方溪水库溢洪道消力池优化试验研究

徐 岗,韩晓维,包中进

(浙江省水利河口研究院 ,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

泄水建筑物下游常见的消能方式一般有底流消能、挑流消能、面流消能、戽流消能、新型消能工(如阶梯式消能)等,各有其特点及适用性。高水头溢洪道一般泄洪流量较大,设计时泄洪消能及下游防护问题尤为突出,也是工程建设过程中水力学研究的关键,国内水电站中超过半数的高水头溢洪道采用挑流消能方式,但是挑流消能往往伴随着强烈的雾化降雨及噪音污染,对附近村庄及下游沿程河道造成一定的影响。面流消能则多数适用于泄洪落差小、尾水较深的布置条件。戽流消能主要运用在低水头、大流量、深尾水的泄水工程中。新型的阶梯式消能技术往往有一定的局限性。而底流由于其适应性强,流态稳定等优点,往往成为溢洪道消能布置的首选,当由于受现状地形限制等问题,常规布置常不能满足消能要求。

方溪水库为规划拟建工程,坝顶高程121.00 m,大坝坝高78.00 m,建筑物级别为2级,大坝按100 a一遇洪水设计,2000 a一遇洪水校核,校核洪水位117.83 m,消能方式采用底流消能,布局较为紧凑。为验证工程消能设计的合理性,文章通过1∶50水工模型试验,对溢洪道下游的消能工布置进行了多方案试验比较研究,为设计提供合理依据,以确保工程建成后行洪时的河床稳定及工程区周边建筑物的安全。

2 工程概况[1]

方溪又称车口溪,是椒江上游永安溪上的支流,发源于括苍山东麓,其流域面积92.3 km2,河长24 km。方溪为山区性河流,河道比降陡,流域地形地貌以山区为主。方溪水库位于浙江省临海市括苍镇境内,永安溪流域方溪支流上,坝址地处方溪村上游约500 m,控制流域面积84.8 km2。水库坝址距临海市区公路里程约22 km,直线距离约10 km。总库容7205万m3,根据SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定,确定方溪水库工程为Ⅲ等工程。本工程主要由混凝土面板堆石坝、岸边溢洪道、发电引水系统及发电厂房等组成。平面布置图见图1。

图1 工程平面布置图

3 原布置消能试验研究[2]

3.1 消力池布置

溢洪道泄槽下游为消力池,等宽矩形断面,池宽34.00 m,长64.65 m,池深6.80 m,池底高程33.50 m,尾坎高程40.30 m,消力池边墙为重力式结构,墙顶高程49.00 m,墙底高程31.30 m,墙高17.70 m,消能防冲建筑物按30 a一遇设计(库水位116.85 m,下泄流量994 m3/s)。

消力池下游设尾水渠与下游河道连接。尾水渠底宽34.00 m,边坡1∶1.25,尾水渠与消力池间采用扭坡连接,扭坡长20.00 m,尾水渠底设浆砌块石海漫,浆砌石海漫下游为抛石防冲槽,消力池平剖面见图2。

图2 原布置方案消力池平剖面布置图

3.2 试验研究成果

消能工况试验表明,入池跃首流速达到33.0 m/s,消力池内能形成斜坡式水跃,跃首位于0+188.00 m,池内翻滚剧烈,跃尾位于池内0+254.74 m处,消力池的池长有一定的富裕。消力池坎顶最高水深约7.50 m,混凝土护坦末及砌石海漫段 (0+279.34～0+337.34 m)流速7.0～8.5 m/s,Fr=1.2～1.6,均呈急流状态,超过了护坦及海漫的抗冲刷流速。

从沿程的流态来看,河道沿线主流相对集中于河道左半侧,主流的水面宽度约40.00 m,占整个河道的1/2。通过现状河道二维数学模型分析,消力池坎顶附近位置天然河道状态下,河道横断面主流流速为3.5 m/s左右。溢洪道泄洪时,将导致下泄水流集中于河道左半侧,断面流速在平面分布上极为不均匀,且流速大大超过天然河道的行洪流速,影响较大。消能工况下消力池附近河道的流速分布见图3。

图3 消能工况消力池附近河道的流速分布图

4 优化布置消能试验研究[2]

4.1 消力池布置

为保护消力池后护坦、海漫及沿线河床的稳定,针对原布置试验存在的池后余能较大的问题,拟在原布置消力池后设置二级消力池,以进一步消除一级池池后水流余能,为此,特对二级消力池不同池长、池深等4组方案的进行了比较试验。

(1)方案1:二级消力池池长20.00 m,池深2.00 m,池宽34.00 m,一级池尾坎高程40.30m。

(2)方案2:一级池尾坎加高1.00 m,坎顶抬高至41.30 m,二级消力池池长20.00 m,池深3.00 m,池宽34.00 m。

(3)方案3:一级池尾坎高程40.30 m,二级消力池池长50.00 m,池深6.80 m,池宽34.00 m。

(4)方案4:一级消力池池长水平段长60.00 m(0+195.08～0+255.08 m)(二级消力池单侧扩散布置后,一级池坎顶水深略有降低,为确保消能工况下形成淹没水跃,将一级消力池缩短4.66 m),池深6.80 m,池底高程33.50 m,坎顶高程 40.30 m,尾坎段 (0+255.08～0+265.08 m)顺水流方向长10.00 m。一级消力池尾坎后接二级消力池,二级消力池池长30.00 m,池深2.00 m,池底高程38.30 m,尾坎高程40.30 m。二级消力池边墙平面上单侧扩散,即右侧边墙在0+260.08 m处向原河道中间方向扩散,扩散角29.8°,扩散的直立边墙高度与原始地形自然衔接,二级消力池末0+295.08 m处池宽51.00 m。消力池平剖面布置图见图4。

图4 方案4消力池平剖面布置图

4.2 试验研究成果

从试验观测的情况来看:

(1)方案1:水流出一级池后在二级池内不能潜底,主流集中于水流表层,无典型的底流消能水跃形成,出池后水流集中,沿线流速仍属急流。

(2)方案2:一级消力池尾坎处水流壅高明显,二级池内能形成一定的水跃,但出池后流速仍很高呈急流状态。

(3)方案3:流态类似于方案一,出一级池后水流流态呈面流状,二级池内无水跃形成,池后沿程水流仍为急流,且相对集中,消力池的池深对消能影响不明显。

(4)方案4:二级池内形成稳定的水跃,池内消能充分,出池后水流能向天然河道中间扩散,充分利用原河道宽度行洪,从弗劳德数Fr来看,沿程水流均为缓流,二级池后主流宽度接近60.00 m,占整个河宽的3/4。0+337.34 m断面平均流速较原布置方案减小了30%,在横断面分布上更趋均匀,将该方案作为推荐布置方案。原布置及推荐布置消力池后断面流速成果见表1,工程区附近流速分布见图5。

表1 原布置及推荐方案消力池后断面流速成果表

图5 推荐布置方案消力池后流速分布图

5 结 语

方溪水库工程泄洪落差大、消能问题突出,文章通过1∶50水工模型试验,对多个不同消力池布置方案进行了试验比较,最终采用二级消力池且右侧边墙单侧向原天然河道扩散的布置方案(即方案4),该布置大幅降低了出池后的水流流速,较好地解决了下游河道的消能防冲问题,确保了行洪时河床的稳定和工程区及周边建筑物的安全,为工程设计提供了技术依据,成果可供类似工程参考。

[1]来妙法.浙江省临海市方溪水库可行性研究报告 [R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院,2011.

[2]徐岗,史斌.临海方溪水库溢洪道水工模型试验研究报告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2012.