旬阳水电站冲沙闸消能工设计与体型优化

刘新跃 丁浩铎 高始健 李继祥 杨子强 于洋

摘 要：本文以陕西汉江旬阳水电站冲沙闸单体水工模型试验为例，对中低水头、大泄量闸坝式泄洪建筑物在大变幅上下游水位运行工况下的体型设计进行探討。研究结果表明，在消力池内设置消力墩和差动式尾坎，可有效改善中低水头泄洪建筑物在上下游水位高落差运行工况下的流态，减小下游河道冲刷，增大消能率。

关键词：水闸大变幅上下游水位流态差动式尾坎河道冲淤消能率

Energy Dissipation Design and Optimize of Silt Releasing Sluice in Xunyang Hydropower Station

LIU Xinyue1; DING Haoduo1; GAO Shijian1; LI Jixiang1; YANG Ziqiang2; YU Yang2;

(1.Datang Guanyinyan Hydropower Development Co.,LTD; 2. Hydropower Beijing Engineering Corporantion 3.The No.1 General Team of Armed Police Hydropower Troops)

Abstract: Take the hydraulic model test of XunYang hydropower station which planning on Hanjiang river as an example, This paper studies the optimal shape design of the low water-head flood diversion sluice in the large-sized water level fluctuation conditions.The results show that, in the plunge pool settings stilling pier and differential tail bucket, which can effectively improve flow pattern reduce the downstream river erosion, increase the energy dissipation ratio.

Keywords: Sluice; large-sized water level fluctuation; flow pattern; differential tail bucket;river erosion scouring; energy dissipation ratio

我国拥有十分丰富的中低水头水利资源，但由于开发水平限制，开发程度仍较低。制约中低水头水电工程开发的原因主要有[1]：（1）水库回水曲线重迭，使梯级电站总水头减小；（2）水库无调洪削峰能力，因此，枢纽泄洪建筑物、金属结构工程量大；（3）下游水位变化大，电站利用的水头和发电出力不稳定，不适应系统负荷变化要求；（4）水轮机制造一般采用大直径的轴流式水轮机或贯流机组，以及低转速的发电机，投资较高。随着水电开发技术水平的提高，上述不利因素得到了一定程度的缓解，据不完全统计，我国经过规划的水头在25m以下的中低水头水电站装机总容量约13400MW，年发电量仅为600亿kW·h[2]。

1 工程简介

旬阳水电站位于陕西省旬阳县城南约2km，是汉江干流规划的七个梯级电站的第五个梯级开发项目。北京国电水利水电工程有限公司采用回归自然、和谐利用水能资源的设计理念，对旬阳水电站泄洪建筑物布置进行了设计[3]。该电站坝顶高程244m，最大坝高55m，属中低水头水工建筑物，由于其汛期泄流量巨大（千年一遇洪水设计流量达32600m3/s），枢纽泄洪布置采用全闸方案，包括冲沙闸（4孔）、左三孔泄洪闸（3孔）和右四孔泄洪闸（4孔）[4]，其中，冲沙闸采用开敞式低实用堰体型设计，堰顶高程设置为216m，堰宽设置为13m，具体如图1-1所示。

图1-1 旬阳水电站冲沙闸体型剖面图

2 模型设计与量测

本文主要针对旬阳水电站冲沙闸在大变幅上下游水位工况下的流态和下游河道冲淤特性进行模拟：（1）模型比尺1：50；（2）模型制作包含1个完整闸孔（含闸墩）及两侧各1/4闸孔，材料使用为机玻璃；（3）采用水位测针量测闸前水位和下游水位，测点位置分别位于桩号K0-050m处和桩号K0+350m处；（4）消力池后河道采用动床模拟，铺沙高程211m，根据模型冲刷料粒径计算经验公式，本次模型冲刷料可用中值粒径为8.89mm冲刷料进行模拟（抗冲流速3.5~4.5m/s计算）。

表2-1：冲沙闸模型试验工况

试验工况 洪水标准 库水位（m） 下游水位（m） 设计流量（m3/s）

（1+2×1/4孔）

1 常遇洪水前 241 218.96

2 233 222.37 2227.53

3 233 225.44 2227.53

4 常遇洪水(p=50%) 233 228.82 2227.53

5 5年一遇(p=20%) 233 231.6 2227.53

6 20年一遇(p=5%) 236.27 235.51 2721.11

7 50年一遇(p=2%) 239.38 238.43 3202.52

8 100年一遇(p=1%) 240.25 239.48 3368.09

9 1000年一遇(p=0.1%) 243.28 242.1 3898.2

3 原设计方案试验成果

3.1 流态

1+2×1/4孔的模型设计可以充分模拟闸墩绕流对流态的影响，故流态模拟更为真实。图3-1即为冲沙闸在大变幅上下游水位工况下的流态演变示意图：（1）当冲沙闸上下游水位落差较大（工况1~工况2）时，水流衔接时产生远驱水跃，造成消力池后动床严重冲刷，因此，原设计方案必须进行体型优化；（2）随着冲沙闸上下游水位落差进一步减小（工况4），远驱水跃已转化为淹没水跃，消力池后流态已趋于平稳；（3）当冲沙闸上下游水位落差较小（工况6~工况9）时，淹没水跃已转化为微弱的不完全水跃，整体流态趋于平稳。

（a） 常遇洪水前流态（b） 5年一遇洪水位流态（p=1%）

（c） 1000年一遇洪水位流态（p=0.1%）

图3-1 冲沙闸各典型工况流态示意图

3.2 下游河道冲淤

冲沙闸下游河道冲淤试验的最不利工况为工况1，但由于冲沙闸单体水工模型无法模拟在单孔开启时下泄水流在下游河道内的扩散，故下游水位（桩号K0+350m处）无法降至218.96m，因此，未能实现该工况的试验模拟。

本次试验针对工况2、工况3、工况6、工况7四个典型工况进行试验模拟：（1）工况2动床冲刷很明显，冲刷最低点位于坝0+139.00m处，最大冲深（相对于铺沙高程211m）为9.9m，淤积最高点位于坝0+104.00m处，最大淤积高度为2.4m；（2）工况3动床冲刷也很明显，冲刷最低点位于坝0+149.00m处，最大冲深为7.45m，淤积最高点位于坝0+104.00m处，最大淤积高度为2.7m；（3）工况6动床冲刷较小，冲刷最低点位于坝0+124.00m处，最大冲深为2.55m，淤积最高点位于坝0+104.00m处，最大淤积高度为1.75m；（4）工况7动床冲刷程度与工况6相似，冲刷最低点位于坝0+134.00m处，最大冲深为2.4m；淤积最高点位于坝0+111.50m处，最大淤积高度为0.8m。具体冲淤形态见图3-2图所示。

图3-2 冲沙闸动床冲淤高程剖面图（中轴线）

3.3 消能率

沖沙闸消能率按公式为计算[5]。其中：（1）闸前、闸后断面分别选定在坝0-050.00m和坝0+350.00m处；（2）闸前、闸后断面能量分别以、表示；（3）、为闸前、闸后断面的测压管水头；（4）、为闸前、闸后断面的平均流速，取。经计算，冲沙闸各运行工况消能率均较低，为1.23%~17.88%之间，具体计算值见表3-1。

表3-1 冲沙闸各工况效能率计算表

工况编号 工况2 工况3 工况6 工况7 工况8

消能率（%） 17.88 12.22 1.46 1.81 1.23

4. 体型优化

根据原设计方案试验成果可知，当冲沙闸在上下游水位高落差工况运行时，其下游河道冲刷较为严重，且消能率偏低（工况1中应更加严重），因此，原方案体型必须进行优化。根据实测各项水力特性综合考虑，冲沙闸体型优化可考虑采用消力墩与差动式尾坎相结合的消能形式实施，具体优化体型设计如图4-1所示[6]。

（a）优化方案消力墩与差动式尾坎布置图（单位：m） （b）优化方案差动式尾坎正视图（单位：m）

图4-1 冲沙闸优化体型设计图

5 优化体型试验成果

5.1 流态

经试验验证，冲沙闸优化方案流态较原设计方案明显改善：（1）优化方案在上下游水位高落差工况运行时，闸室内产生强水跃，水跃旋滚区全部位于消力池内，水气掺混充分；以工况2为例，其优化方案流态明显优于原方案，具体流态如图4-2所示。（2）随着上下游水位落差的逐渐减小，消力池内水跃逐渐减弱；当泄流量达到常遇洪水标准以后，消力池内水跃已转化为淹没水跃或不完全水跃，此时，优化方案流态已趋近于原方案。

图5-1 优化方案闸室及消力池段水流流态（工况2）

5.2 下游河道冲淤

经试验验证，冲沙闸优化方案对下游河道冲淤状况改善明显。尤其是在上下游水位高落差工况运行时实现了下游河道动床基本不冲，实属不易。

5.3 消能率

中低水头泄水建筑物消能率一般均不高[7]。通过对冲沙闸优化方案工况2、工况3的消能率进行计算可知，其较原方案也有所提高，具体数值见表4-1。

表5-1 冲沙闸优化方案与原方案消能率对比表

工况编号 工况2 工况3

消能率（%） 优化方案 21.00 16.00

原方案 17.88 12.22

5、小结

本文以旬阳水电站冲沙闸单体水工模型试验及体型优化为例，对中低水头泄水建筑物在大变幅上下游水位时的流态、下游河道冲淤以及消能率等方面进行了论述，并得到如下结论：

1、对中低水头泄水建筑物而言，在上下游水位高落差工况运行时，其消力池内部需加设消力墩以改善流态，而采用消力墩与差动式尾坎相结合的体型设计可有效改善上下游水位高落差工况运行时的流态。

2、对中低水头水工建筑物而言，无论其选择何种堰型，在上下游水位高落差工况运行时，均需要在消力池内设置消力墩，以改善流态；而在上下游水位淹没度较高时，无论采用何种堰型均不对其流态产生影响。

3、采用消力墩与差动式尾坎相结合的体型设计可有效改善中低水头水工建筑物在上下游水位高落差工况运行时泄洪所产生的下游河道冲刷，增大消能率，有力的保证了枢纽建筑物的稳定。

参考文献：

[1]张绍康．广西低水头水电站开发[J]．人民珠江，1992，3．

[2]吕欣欣．低水头大流量厂坝联合泄洪消能流场的研究[D]．西安：西安理工大学，2007．

[3]李继祥，丁浩铎，等．旬阳水电站泄流能力试验研究与体型优化[J]．城市建设理论研究，2011,9.

[4]牛争鸣，杨云川，等．陕西汉江旬阳水电站冲沙闸水工模型试验报告[R]．西安：西安理工大学水力学研究所，2007．

[5]吴持恭．水力学（第3版）[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[6]江苏省水利勘测设计研究院，水利部四川水利水电勘测设计研究院．水闸设计规范（SL265-2001）[S]．北京：中国水利水电出版社，2001．

[7]陈俊英．低水头引水工程消能措施试验研究[D]．杨凌：西北农林科技大学，2005．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。