台阶消能在大田河水电站前池溢洪道中的应用

符昌胜

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002)

1 工程概况

大田河水电站位于贵州省贞丰县，包含落生、大地两级电站，总装机容量10万kW，设计年发电量约4.13亿 kW·h，

大地水电站是大田河引水式开发的第二级电站，由引水隧洞、前池、电站进水口、压力钢管和厂房组成，电站安装有两台1万kW的水轮发电机组，直接引用落生电站的尾水发电，设计水头69.7 m，设计引水流量40 m3/s。工程于2003年11月开始动工，2006年6月开始试运行。

2 前池溢洪道设计

大地电站前池设计总容积10 930 m3，有效容积8 400 m3，前池最高水位与下游天然河道高差达67 m，设计下泄流量40 m3/s，采用侧槽式溢洪道泄流。受地形条件限制，泄槽末端不能采用挑流消能，采用底流消能时，消力池长度也≤15 m，因此溢洪道在泄槽段必须进行沿程消能，因此设计采用台消能泄槽设计。泄槽设计宽8 m，设计单宽流量5 m3/s。泄槽纵向主要分为两段，上游段为1∶3.7的相对较缓段，底板沿程布置1.85 m宽0.5 m高台阶;下游为1∶0.9的陡坡段，底板沿程布置0.9 m宽1 m高台阶。溢洪道纵剖图见图1。

图1 溢洪道纵剖图

台阶式泄槽由一系列的跌坎组成，根据实验观察表表明，通过台阶的水流可分为跌流水舌和分离流。发生跌流水舌是在泄槽流量较小的情况下，当泄槽流量较大时，泄槽呈现为分离流。为形成分离水流流态，台阶高度必须满足式:

根据公式判断，两段泄槽均满足分离流结构尺寸要求。根据台阶尺寸计算台阶糙度K*=h×cosα。然后采用如下两个公式计算分离水流产生的起始距离和起始水深。

根据如下流速计算通用图表计算泄槽沿程水深与起始水深的关系，进而推求出整个泄槽的水深。

根据计算，第一段末端平均水深0.63 m，第二段末端平均水深0.71 m。但经试运行期间观察，前池泄槽在下泄流量为20 m3/s时，在泄槽底坡由缓变陡的槽段，水流过渡效果差，不能在陡槽段形成良好的掺气水流，水流流态紊乱，故在桩号0+122.16之后出现局部水波溅出泄槽，泄槽原设计高度不满足要求，需加高，边墙加高高度根据现场观测估算。同时因泄槽实际消能率小于设计消能率，使得消力池入口水流流速较大，消力池深度不满足要求。

图2 流速计算通用图

3 泄槽及消力池水力复核计算

计算过程:

1)计算非台阶泄槽第一段及第二段末端能量。

2)根据原设计计算复核第一段泄槽的相对消能率。

3)根据计算出的非台阶泄槽末端能量EC，参考相关论文资料，综合考虑对大地泄槽消能率进行调整后计算泄槽末端能量ECT。

4)将第二段末端能量转化为相应水头H，用以计算消力池所需水垫深度。

非台阶泄槽水面线计算过程为将台阶及非台阶泄槽末端处的能量作比较，引入了相对消能率ηC的概念，以表示台阶泄槽末端的能量ECT较非台阶泄槽末端处的能量EC所降低的百分数，其公式为:

式中:ηC的物理意义为相对非台阶泄槽而言，台阶泄槽在末端处所能多消减的能量。

将原设计泄槽简化为两段泄槽计算如下:

第一段泄槽:流量40 m3/s，泄槽长度77.5 m，泄槽高差21 m，水平距离74.6 m;

第二段泄槽:流量40 m3/s，泄槽长度55.8 m，泄槽高差37.4 m，水平距离41.36 m。

第二段末端能量(对应水头)ECT=27.08 m。

第一段泄槽泄槽消能率复核过程为:

由以上计算成果，第一段泄槽末端能量(对应水头)EC=12.38 m。

根据掺气水流计算法计算，查台阶溢洪道流速通用图表得第一段泄槽末端流速平均值V=7.95 m/s，相应末端能量(对应水头)ECT=(7.95)2/2g=3.23 m

相对消能率:

根据成堪院科研所试验成果得出的台阶溢流坝的相对消能率关系，见图3。

图3 相对消能率关系

由上图查得，在单宽流量为5 m3/s，台阶高度0.5 m时，相对消能率ηC=75%，与计算成果接近。故第一段泄槽水流为出现分离流的的台阶消能水流。

偏安全考虑，第一段泄相对消能率取70%，由此计算得第一段末端能量为:

对应第一段末端流速8.52 m/s，对应第一段末端水深1.03 m。

第二段泄槽末端能量计算为:

将第一段台阶消能计算所得末端水深代入溢洪道水面线计算表格计算当第二段为非台阶泄槽时末端能量:

根据溢洪道规范泄槽能量公式推算，第二段泄槽末端能量(对应水头)

考虑到第二段泄槽不能形成较好的掺气水流消能，取相对消能率15%，由此计算得

同时可计算台阶泄槽的整体相对消能率为:

消力池水垫深计算根据《溢洪道设计规范》DL/T5166-2002公式A.26计算:

式中:K为基岩冲刷系数，钢筋混凝土底板取0.8;q为泄槽单宽流量5 m3/(s·m);H为上、下游水位差，考虑到台阶消能的影响，根据先对消能率取泄槽末端能量对应水头22.15 m。计算得消力池水垫深t=3.88 m。

4 泄槽及消力池加高结构处理

边墙加高采用外贴式，已浇边墙顶部及外侧均进行人工凿毛，并植入φ22间距80 cm插筋，然后浇筑C30加高钢筋混凝土。

消力池长度无法加长，采用全池边墙和末端消能堰，并在原设计堰后再增加一道2#堰，为了更好的消耗1#堰出流水流的能量，在原设计人行桥上布置一道2 m高，0.65 m宽的阻水墙。见图4。

图4 泄槽及消力池加固结构图

5 结语

2009年9月，在电站试运行3a后，工程完成验收，工程建筑物运行状态良好，溢洪道边墙及消力池加高高度取值合适。新老混凝土的结合通过锚筋和凿毛处理，质量可靠。

台阶消能计算常使用的通用图表主要适用于碾压混凝土重力坝下游面的消能计算，对于较小流量的溢洪道台阶消能计算，宜采用相对消能率进行计算，并结合试验进行修正。

［1］艾克明.台阶式泄槽溢洪道的应用状况浅析［J］.泄水工程与高速水流，2000(10):7.

［2］艾克明.台阶式泄槽溢洪道的水力特征和设计应［J］.水力发电学报，1998(4):1-3.

［3］吴宪生.台阶式溢流坝水力特性初探［J］.四川水力发电，1998(3):5.