斯木塔斯水电站台阶式溢洪道消能设计

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830001)

斯木塔斯水电站台阶式溢洪道消能设计

王莉艳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830001)

新疆斯木塔斯水电站台阶式溢洪道的模型试验表明：台阶溢流面有较好的消能效果，其消能率与台阶尺寸、单宽流量等因素有关，在小流量的情况下，消能率可达到80%以上，对下游冲坑深度也有所降低。本文对此加以介绍。

水电站；台阶；溢洪道；消能

斯木塔斯水电站工程位于新疆阿克牙孜河出山口的峡谷河段，河谷深切，呈V字形，岸坡较陡，坡度多在60°～80°，局部为陡坎，基岩裸露，出露岩性单一，岩性为华力西中期第二次侵入次黑云母花岗岩类。该河道顺直、狭长，溢洪道出口与河道夹角约为38°，这就要求挑流水舌必须大角度导向，避免对右岸的直接冲刷。溢洪道出口河床宽度仅为12m，溢洪道宽度与河道宽度之比又非常大，达到9/12=3/4；另外，挑坎下游70m处有一约8m宽的垭口，这就要求控制水舌挑距，挑距不能过大，必须适应河道的要求。本文主要针对此类顺直、狭长河道的溢洪道消能设计进行介绍。

1 工程概况

斯木塔斯水电站工程为Ⅱ等、大(2)型工程，主要建筑物由主坝、副坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、水电站厂房等组成，最大坝高106m。溢洪道布置在左岸，单孔，孔宽9m。溢流堰采用驼峰堰，进口控制段布置在左坝肩处，溢洪道轴线与坝轴线夹角90°。陡槽由缓坡接陡坡组成，缓坡坡度为0.005；缓坡和陡坡之间用渥奇面连接，渥奇方程为Y=0.013X2+0.005X；陡坡坡度为0.8，布置为台阶溢流面，阶高1m；出口采用窄缝式扭曲坎挑流消能设施。溢洪道500年一遇设计泄量为420.0 m3/s，5000年一遇校核泄量为559.6 m3/s。

2 模型试验简介

水工模型为比尺1/30整体模型，试验模拟范围：溢洪道包括进口引渠至出口挑坎以下200m的范围，导流兼深孔泄洪洞包括进口引渠至出口挑坎以下250m的范围。模型中针对台阶段与光滑段的衔接方式(凸式衔接及凹式衔接)、台阶高度(0.5m、1m和2m)及出口挑流形式进行了比较。

3 试验成果

对于台阶段与光滑段的衔接方式，经模型试验论证，凸式衔接体型陡槽首部出现较大负压，而且该区域是清水区，不能进行掺气减蚀；另外从流态方面看，小流量工况流态不良，形成挑流，水舌冲击台阶陡槽，溅水剧烈，溅水高度大幅度高于溢洪道边墙，最终采取凹式衔接。

台阶高度0.5m时存在的问题是消能率减小，使进入挑坎的水流流速增加，造成水舌挑距增加10m左右，不利于消能防冲；台阶高度2m时存在的主要问题是小流量工况流态不良，形成挑流，水舌冲击台阶陡槽，溅水剧烈，溅水高度大幅度高于溢洪道边墙。可见台阶高度0.5m、2m不适合该工程。

为适应河道的要求，该工程采用窄缝挑坎。对于窄缝挑坎，一般而言小宽深比窄缝挑坎容易实现大导向，大宽深比窄缝挑坎不容易实现大导向。可见，常规的窄缝挑坎难以适应该河道的特点，经试验论证最终采用分流墩窄缝扭曲坎式挑流消能。原设计中的挑流消能方式，水流严重冲击左岸，挑距太大；另外，该水舌不是所要求的纵向拉开水舌，水舌中下部有两股水流，一股大幅度朝右偏转，冲击右岸，另一股大幅度向左偏转，冲击左岸。分流墩窄缝扭曲坎式挑流消能方式能形成所要求的纵向拉开水舌，除了校核工况外，其他各种流量的水舌都在河槽，水舌形态良好，满足该工程要求。从结构方面看，分流墩墩头采用折线形钝头墩，既保证了流态，又避免了采用钢材建造，两侧边墙不高，其受力也不大，适合该工程条件。

溢洪道推荐体型见下图。

溢洪道推荐体型图

3.2 台阶陡槽的流态

a.缓坡段。弯道上游水流比较平顺，水流进入弯道，产生冲击波，右侧水面低，左侧水面高。弯道水流比较平顺，对下游水流的影响不大。

b.陡槽段。渥奇面过渡段受弯道水流的影响不大，曲面水流比较平顺，进入台阶陡槽的水流正常，整个陡槽段水流平顺，水面稳定，下半段不仅底部，所有水体掺气十分充分，呈乳白色。从掺气情况看，有一明显的规律：流量越小清水区越短，掺气区越长；流量越大，清水区越长，掺气区越短。

3.3 台阶陡槽的压强分布

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试验观测了工作闸门全开时校核水位、设计水位、正常水位的压强分布。测试结果显示：堰面及缓坡段无负压，压力分布规律正常，满足设计要求。

渥奇面上有微小负压，最大值不过-6.47kPa，在该曲面上，流速并不高，断面平均流速不足15m/s，不属于高速水流，微小的负压不会产生空蚀破坏。

3.4 掺气浓度

由试验观测数据可知台阶陡槽先是清水区，其后是掺气区，掺气浓度沿程增加，出台阶陡槽后，掺气浓度沿程减小。从掺气浓度量值来看，其值始终大于3%～4%，满足掺气减蚀要求。

3.5 台阶陡槽消能率

主要工况下得到的台阶陡槽消能率见下表。有一明显的规律：流量越小，消能率越高，甚至高达90%以上。中小流量时台阶消能率超过80%，台阶起到了应有的作用。

台阶陡槽消能率表

3.6 消能防冲

3.6.1 流态

溢洪道在正常水位下，无论闸门开度如何变化，水舌位置始终比较理想，水舌纵向拉开情况正常；设计水位下，水舌位置和水舌形态比较好；但校核水位、闸门全开情况下，水舌位置和水舌形态不够理想，表现在水舌溅水比较剧烈。水舌内挑距最小为27m，外挑距最大为62m，均满足工程要求。

3.6.2 下游河道冲淤地形

由于溢洪道台阶段消耗了大部分能量，下游河道冲坑、淤积都较轻微，校核洪水位时最大冲深8.7m，淤积高程点为1826.4m处。

4 结 语

模型试验研究表明：与光滑溢流面相比，台阶溢流面有较好的消能效果，其消能率与台阶尺寸、单宽流量等因素有关，当台阶尺寸一定时，小流量的情况下消能率较高。

台阶陡槽溢洪道的消能作用是显而易见的，在实际工程中的应用也非常广泛，是一种很有前途的新型消能设施。本文所述消能型式针对的是河道狭窄顺直地形，此类工程可以参考借鉴。

加纳最大水电站项目竣工移交

日前，由我国施工的加纳P7项目完成合同及相关要求，正式移交给加纳沃尔特河管理局。

该项目由世界银行出资，是西非电力网330千伏沿海输变电骨干网工程之一。主要工作内容是对阿科松博水电站的设备修复。

阿科松博水坝建成于1967年，装机容量91.2万千瓦，是加纳全境最大的水电站。该电站在满足加纳首都阿克拉动力工业区和国内电力供应外，还向多哥、贝宁等国输出电力。由于运行时间较长，水电站部分设备设施老化严重，已影响到电站的正常运行。

来源：北极星水力发电网、中国农村水电及电气化信息网 2014年3月31日

http://shp.mwr.gov.cn/xyywgzdt/hyyw/201403/t20140329_553562.html

SimutasiHydropowerStationStepSpillwayEnergyDissipationDesign

WANG Li-yan

(XinjiangHydroandPowerDesignInstitute,Urumqi830001,China)

Model test of Xinjiang Simutasi hydropower station step spillway showed that: the step over-flow surface has excellent energy dissipation effect; its energy dissipation rate is related with step size, single-wide traffic and other factors. The elimination energy rate can reach 80% or higher in the case of small flow. The downstream scour depth is also decreased. The condition is introduced in the paper.

hydropower station; step; spillway; energy dissipation

TV653

A

1673-8241(2014)04-0065-03