南津渡水库消能防冲设施改进加固措施试验研究

2012-06-30申培华范洪浩

湖南交通科技 2012年1期

侯斌，申培华，范洪浩

(1.中国国际工程咨询公司，北京 100048; 2.衢州市港航管理处，浙江衢州 324000)

1 工程概况

南津渡水库大坝枢纽位于湖南省永州市零陵区境内羊公滩处，距永州市15 km，是一座集防洪、供水、发电、灌溉、航运、放木等综合利用的水电枢纽工程，也是湘江支流潇水流域水电梯级开发的最后一个梯级电站，距湘江河口7 km，坝址控制流域面积11 791 km2，总库容为6 100万m3。水库总装机容量为60 MW。本枢纽于1989年8月全面动工，1991年11月投产，主要有拦河大坝、电站枢纽的引水式厂房及1、2、3号副坝和升船机等建筑物所组成。大坝枢纽包括混凝土溢流坝，两岸浆砌石重力坝接头和右岸土坝部分。

溢流坝段长218 m，设18孔溢流闸孔，堰顶高程105 m，闸墩厚2 m，每孔宽10 m，闸中分缝。溢流坝剖面采用WES型堰面曲线，坝体底宽23 m，溢流坝下游采用底流式消能方式，加固以前，11号至15号坝段设有消力池，池长20 m，池深3.5 m，池内共设有12个T型消力墩。6号至10号五孔坝段设有消能护坦，护坦长15 m，其他8孔原设计均有护坦，但未施工。

南津渡水库运行多年，消能设施出现不同程度的破坏，泄水闸下游消能设施标准偏低，无法满足消能的需要。且原设计方案中1～5号闸孔、16～18号闸孔下游均设有护坦，目前消力墩破损严重，护坦出现裂缝，消力池底板被掏空，护坦下游河床出现10 m左右的冲刷坑等现象。见图1。

图1 南津渡水库冲刷坑地形高程示意图(单位:m)

本论文对南津渡水库闸坝消能设施的消能效果进行研究，对目前的消能状况进行评价，在此基础上提出合理的改善措施，以满足消能防冲的需要［1］。

2 底流式消能特点

南津渡水库下游采用底流消能，即水跃消能［2，3］，水跃是明槽水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象。当水跃发生时，水跃区的水流可分为两部分，一部分是急流冲入缓流所激起的表面旋流，翻腾滚动，掺入空气，称为“表面旋滚”;另一部分是水滚下面的主流，流速由快变慢，水深由小变大。底流消能的主要特征是射流临底，底流速很高，水流表面有乳白色水跃漩滚，大量掺流在水跃区通过紊动、扩散和混掺等方式，与周围水体进行质量、动量和能量交换，并凭借内摩擦作用，把水流的势能转变为动能，在此过程中，水流的平均动能变为紊动能，然后通过粘性作用，消耗大部分能量。同时，射流在水跃区中形成产生边界分离层，并逐渐向水面扩散，最终失去了急流的特点，与下游缓顺衔接。我国的葛洲坝水电站、三江口水电站、盐锅峡水电站等等都是底流消能的应用实例。

但是对于低佛氏数(Fr＜4.5)的底流消能情况，水流难于形成水跃，或水跃漩滚不充分，常存在跃后流速分布不均匀、有明显的大尺度紊动、水面波动较大等问题。因此传统的底流消能方式往往难于满足低佛氏数水跃消能的要求，所以加强对水力消能方面的研究，努力寻找出较优的消能工形式，是一项目前亟待解决的任务。

低水头泄水建筑物的消能问题是中小型水利水电工程的常见问题。工程的显著特点是水头低，下游水位变幅大，来水随季节变化明显，另外由于流速小，佛罗德数较低，采用常规消能工消能率较低，消能问题突出［4－6］。近年来我国在水电及航运建设中结合特有的复杂的自然条件，对低水头泄水建筑物的消能问题进行了专门的研究，取得了一定的研究成果。

对于低水头、大流量、低佛罗德数的枢纽，采用的消能方式有:采用辅助消能工增加消能效果，如在消力池内设置消力墩或消力坎消能;改变常规消能工的出口条件，通过水流扩散、收缩或碰撞增加消能效果;在采用常规消能方式消能前通过水流收缩和扩散提前消除一部分能量，如采用宽尾墩等，也有不少工程采用综合辅助消能工的消能方式［7］。

3 模型的设计与制作

本试验模型按重力和阻力相似准则设计，采用正态模型，模型比尺采用1∶50。根据泄水闸尺寸、泄水要求和测量精度等要求，模拟7孔泄水闸泄水进行局部模型试验，见图2、图3。模型水槽两侧采用可视玻璃制作，以便观测水流沿程流态及泄流过程。在玻璃水槽中，水槽总宽为160 cm，河床质按照原河床抗冲流速，通过相似准则换算而成，墩头和墩尾均为半圆形，堰面型式为WES型，材料采用pvc材质，满足试验糙率要求。采用实际运行调度方式中较为不利的试验工况进行试验，见表1。

表1 消能试验场次安排表

4 原设计方案消能防冲试验研究

南津渡水库原设计方案中，消能设施主要有消力池、尾坎、T型消力墩以及护坦。溢流坝下游采用底流式消能方式，根据试验研究内容要求，本试验模拟6号至10号坝段的消能设施，其池长20 m，池深3.5 m，T型墩共16个。

4.1 消能率计算分析

根据模型试验实测数据及消能率计算公式，原设计方案泄水闸的消能率计算如表2所示。

表2 原设计方案消能率计算表

各工况下闸前～尾坎断面消能率的试验及计算结果见表2，从表中可以发现，3种工况下的消能率普遍偏低，随着流量的增加，闸门开度逐渐增大，下游水深逐渐变深，上下游水位差逐渐变小，水跃淹没度增大，水跃消能率逐渐降低。另外，随着下游水深的逐渐增加，过闸下泄水流的主流逐渐上升，消力池底部的流速减缓，与堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相应减弱，也造成消能率降低。

4.2 冲刷情况分析

冲刷深度结果如表3所示，河床的冲刷规律是随着泄水闸单宽流量的增大，下游冲刷范围及深度均有所增大，消力池尾坎以后150 m以内是冲刷坑的主要范围，在150 m以后的位置，冲刷现象逐渐减弱，冲刷深度和冲刷范围亦相应减小。

表3 原设计方案不同工况下游河床冲刷结果表

4.3 消能效果评价

根据上述对原设计方案的试验，可得出以下结论:

1)消能工的消能效果比较差，消能率偏低;

2)随着流量的增加，闸门的开孔数增加，闸门开度逐渐增大，下游水深逐渐变深，上下游水位差逐渐变小，水跃淹没度增大，水跃消能率逐渐降低;

3)随着下游水深的逐渐增加，过闸下泄水流的主流逐渐上升，与堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相应减弱，这使得水流紊动也逐渐减弱，消能率降低。

5 改进方案模型试验研究

根据南津渡水库原设计方案中消能设施出现的破损情况，对消能设施进行改进，改进的措施主要是加长消力池，增设消力墩，加设海漫等;改进方案Ⅰ在8号至15号坝段均设置消力池，池长34.6 m，池深3.5 m。改进方案Ⅱ在改进方案Ⅰ基础上再增加了一排梯形消力墩，两排消力墩错位排列。

5.1 消能率计算分析

根据消能率计算公式，按照模型中实测数据对消能率进行计算:各工况下闸前～尾坎断面消能率的试验及计算结果见表4，从表中可以看出，消能率变化趋势和原设计方案比较相似，但是改进方案Ⅰ的3种工况下消能率有明显提高，这说明加长消力池对消能效果的改善作用明显。随着流量的增加，闸门开度逐渐增大，下游水深逐渐变深，上下游水位差逐渐变小，水跃淹没度增大，水跃消能率逐渐降低。另外，随着下游水深的逐渐增加，过闸下泄水流的主流逐渐上升，与堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相应减弱，也造成消能率降低。

改进方案Ⅱ在3孔泄流试验中比原设计方案和改进方案Ⅰ消能率有较大幅度的提高，这说明加长消力池和增设一排梯形墩对消能效果的改善作用明显，但增设消力墩也容易遭到水流的空蚀破坏，这也是在消能设施布置时需要考虑的问题。

5.2 冲刷情况分析

试验表明:在动床模型试验中，随着水流对下游河床长时间的冲刷，下游河床冲刷深度随着泄水闸单宽流量增大，下游冲刷范围及深度均有所增大，冲刷坡度基本上没有很大的变化，并且尾坎后端100 m以内是冲刷坑的主要范围，在100 m以后的位置，冲刷现象逐渐减弱，冲刷深度和冲刷范围亦相应减小。与原设计方案相比，冲刷深度和冲刷范围明显减小，下泄水流相对比较平顺，下游河床最大冲刷深点距尾坎的距离有所增大。