觀測(cè)下泄水流對(duì)下游河床的沖刷情況，論證泄洪建筑設(shè)計(jì)方案并提出優(yōu)化建議。主要試驗(yàn)工況見表1。

圖1 泄洪建筑物平面及剖面圖

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[3]，采用正態(tài)模型，比尺為1∶30。相應(yīng)其他物理量比尺見表2。

表2 模型比尺

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

原方案3種特征工況成果表明，階梯溢流面單寬流量3.3～12 m3/(s·m)。階梯初始摻氣位置隨下泄流量的增加而向下游移動(dòng)，摻氣充分后的階梯面水流為滑移流[5]。階梯角隅內(nèi)形成穩(wěn)定的漩渦，水流剪切作用明顯，大量摻氣。由于尾部階梯與護(hù)擔(dān)采用的是折線連接，而下游護(hù)坦處水墊較淺，水流到達(dá)護(hù)坦后向上躍起，部分水流脫離護(hù)坦面，水流銜接不理想。當(dāng)表孔單寬流量小于1.0 m3/(s·m)時(shí)，階梯前部水流濺起砸落在階梯上，沒有形成均勻滑移流。消能防沖設(shè)計(jì)水位時(shí)，護(hù)坦末端沖刷深度小于0.80 m，護(hù)坦后左右岸邊最大沖刷深度分別為1.08和1.62 m。

底孔水流出坎后拋射至下游，水舌入水點(diǎn)較集中，下游動(dòng)床最大沖刷坑由底孔泄洪形成，最大沖深8.2 m。底孔挑坎出口(377.074 m)至護(hù)坦面(340.00 m)有37.074 m的高差，布置上欠協(xié)調(diào)。流態(tài)見圖2。

由此可見，需要解決下游護(hù)坦水流脫空、小流量階梯前部水流挑起、底孔出口布置欠協(xié)調(diào)以及底孔水舌入水點(diǎn)較集中的問題，需對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。

4 底孔優(yōu)化試驗(yàn)

對(duì)底孔縱剖面進(jìn)行調(diào)整，仍采用短有壓進(jìn)口，后接斜坡段，出口采用反弧連接，出坎高程降至350.00 m。修改方案見圖3。

圖2 原方案流態(tài)圖

圖3 底孔剖面圖

底孔縱向布置型式改變后(主要體現(xiàn)在出口高程降低)，通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)底孔出口流速由原方案的25.6 m/s增大至30.6 m/s，水舌入水角度由原方案的35°減小至18°，水舌入水較集中，動(dòng)床最大沖刷深度由原方案的8.2 m增大至9.5 m，且岸邊也有淘刷，需要對(duì)底孔挑坎體型進(jìn)行修改。流態(tài)見圖4(a)。

窄縫消能工利用挑坎段邊墻收縮來改變射流水舌運(yùn)動(dòng)軌跡，可使挑射水舌沿縱向拉開分散入水，挑射水舌窄而高，與空氣接觸面大，消能效率高，可大大減輕對(duì)下游河道的沖刷[6-7]。經(jīng)底孔出口窄縫多方案比選，最后確定窄縫挑坎方案為：兩側(cè)對(duì)稱收縮，每邊收縮0.6 m，出口寬度為1.30 m，收縮比b/B=0.52。

試驗(yàn)成果表明，底孔出口采用窄縫挑坎后，水流進(jìn)入挑坎收縮段時(shí)發(fā)生橫向收縮，收縮處形成的沖擊波[8]較小，水深沿程壅高，挑出水舌呈掃帚狀入水，水舌縱向擴(kuò)散效果較好。下游沖刷位于河中，最大沖深4.5 m。流態(tài)見圖4(b)。

由此可見，底孔挑坎改為窄縫后，出坎水舌縱向拉開，水舌分散度較原挑坎方案好，下游沖刷深度減小5 m，并避免了岸邊淘刷，岸坡可采取護(hù)岸不護(hù)底的支護(hù)型式，減少防護(hù)工程量。

圖4 底孔水舌形態(tài)圖

5 表孔優(yōu)化試驗(yàn)

5.1 體型修改

李楨[9]采用數(shù)值模擬方法研究得出，相同條件下在階梯溢洪道前端采用過渡式階梯，水流更易達(dá)到均勻滑行狀態(tài)。在本溢流面堰面曲線末端與階梯連接處(階梯前端)增設(shè)4級(jí)過渡階梯，單級(jí)階梯高度為0.6 m，水平長(zhǎng)度0.45 m；階梯末端采用圓弧與下游護(hù)坦銜接。見圖5。

圖5 表孔修改方案圖

5.2 泄流能力

泄洪建筑物的泄流能力關(guān)系到水工建筑物安全和工程穩(wěn)定運(yùn)行，因此實(shí)際的泄流能力須滿足設(shè)計(jì)要求。泄流能力試驗(yàn)成果表明，流量隨水位變化規(guī)律明顯，相同水位下試驗(yàn)值略大于設(shè)計(jì)值。表孔試驗(yàn)泄量值比設(shè)計(jì)值大0.18%～1.96%，底孔試驗(yàn)泄量值比設(shè)計(jì)值大4.70%～8.56%，說明泄洪建筑物泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。表孔、底孔水位流量關(guān)系曲線見圖6。

圖6 表孔和底孔水位流量關(guān)系曲線圖

5.3 流態(tài)與流速

階梯前部采用過渡臺(tái)階后，各級(jí)流量下階梯水流均勻滑行，流態(tài)平順。階梯之間的水流受到邊界約束和主流拖曳作用，在階梯凹角內(nèi)作橫向旋滾運(yùn)動(dòng)。從階梯橫向上看，隨著流量的增加，水流紊動(dòng)發(fā)展不盡相同。這是由于水流除受到階梯面擾動(dòng)，還受到進(jìn)口邊墩繞流及兩側(cè)邊墻擾動(dòng)影響，導(dǎo)致邊墻附近的水流紊動(dòng)發(fā)展比階梯面其他位置快。從階梯縱向上看，首級(jí)階梯水流受的擾動(dòng)較小，紊流邊界尚未發(fā)展到水面，此時(shí)流態(tài)平順。當(dāng)下泄水流到達(dá)一定的階梯數(shù)時(shí)，具體為消能防沖工況至第3級(jí)附近(左孔、右孔一致)，設(shè)計(jì)工況至第6級(jí)附近(左孔、右孔基本一致)，校核工況至第10級(jí)附近(左孔、右孔不同)，紊流邊界發(fā)展到自由水面，水面破碎，水體摻氣充分，下泄水流呈乳白色，紊流摻氣一直持續(xù)到末級(jí)階梯，隨后經(jīng)過反弧連接段進(jìn)入護(hù)坦。護(hù)坦處水流銜接較好，但3種泄洪工況護(hù)坦內(nèi)呈現(xiàn)出不同流態(tài)，消能防沖工況形成三角形水躍，設(shè)計(jì)工況、校核工況躍首位于護(hù)坦外。后續(xù)研究表明，當(dāng)條件允許，在下游河道適當(dāng)位置增設(shè)二道壩，增加下游水墊厚度，護(hù)坦內(nèi)將會(huì)形成穩(wěn)定的水躍流態(tài)。3種特征工況流態(tài)見圖7。

階梯溢流面流速隨下泄流量的增加而增大。消能防沖工況，階梯面沿程流速在10.05～10.76 m/s之間；設(shè)計(jì)工況，階梯沿程流速為11.18～11.35 m/s之間；校核工況，階梯溢流面流速為12.52～13.25 m/s。由于階梯溢流面摻氣充分，發(fā)生空化空蝕的可能性大大降低，保證了階梯溢洪道的泄洪安全。階梯溢流面流速分布見圖8。

圖7 各工況流態(tài)圖

圖8 階梯流速圖

5.4 消能率

水流經(jīng)過階梯溢流面，紊動(dòng)水流旋滾破碎，水體摻氣充分，在此過程中部分能量耗散。為了計(jì)算在泄洪過程中的能量耗散情況，對(duì)上游進(jìn)口斷面和階梯末端斷面建立能量方程，來計(jì)算各工況消能率的變化，用兩斷面的能量差值與進(jìn)口斷面能量之比作為消能率，消能率的計(jì)算采用如下公式：

(1)

式中：E1、E2分別為水頭的上游進(jìn)口斷面和階梯末端斷面的總能量。

在各級(jí)流量泄洪運(yùn)行時(shí)，光滑溢流面和階梯溢流面下游末端入池流速及消能率對(duì)比見表3，階梯溢流壩末端泄流動(dòng)能(E=V2/2g)只有光滑溢流面相應(yīng)動(dòng)能的37.09%～45.78%，泄流動(dòng)能消能率達(dá)84%以上，階梯溢流面泄流消能作用較明顯。階梯溢流面的消能率隨著單寬流量的增大而緩慢減小(圖9)，階梯面消殺了下泄水流的大部分能量，且消能率具有隨著流量增大而減小的變化規(guī)律，與前人研究成果[10]相一致。

表3 光滑和階梯溢流面動(dòng)能比較

圖9 單寬流量與消能率關(guān)系

6 結(jié) 語

結(jié)合梅州抽水蓄能電站水工模型試驗(yàn)研究，確定了表孔堰面與階梯連接處增設(shè)過渡階梯、階梯末端采用曲線與護(hù)坦銜接、底孔縱向布置調(diào)整及出口窄縫挑坎的體型，通過試驗(yàn)取得以下結(jié)論：

1) 在WES堰面曲線與階梯連接處設(shè)置過渡階梯后，下泄小流量洪水時(shí)不會(huì)發(fā)生水流濺起砸階梯現(xiàn)像，各級(jí)流量下堰面階梯水流平穩(wěn)，形成穩(wěn)定的滑移流態(tài)。

2) 階梯末端與下游護(hù)坦連接時(shí)，采用曲線調(diào)整段過渡，水流銜接更平順。若在下游河道適當(dāng)位置增設(shè)二道壩，將有助護(hù)坦內(nèi)水躍流態(tài)形成，減小下游沖刷。

3) 對(duì)于布置在泄洪建筑物中間的泄洪底孔且下游河道較窄時(shí)，出口采用窄縫挑坎，出坎水舌縱向擴(kuò)散、分散度較好，可減輕下游沖刷，減少下游防護(hù)工程量。

4) 階梯溢流面與光滑溢流面相比，泄流過程中部分能量耗散，消能作用較明顯。階梯溢流面的消能率隨著單寬流量的增大而減小。