岸边表孔溢洪道(洞)台阶消能技术在新疆几个水电(利)工程中的应用

汪 洋,乔 玲

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000)

1 台阶消能技术简介

台阶式泄槽溢洪道[1-2]近几年已成为泄洪建筑物中新发展起来的一种新型消能形式,台阶式泄槽溢洪道由一系列具有跌坎的明渠组成,是将光滑的溢流面做成台阶状,将整个落差分为若干小跌水,当水舌沿台阶逐级下泄时,在台阶面上形成一个个强烈的大漩涡,漩涡促使水体剧烈紊动,水体表面大量掺气,使泄槽内水舌沿泄槽逐级掺气、减速、消能。台阶面的消能形式是通过两种不同形式的水流形态来进行消能的,在小流量情况下,台阶面水流呈舌状跌落水流,薄层水流从上一个台阶跌落到下一个台阶,通过和台阶水平面的撞击及水流紊动而消除能量,如此重复的再向下一个台阶传下去,如此重复跌落,消除能量,该流态的台阶面消能率最高。随着流量的增大,从台阶顶部射出的流速逐渐增大,舌状跌落水流向滑移水流转化,在台阶面滑移流条件下,水流的能量主要通过水流在台阶面上的裂散掺气以及主流和底部漩涡之间的紊动交换来实现能量的消除。

对于光滑面溢洪道,水流在溢流面上流淌时消耗的能量极少,绝大部分能量被集中输送到下游坝趾处消力池(或水垫塘)内消能,出池余能较大,仍需对下游河岸采取工程措施进行处理,工程投资较大。台阶式溢洪道通过泄槽沿程掺气、漩滚消能,能显著地降低溢洪道末端流速,对常遇洪水,台阶消能率一般可达总消能率的70%以上,可有效地减小下游消力池(或消力塘)的规模,降低工程投资,并可解决消力池的布置与地形、地质条件之间的矛盾。

2 台阶消能在新疆岸边表孔溢洪道(洞)中的应用情况

新疆有着丰富的水利水电资源,中小河流众多,中、小型水利水电工程的一个明显特点是水库库容不太大,另外,新疆河流的水文特性是每年汛期(6月～8月)径流量占全年河流来水量的70%以上,造成泄洪频繁,给泄水建筑物消能防冲提出很高的要求,根据各工程不同的特点和具体条件,积极探索采用经济高效的新型消能工,不但节省了工程投资,还对新疆中小型水利水电工程的科技进步起了积极的推动作用,以下对新疆几个典型工程实例作简单介绍。

2.1 库什塔依水电站岸边溢洪道阶梯式泄槽+消力池联合消能[3]

库什塔依水电站工程位于库克苏河上,距特克斯县20 km,电站装机100 MW,工程由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水洞、厂房等建筑物组成。设计洪水位时溢洪道泄量760.36 m3/s,校核洪水位时溢洪道泄量869.86 m3/s。

表孔溢洪洞布置于右岸,由进口引渠段、控制段、洞身泄槽段、出口陡泄槽段、消力池段、出口明渠段组成。控制段采用WES实用堰型,堰宽12 m,堰顶高程1 296.50 m,采用开敞式进水口,洞身为明流泄洪形式,由于现代河床右岸发育Ⅱ级基座阶地,考虑到泄洪建筑物出口高程相对较低且距离现代河床较远,泄水建筑物消能型式选择底流消能方式。出口陡槽段为底宽16 m,槽深5.0 m～4.0m的矩形槽整体式结构,陡槽段采用台阶式消能方式,台阶高度1 m,宽1.65 m。纵坡1/1.65,长98.4 m(斜长)。陡槽段下游接消力池,消力池底宽16 m,消力池深10 m,并在消力池内设辅助消能工(消力墩),出口明渠采用矩形整体式结构。

对表孔溢洪洞陡槽段采用不同台阶高度(3个台阶高度)、不同单宽流量(5个不同流量)时台阶消能效率进行水工模型试验,研究表明,台阶高度不变,随着下泄流量的增加,台阶面的消能率在逐渐降低。不同台阶高度在下泄相同流量时,台阶越高,其消能率也越大。从试验资料看,台阶高度为1.0 m和1.3 m时台阶面消能率基本接近,采用台阶高度为1.0 m和1.3 m均能达到满意的消能效果,故采用1.0 m高度台阶,不同台阶高度、不同单宽流量时台阶消能率试验成果汇总见表1。

表1 库什塔依表孔溢洪洞陡槽台阶消能率试验成果汇总

从消能流态看,各种水位均能在消力池内形成理想的水跃流态,完全可以满足工程要求,设计洪水时台阶消能率可达到56%,校核洪水时台阶消能率可达到42.7%,具有较好的消能效果。

2.2 斯木塔斯水电站岸边溢洪道台阶式泄槽+挑坎联合消能[4]

斯木塔斯水电站位于阿克牙孜河中游河段,距昭苏县县城45 km,工程主要由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水洞、压力管道、电站厂房和尾水渠等组成,最大坝高106 m,电站装机容量110 MW,设计洪水位时溢洪道泄量283.95 m3/s,校核洪水位时溢洪道泄量407.33 m3/s。

坝址处河谷呈基本对称“V”形,两岸基岩裸露,坡度多在60°～80°,现代河床宽8 m～16 m,正常高水位河谷宽约120m～140 m,溢洪道布置在左岸,堰顶高程1 925.00 m,单孔净宽9 m,由引渠段、控制段、渐变段、泄槽段、挑流段组成。陡槽段纵坡1∶1.25,长 140 m(斜长),泄槽底宽 9 m,台阶高度 1 m,宽1.25 m,挑流消能,水工模型试验泄槽段主要进行了以下两项研究:

2.2.1 陡槽首部渥曲面段与台阶段衔接形式试验

陡槽首部渥曲面段与台阶段衔接形式分别进行了凸式衔接和凹式衔接试验,凸式衔接时陡槽首部出现较大负压,水舌冲击台阶陡槽,溅水剧烈,试验表明凹式衔接水流流态明显优于凸式衔接,台阶段与光滑段采用凹式衔接较好。

2.2.2 台阶高度试验

开展了台阶高度为0.5 m、1.0 m和2.0 m的试验研究,对于台阶高度0.5 m的陡槽,该台阶高度消能率不足。对于台阶高度2.0 m的陡槽,在小流量情况下流态不良,水流过度飞溅。对于台阶高度1.0 m的陡槽,可以兼顾到消能与小流量流态要求,适合本工程具体情况。经水工模型试验论证,陡槽段采用台阶消能,台阶段与渥曲面段采用凹式衔接,台阶高度1.0 m,陡槽段底宽9 m,纵坡1∶1.25,陡槽长140 m(斜长),主要工况下消能率见表2。

表2 斯木塔斯水电站表孔台阶消能率试验成果汇总

2.3 努尔加水库岸边溢洪道阶梯式泄槽+消力塘联合消能[5]

努尔加水库位于昌吉市境内的三屯河上,距昌吉市区约37 km,工程主要由碾压式沥青混凝土心墙坝、导流泄洪洞、放水洞和开敞式进口溢洪洞等主要建筑物组成,最大坝高81 m。设计洪水位时溢洪道泄量382.75 m3/s,校核洪水位时溢洪道泄量819.7 m3/s。由于泄水建筑物出口处河床覆盖层深度约为14.4 m,下伏基岩岩性主要为砂质泥岩夹砾岩,泥质胶结,基岩抗冲蚀能力较差,故表孔泄洪洞采用阶梯式泄槽+消力塘联合消能。

表孔溢洪洞布置在左坝肩,由引渠段、控制段、洞身段、泄槽段,挑坎段、消力塘段以及出口退水渠段组成,堰顶高程870 m,采用WES实用堰型,堰宽10 m,泄槽段长170.552m,前段长90.0m,泄槽纵坡1∶20.0,后段长80.5 m,泄槽纵坡1∶3.0,采用台阶式消能方式,台阶高度 0.67 m,台阶宽度 2.0 m,泄槽底宽为7.2 m,末端采用挑流进入水垫塘消能。不同单宽流量时台阶消能率试验成果汇总见表3。

表3 努尔加水库表孔台阶陡槽消能率试验成果汇总

2.4 白杨河水库岸边溢洪道台阶式泄槽+消力池联合消能[6]

白杨河水库位于阜康市滋泥泉子镇南部山区,主要由粘土心墙坝、导流泄洪兼放水洞、开敞式溢洪道等主要建筑物组成,坝高78 m。设计洪水位时溢洪道泄量105.55 m3/s,校核洪水位时溢洪道泄量144.48 m3/s。

表孔溢洪道布置在右岸坝肩上,由进口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段等组成。控制段堰型采用WES堰型,堰顶高程1 006 m,堰高3 m,溢流堰净宽5 m,泄槽段长 190 m(斜长),底宽 5 m,纵坡1∶3.5,采用台阶式消能方式,台阶高度1.0 m,台阶宽度3.5 m,出口段消力池长30.0 m,宽8 m,池深3.0 m,后接泄水渠与河道平顺连接。主要工况下陡槽段台阶消能率见表4。

表4 白杨河水库表孔台阶陡槽消能率试验成果汇总

3 岸边表孔溢洪道(洞)台阶消能效果分析

在流道内设台阶消能工能有效降低流速,消除部分或大部分泄洪能量,减轻消力池或水垫塘的消能负担,顺利完成泄洪消能任务,另外,流道内水流掺气充分,可减免空蚀破坏的风险。

库什塔依水电站岸边溢洪道采用台阶式泄槽+消力池联合消能形式,出口陡槽段采用台阶消能后,由于台阶的消能作用显著,最大流速由37.3 m/s降到22.33 m/s,消力池长度由原设计的100 m缩短为50 m,消力池深10 m和底宽16 m不变。

斯木塔斯水电站岸边溢洪道采用阶梯式泄槽+挑坎联合消能,挑坎末端最大流速由34.0 m/s降为23.0 m/s以内,挑距由130.0 m缩短到62.0 m以内,水舌入水宽度为11.0 m,各种流量的水舌都在河槽内,避免了对左右岸岩石的直接冲刷。

努尔加水库岸边溢洪道采用阶梯式泄槽+消力塘联合消能,挑坎末端最大流速由39.00 m/s降低到20.27 m/s,使挑流水舌入塘后能充分利用有限的消力塘范围进行水流消能,消力塘总长度从原来的约100.0 m缩短为65 m,消力塘起点宽度从原来的40.0 m缩窄为32.34 m,消力塘深度从原来的约11.0 m减少到8.0 m。

白杨河水库岸边溢洪道采用台阶式泄槽+消力池联合消能形式,陡槽末端最大流速由24.8 m/s降到13.6 m/s,消力池长度由原设计的66.0 m缩短为30.0 m,消力池深由原设计的6.0 m减少为3.0 m,底宽8.0 m不变。

对常遇洪水,台阶消能率一般可达总消能率的70%以上,台阶成为主要消能工,采用台阶式泄槽+消力池(或水垫塘)组合消能方式,可大大减轻消力池(或水垫塘)的消能负担,减小消力池(或水垫塘)的断面尺寸,达到节省工程投资之目的。

4 结 论

(1)台阶式消能工是一种新型消能工,它改变了将水流能量输送至下游集中消除的传统消能方式,利用溢洪道陡槽上专门设置的系列阶梯,通过坡面沿程掺气、漩滚消能,可减轻水流对流道的冲刷破坏作用,也可减免流道产生空蚀破坏的风险,降低了陡槽末端最大流速,减少陡槽末端余能,减轻消力池或下游水垫塘的消能负担,从而达到简化下游消能设施,减小陡槽末端底流消力池或水垫塘的断面尺寸,达到节省工程投资之目的。

(2)在陡槽首部设掺气槽,可保证台阶面水流挟带大量空气,对防止空蚀及减轻下游冲刷都有利。

(3)阶梯消能的效果与坝高、泄槽内单宽流量、台阶高度、溢洪道坡面斜率及流程长度有关。阶梯上的能量损失在很大程度上依赖于坡面长度,台阶消能率一般可达总消能率的70%以上,甚至可达90%以上。

(4)台阶式斜槽大量掺气使得水流水面抬升,在进行泄槽侧墙设计时应考虑这种情况。

(5)试验表明,陡槽首部渥曲面段与台阶段衔接形式采用凹式衔接较好。

[1] 艾克明.台阶式泄槽溢洪道的应用状况浅析[C]//泄洪工程与高速水流.长春:吉林科学技术出版社,2000.

[2] 花立峰,南晓红.河岸式溢洪道体型布置分析与优化研究[J].水利与建筑工程学报,2003,1(1):22-25.

[3] 库什塔依水电站水工模型试验报告[R].杨凌:水利部西北水利科学研究所实验中心,2009.

[4] 斯木塔斯水电站水工模型试验报告[R].杨凌:水利部西北水利科学研究所,2010.

[5] 努尔加水库水工模型试验报告[R].杨凌:水利部西北水利科学研究所实验中心,2011.

[6] 白杨河水库水工模型试验初步报告[R].大连:大连理工大学,2010.