山口水电站泄流能力及消能方式研究

2012-09-27潘旭东

水利与建筑工程学报 2012年2期

潘旭东,郭宇

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000)

山口水电站工程位于新疆某河干流梯级开发的最末一级,工程任务为发电和上游梯级电站的发电反调节。工程采用混合坝,桩号0+000 m～0+496 m为碾压混凝土重力坝段,桩号0+496 m～0+963.1 m为粘土心墙坝段,利用重力坝布置电站进水口、泄水建筑物,厂房位于坝后右岸阶地,尾水渠沿右岸阶地并向下游延伸887 m投入河道,最大坝高51 m,装机容量140MW,保证出力40MW,多年平均年发电量5.7×108kW·h,工程规模属大(2)型,工程等别为 Ⅱ等。校核洪水位914.5 m,总库容1.21×108m3,设计洪水位912 m,正常蓄水位912 m,死水位905 m,死库容0.55×108m3。

洪水标准:根据《防洪标准》GB50201-94[1]及《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000[2],经上游水库调蓄后,大坝、泄水建筑物、电站进水口设计洪水标准100 a一遇洪峰流量为1 563 m3/s,校核洪水标准2 000 a一遇洪峰流量为3 891 m3/s;导流标准:围堰挡水阶段P=10%全年洪水洪峰流量为800 m3/s,坝体度汛阶段P=5%全年洪水洪峰流量为1200 m3/s[1-2]。水文气象:工程区多年平均气温8.8℃,极端最高气温39℃,极端最低气温-32.0℃,多年平均降水量334.02 mm,多年平均蒸发量1 961.04 mm,最大风速24.0 m/s,最大冻土深度80 cm。

泄水建筑物地质条件:坝线河谷呈不对称“U”型宽浅谷,左岸河谷自然坡度40°～50°,右岸阶地后缘45°～50°,河床宽237m,右岸Ⅱ级阶地宽600 m～700 m,泄水建筑物出口消能区左岸I级阶地覆盖层厚度一般为5.9m～7.4 m,自上而下覆盖层岩性为:坡洪积碎石土厚0～8 m,洪积低液限粉土厚0～1.6m,冲积低液限粉土厚0.8 m～2.8 m,冲积砂卵砾石层厚3.5 m～5 m;河床段覆盖层厚度一般为0.8 m～2.3 m,为冲积砂卵砾石层,基岩岩性为砂岩、砾岩和泥质粉砂岩互层抗冲刷能力弱,弱风化层按水流抗冲性能分类属Ⅲ类,基岩冲刷系数k=1.2～1.5,基岩抗冲流速为:强风化层抗冲流速0.3 m/s、弱风化上部抗冲流速2.5 m/s、弱风化下部抗冲流速2.8 m/s、新鲜基岩抗冲流速3.5 m/s。

近年来消能方式有了很多创新:如河北潘家口、辽宁白石水库分别采用了宽尾墩和异形宽尾墩挑流消能,安康、岩滩、五强溪等工程采用了宽尾墩(异形宽尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩)方式的组合消能[3]。本工程泄水建筑物具有大流量、低水头的特点,国内类似工程辽宁观音阁水库碾压混凝土重力最大坝高82m,12个溢流表孔、2个放水底孔均采用挑流消能;辽宁白石水库碾压混凝土重力坝最大坝高47.3 m,11个溢流表孔、12个泄洪排沙底孔均采用挑流消能;因此原设计方案泄水建筑物出口采用挑流消能。

1 泄水建筑物

泄洪底孔坝段桩号0+090 m～0+111 m(6#坝段),坝段宽度21.0 m,由一孔永久泄洪底孔、一孔临时泄洪底孔组成。永久底孔进口设有一道平板事故门,孔口尺寸6.0 m×7.5 m,底板高程876.0 m。洞身段为矩型断面,长15.5 m,断面尺寸为6.0 m×7.5 m(宽×高)。出口压坡段长9.0 m,压坡坡度1∶6.0。出口设一道弧形工作门,孔口尺寸为6.0 m×6.0 m,底板高程876.0 m。出口闸井后接一20.0 m长的明渠段,下游采用挑流加护坦、防冲墙的消能方式,见图1。

表孔坝段布置在主河床靠左岸侧的12#、13#两个坝段内,坝段桩号为0+185 m～0+236 m,坝段总宽度51 m。溢流表孔设4孔,溢流堰顶高程902 m,每孔净宽8 m,每两孔一个坝段。出口消力池顺水流方向长82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m处设置一条通长的消力坎。护坦段长20 m,宽70 m,在护坦末端及左右边侧均设有深齿墙,见图2。

图1 泄洪底孔体型图

图2 溢流表孔体型图

泄洪底孔和溢流表孔在各种工况下泄流量见表1。

表1 泄水建筑物泄量表

2 泄水建筑物的泄流能力及消能

本工程底孔和表孔泄流能力、水面线和消能首先通过分析计算,泄洪底孔泄流能力采用有压流的泄流公式计算,溢流表孔按WES堰堰流公式计算。底孔挑流消能和表孔底流消能采用《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)附录A中的公式计算。

本工程通过水工模型试验验证,模型几何比尺为1∶50,按照重力相似准则,模型设计为正态模型。模型范围包括库区、泄水建筑物(4个表孔、两个底孔)、电站引水管道及下游河道800 m,选用有机玻璃为模型材料,泄水建筑物下游河床采用动床,根据河道地形图及基岩的抗冲流速,选择模型砂,铺设动床地形。

2.1 泄流能力

泄洪底孔采用1孔,事故门孔口尺寸为6.0 m×7.5 m,工作门孔口尺寸为6.0 m×6.0 m。泄流能力采用有压流的泄流公式[4]计算并经水工模型试验验证基本能满足设计要求,见表2。

溢流表孔设4孔,溢流堰顶高程902 m,每孔净宽8 m,按WES堰堰流公式[5]计算并经水工模型试验验证基本能满足设计要求,见表2。

表2 泄水建筑物设计泄量与模型试验实测泄量对比表

2.2 水流流态

2.2.1 泄洪底孔水流流态

通过水工模型试验验证底孔洞身各部位均未产生负压强,说明其体型和尺寸是合理的。

底孔出口泄槽水面线采用分段求和法逐段推算,模型试验结果与计算基本相同,见表3。

表3 泄洪底孔设计与模型试验水面线对比表

2.2.2 溢流表孔水流流态

水工模型试验结果表明,在设计和校核工况下,溢流表孔进口流态和过闸水流均较平顺。在门槽附近,沿闸墩有一定的侧收缩,从而使过水断面水流呈现中间高、闸墩壁附近水面低的现象。边墩的侧收缩要大于沿中墩的侧收缩。

水工模型试验结果表明:表孔设计工况下闸门全开时,堰面曲线堰顶桩号0-004 m和桩号0+007 m附近产生负压,但最大负压强值为-0.1 m(-0.000984 MPa),小于规范的规定[4]“设计洪水闸门全开时堰顶负压不得大于0.03 MPa”。校核工况下闸门全开时,堰面曲线堰顶桩号0-004 m～0+010m附近有一低压区,最大负压强值为-2.3 m(-0.022626 MPa),小于规范规定的“校核洪水闸门全开时堰顶负压不得大于0.06 MPa”[4]。其余部位均为正压。

采用分段求和法推求溢流坝面不掺气水面线,并与模型试验比较,见表4。

模型试验桩号0+000 m处水深,流速和掺气水深较接近,桩号0+018 m和桩号0+036 m处出入较大。分析原因,设计计算值未考虑消力坎的壅水作用和消力池水跃影响,故高程越低流速越大,水深越浅。但无论是模型试验实测值或设计计算掺气水深值,均比相应断面的闸墩高度低,即模型试验实测或设计计算水面线均低于相应断面的闸墩顶部高程,且有一定的安全超高。

表4 溢流表孔水工模型试验实测水面线与设计计算水面线对比表

2.3 出口消能

2.3.1 泄洪底孔出口消能

泄洪底孔出口采用挑流消能,校核洪水时计算总挑距为90.8 m,冲刷坑深度为25.1 m,原设计挑坎后护坦长20 m,护坦末端齿墙底高程为869.85 m。从模型试验的结果可看出由于岩体抗冲流速较低,水流回流对护坦两侧和边坡的冲刷严重,所以必须将防护工程保护至冲刷最深点,需在护坦周边增设防冲墙和左岸护岸及防冲墙[6-7]。

通过水工模型试验多种方案比选,沿护坦底板及岸坡防冲墙的冲刷,护坦齿墙垂直河道方向度汛期冲刷最低高程864.7 m,但校核洪水底孔参与泄洪时,其冲刷深度最低可达860.6 m高程,因此护坦防冲墙深度至860 m高程。左岸边坡在临时度汛901.0 m库水位时,最低冲刷到859.5 m高程,在校核洪水914.5 m库水位时,最低冲刷到867.0 m高程,因此左岸防护防冲墙最低深度至858 m高程。

最终确定的底孔下游防护方案如下:护坦长45.797 m,宽49.954 m,厚度为1.0 m。左岸采用混凝土护岸处理,长度为120 m,护岸底高程872.0 m,顶高程881.5 m,采用C25混凝土衬砌,厚度0.5 m～1.0 m。护坦及护岸外侧均布置槽孔混凝土防冲墙,厚度为0.8 m,防冲墙底高程867.00 m～858.00 m。见图3。

2.3.2 溢流表孔出口消能

原设计表孔出口采用挑流消能,通过水工模型试验由于下游河床及岸坡岩体抗冲流速较小,并且挑流泄洪时回流流速较大,对下游冲刷严重,因此改为底流消能。

图3 泄水建筑物平面图

通过水工模型试验中反复调整,经多方案试验最终确定溢流表孔出口消能方案如下:消力池顺水流方向长82 m,底板高程867.0 m,消力池反弧后25 m处设置一条通长的消力坎,此坎顶高程871.5 m,消力池池深6 m,尾部消力坎坎顶高程873.0 m。消力池前部51.134 m长范围内底板横水流向净宽45 m,其后宽度扩至50 m,在护坦末端及左右边侧均设有深齿墙,齿墙底高程护坦末端865.5 m,右侧865.5 m,左侧867.0 m。该方案在校核洪水和设计洪水时,消能充分消能效果良好,动床试验结果为最大冲刷发生在校核洪水情况,沿护坦右侧冲刷最深至866.05 m高程、左侧最深至869.70 m高程。其它常遇洪水由于流量较小,故对下游冲刷影响很小。由于消力池内设置的是通长的消力坎,故避免了像设置消力墩可能产生的空蚀破坏,模型试验实测各工况下消力坎的压强均为正压,也说明不会出现空蚀破坏,见图3。