加拿大拉斯金工程的性状评估

[加拿大] B.休斯 等

拉斯金水电站位于加拿大温哥华以东约 65 k m的斯泰夫河上。工程于 1930年完成,包括海沃德湖水库(拉斯金坝水库)、拉斯金发电厂房和拉斯金坝。海沃德湖水库集水面积可以忽略,来水几乎完全来自上游约5.6 k m的斯泰夫瀑布发电站的泄水。拉斯金发电厂房安装 3台 35MW的混流式水轮机,拉斯金坝为混凝土重力坝。

现有的溢洪道为 7孔弧形闸门坝顶或溢流溢洪道。从大坝右侧(向下游看)起,依次编号为 1孔到7孔。S形溢洪道的堰顶高程为34.98 m,溢洪道上面的现有道路的面板高程为45.75 m。在溢洪道的下游两岸,混凝土台阶和导墙的布设与自然渠岸的等高线一致。除了保护两岸不受冲刷破坏外,这些混凝土台阶还将泄水重新导向主渠,尤其是当使用外侧闸门时。虽然这些台阶的平面形状不同,高程不同,但是两岸均有几个较大的混凝土台阶。最大的台阶长 27 m、宽 12 m,位于右岸6.8 m的高程处,在 2号与 3号孔的下游。在 5号和 6号孔的下游,左岸有一个稍小的台阶,长 19 m、宽 8 m、高程为-6.2 m。溢洪道斜槽末端为混凝土护坦,高程为-10.13 m,在 4号和 5号孔的下游,将两岸最低的混凝土台阶相连。

紧靠溢洪道的下游河道由基岩和粒状材料组成,高程为 -10 m至 -13 m。尾水位决定于工程的流量(发电厂房和溢洪道流量)和位于下游约 3 k m处的受潮水影响的弗雷泽河的水位。估计最高和最低尾水位分别为10 m和2.4 m高程。在溢洪道护坦末端的下游约 35 m处,一座发电厂房的交通桥横跨溢洪道渠道。一个约宽 17 m的混凝土桥墩位于渠中偏中心线的右侧处。

目前,拉斯金水电站的发电运行次序(G O O)规定了首选的溢洪道闸门运行顺序,这种顺序的设计,是为了使溢洪道下游河道中产生的冲刷和总气体压力(T G P)水平最小。表 1列出了拉斯金坝目前G O O中提出的首选溢洪道运行情况。

表1 原有 7孔溢洪道闸门开度的首选顺序

本工程的可能最大洪水 (P M F)流量估计为3650 m3/s,电厂最大下泄流量为 351 m3/s。在过去 25 a(记录时期)中经历的最大日平均流量估计为1100 m3/s。

1 建议的工程改造

作为抗地震改造的一部分,原先的拉斯金溢洪道将实施部分重建。目前的规划涉及保留原有的堰顶形状,但将用 5扇闸门/6个闸墩的布置替换原先7扇闸门/8个闸墩的布置形式。S形溢洪道的堰顶高程保持34.98 m不变;同时溢洪道单孔宽度增加到17 m,溢洪道桥的高程也将抬高到46.1 m高程(桥面高程)。

作为建议的改造工程的组成部分,B C水电局正在寻找方案,以改善与工程运行有关的总气体压力特性,降低对该系统中重要水生生物的危害风险。为此,B C水电局进行了模型试验,以便更好地了解改造后的溢洪道有关总气体压力产生机制的性能和评估可能减轻总气体压力的办法。

1.1 总气体压力

当掺有空气的水跌入溢洪道下面的深水或有类似的跌水(如瀑布)时,总气体压力水平可能会超过100%,而增加的压力会迫使空气溶解,形成溶解空气过饱和。通常,水流的跌入深度一旦超过 8 m,就会产生空气过饱和。鱼会将过饱和溶液吸入其身体组织,当鱼游到浅水区时,空气将从溶液中放出,这样会产生水泡和造成出血,通常称之为气泡创伤(G B T)。

拉斯金溢洪道产生的总气体压力备受关注,因为在紧靠溢洪道的下游有溯河鲑鱼产卵。从深秋到初冬,这些鲑鱼在大面积浅卵石层中产卵。如果拉斯金坝溢洪(在过去 23 a中有 6 a没有泄洪),则通常是发生在下半年,海沃德湖水库接近其正常蓄水位,而且因强降雨产生的入流量很大。泄洪持续时间一般小于 4 d。但是,泄洪往往总是与弗雷泽河的高流量(导致水深更大)遇在一起,因此,可使大坝下游的总气体压力水平提高。这些不太常见、持续时间短的事件,使鱼暴露在较高的总气体压力的情况较少,而相比之下,哥伦比亚河流域的大多数水电站,其总气体压力过高的时间每年均会持续几星期或几个月。

1.2 总气体压力的缓解措施

减小一个工程处的总气体压力的一般方法是将产生总气体压力的条件降低到最小,尤其是要减少跌落到水深大于 8 m的深水区中的水量。减少总溶解气体(T D G)的最有效措施,通常是将运行措施与工程措施相结合。

1.3 改变运行方式

在正常流量条件下,对于有多余泄洪孔和溢洪道容量过大的溢洪道而言,改变运行方式最有效。在溢洪道下游的尾水深度变化很大的地带,还考虑了其他一些运行方式的改变。在这些情况下,在正常洪水流量行洪期间,用溢洪道的一侧泄洪可能对降低总气体压力更加有效。

1.4 修改溢洪道斜槽

溢洪道下游总气体压力水平的提高,是由溢洪道斜槽下游端的水流跌入相当深的尾水区所产生的。根据这一特点,常常需要对溢洪道斜槽和/或尾水渠做出如下改变:

(1)在溢洪道斜槽或消力池中,增加消力墩、消力槛等消能装置来进行消能,以便降低下游渠道中的跌入水深;

(2)在溢洪道斜槽面上,加设折流装置(挑坎),以使下泄水流在下游河槽中变为表层“滑行”水流;

(3)在溢洪道趾部,抬高和延伸原先的护坦,以提供类似于由常规折流装置建立的那种表层“滑行”水流;

(4)延伸一个(或多个)分隔溢流孔和斜槽的溢洪道闸墩,以允许在为数有限的溢洪道孔中产生一个总气体压力的比选方案,从而使有利于保护鱼类非常重要的“正常”水流通过。

1.5 修改尾水渠

通过修改尾水渠的结构形状,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进行消能。可行的修改方法包括在溢洪道下游简单地填充尾水渠区域(用足够大的材料,在工程设计洪水以下,将保持稳定),或者在溢洪道斜槽趾部增加一个抬高的平台或斜面。其他可行的尾水渠修改方案可能还包括在尾水渠区域砌一堵墙,以便将水流更加有效地导入下游渠道,从而降低尾水渠水域中大量掺气水流的紊动与混合。

1.6 泄水底孔/导流隧洞

为了降低泄放到工程下游的掺气水流量,常常会考虑利用底孔或施工用导流隧洞来泄水。

1.7 水轮机改造

通过对水轮机实施改造,可以增加通过发电厂房的不含气水流量,从而降低工程溢洪(掺气)的频率,这样往往也可以降低工程下游的净总气体压力水平。

某些水电站已经采用了改变运行方式的措施,但由于拉斯金工程的高水头和溢洪道结构形状的特殊性,预计在较高流量下,可能还需要采取一些工程措施。运行方式的改变,包括修改溢洪道的运行顺序,而工程结构的改变,则包括在溢洪道下游两岸改变台阶的布置(例如,在几个较大的混凝土台阶上,增加折流墩或延伸选择的混凝土台阶)或修改溢洪道斜槽的结构(例如,增加折流装置或抬高和延长斜槽趾部现有的溢洪道护坦)。

2 模型研究

在西北水力咨询公司的实验室建立了推荐用于拉斯金工程的 1∶40的非变态缩尺模型,专门用于评估新溢洪道布置的总气体压力的产生机制以及评估降低渠道下游总气体压力的运行方法和工程方法。

模型试验检查了从 200 m3/s到 1200 m3/s的溢洪道流量范围,包含过去 25 a间工程所经历的溢洪道流量范围,评估了渠道下游降低总气体压力的运行方式和工程方法。为了帮助定性分析,美国陆军工程师团已经制订了水流性能分类方法,用于类似的溢洪道模型研究,如图 1所示。

通常,认为滑行水流流态是使溢洪道下游的总气体压力集中最小的最佳水流流态,而将跌落水流流态看作是总气体压力高度集中的原因。但是,要想在很宽的泄水和尾水位范围内得到滑行水流是不可能的;因此,认为波动表面射流分类也是可以接受的。在水流分类时,也考虑了总流量。例如,与较大的流量相比,小流量对总气体压力水平的影响较小。因此,在流量较低时,认为可能不理想的水流分类更加易于接受。

图 1 总气体压力水流分类

拉斯金工程溢洪道下游的流态受到第 1、2号和5号泄水孔下游的混凝土台阶、溢洪道下游支撑发电厂房交通桥的大型桥墩以及桥墩附近渠道水深较浅的严重影响。因此,许多试验不可能严格按照标准的总气体压力水流分类来对水流进行分类。最值得注意的流态(不包括在标准分类中)是水流受到一个或多个混凝土台阶的偏转而进入下游河道中水深受到高河床或其他台阶限制的区域。在这些情况下,将通常的“跌落”水流称为“水深受限的跌落”水流。

3 首选闸门开度顺序的研究

对于新的 5孔溢洪道布置方案,试验是以评估闸门运行顺序方案开始的。因为尾水深度在中心孔(3号和 4号孔)以下超过 8 m,就会导致气体的过饱和,所以模型运行状况的试验重点是靠外边的溢洪孔(1号、2号和 5号孔),以确定使溢洪道底部区域的水流跌落和回流最小的最佳组合。对于每一种流量,均考虑单扇闸门、两扇闸门和 3扇闸门的运行顺序。如前所述,这样将限于使用 1号、2号和 5号孔,避免 3号和 4号孔下游的深水区,并利用与外侧泄水孔下游混凝土台阶有关的消能作用。两扇闸门和 3扇闸门的运行顺序试验主要是考虑均匀和不均匀的闸门操作。首选操作的选择是基于达到“滑行”、“波动表面射流”或“水深受限的跌落”水流流态;使溢洪道趾部(水深最大处)的回流最小;以及使发电厂房交通桥的溅水和漫溢最小。

借助于模型试验,对以下各方面进行了观测:

(1)1号和 2号孔下泄水流受到混凝土台阶的影响,向发电厂房交通桥附近的浅水区偏移,导致产生“水深受限的跌落”水流。

(2)5号孔下泄水流同样也受到混凝土台阶的影响,向发电厂房交通桥桥墩偏移,但是以较陡的角度入水,导致在桥墩上游出现垂直回流。

(3)当 1号和 2号孔同时打开时,尤其是在溢洪道流量超过 500 m3/s时,观察到桥面上有些溅水和作用在桥墩上的压力稍高。

(4)1号闸门高单宽流量的下泄水流受到混凝土台阶的影响,向发电厂房偏移,导致在溢洪道趾部出现一定程度的跌落和回流,而且溢洪道下泄水流与发电厂房水流混合的程度较高。

(5)2号闸门高单宽流量的下泄水流受到高混凝土台阶的影响,向位于桥墩和右岸坝肩之间的浅水渠中偏移,导致水深受限的高速跌落(或滑行)水流。

(6)1号和 2号闸门联合的高宽流量泄流,使发电厂房交通桥上产生过多的溅水和漫溢。当 2号闸门全开或接近全开运行时,将 1号闸门的最大开度限制于1.5 m,以限制该桥上的溅水量。

(7)当 5号闸门开度超过 2 m时,其跌落流量随开度增加而增加。

在进行上述试验的基础上,提出了采用 5孔溢洪道的新的操作顺序。

4 结构的修改

在制订了首选的闸门操作顺序之后,采用该模型,对溢洪道斜槽、混凝土台阶和尾水渠区域几项结构修改工作的有效性进行了快速评估。尤其是进行了有限的试验,以评估以下修改的性能:

(1)在 3号和 4号孔下面的溢洪道斜槽上设一折流装置(挑流坎);

(2)延伸到 2号孔下游的大混凝土台阶,挖除在 5号孔下游台阶上的岩石露头;

(3)拆除支撑发电厂房交通桥的大型桥墩(假设该桥墩可用许多较小的、对流态影响小的流线形桥墩代替)。

利用该模型,对几种不同形状的溢洪道斜槽折流装置进行了评估,包括不同的折流装置高程(浸没在正常尾水位以下)和折流装置长度。试验结果证明,将一套长1.5 m至3 m的折流装置安装在正常尾水位以下约 3 m,当 3号和 4号闸门的闸门开度在 2 m以内时,能够提供令人满意的滑行水流流态(相当于约 500 m3/s的总泄水量)。类似地,该试验结果还证明了从尾水渠区域拆除桥墩,可得出紊动较小的水流流态,同时减少掺气水流溢洪道下游深水区混合的可能性。修改 2号孔下面的大型混凝土台阶会起到相反的作用,而挖除 5号孔下游的岩石露头,则会大大降低前面与 5号闸门操作有关的跌落水流的流态。