高水头电站泄水道消能型式选择

(汉源县水务局，四川 雅安 625300)

科研设计

高水头电站泄水道消能型式选择

李富强

(汉源县水务局，四川 雅安 625300)

无调节径流式电站压力前池溢流堰后的泄水建筑物——泄水道，担负电站机组负荷波动时多余来水量的宣泄，泄水道的类型按所采取的工程措施大致可分为天然泄水道、人工泄水道和混合泄水道三种。高水头电站一般前池位置较高，泄水道落差通常与电站利用落差不相上下，其工程投资大小和安全性与其消能型式的选择密不可分，如何选择其消能型式并进行工程布置就成为高水头电站厂区枢纽工程设计的关键工作之一。

电站；泄水道；消能型式；选择

泄水道是无调节径流式电站压力前池溢流堰后的泄水建筑物,担负电站机组丢弃负荷时或负荷波动时多余来水量的宣泄。高水头电站一般前池位置较高，前池的泄水往往需导入厂区附近的河床内，故泄水道的落差通常与电站利用落差不相上下。而山区电站厂区枢纽所在地地形地势陡峻，如果工程区地质条件不良，高落差的泄水道工程投资会很大，从而成为电站厂区枢纽工程主要建筑物之一，其工程投资和安全可靠性直接关系到水利枢纽的投资和效益。而泄水道的工程量大小和安全性又与其消能型式的选择密不可分，故泄水道工程的布置及消能型式的选择就成为高水头电站厂区枢纽工程设计的关键工作之一。

电站泄水道的布置和消能型式的选择取决于厂区枢纽所在地的地形地质条件。泄水道的类型按所采取的工程措施大致可分为天然泄水道、人工泄水道和混合泄水道三种。天然泄水道利用厂区枢纽内的天然冲沟泄水，依靠水流与河床的相互碰撞、摩擦消能，以沟床漫流的形式将水流导入电站尾水或厂区附近河床内。这种泄水道只有在厂区枢纽周围地形条件许可且有地质条件良好的天然冲沟时才能采用，无须采取工程措施，投资省，消能可靠，运行安全。汉源县1986年建成的李子坪电站(2×1600kW)泄水道就是这种类型。人工泄水道是在厂区枢纽内地形地质条件不允许采用天然泄水道时采取的依靠工程措施消能导流的一种泄水道。山区电站厂区枢纽地形通常较为陡峻，地质条件复杂，人工泄水道的形式多种多样，根据其消能型式不同大致可分为多级塘式消力池泄水道、加墩陡槽泄水道、挑流消能泄水道等。混合式泄水道是根据地形地质条件既能采用天然冲沟导流消能又能采用人工措施导流消能的一种综合形式的泄水道。混合式泄水道在汉源县电站工程中应用较为广泛。在进行水利枢纽工程的总体布置时，泄水道型式的具体选择,只有根据工程具体情况，贯彻因地制宜、经济合理、安全可靠的原则，精心思考，慎重决定，方可保证工程安全经济。下面结合汉源县电站工程的设计施工，介绍人工泄水道消能型式的选择、设计和工程布置情况。

1 加墩陡槽泄水道

陡槽泄水是水利工程中常用的型式，普通陡槽底坡一般为1%～5%。坡度越大，陡槽内流速越高，对衬砌材料的要求越高，造价越高。当底坡在5%～15%以内时，可采用人工加糙的方法，降低槽内流速，使水流稳定，这时陡槽就成为人工加糙陡槽。无论是普通陡槽还是人工加糙陡槽，槽内水流速度均较大，槽体本身无法消能，必须在尾段设置消能设施，而且其底坡要求难以满足山区电站厂区枢纽陡峻的地形条件。因此，在汉源县电站工程中很少采用,仅在汉光电站中运用过。加墩陡槽不同于人工加糙陡槽，它从陡槽开始段就布置消能墩，直至下游，末端无须另设消能设施，并对下游尾水深度无特殊要求，陡槽底坡可以用到50%，较适合于山区电站。汉源县大树(2×1250kW)、高坪(2×250kW)、两河(2×2500kW)电站人工泄水道中都采用了加墩陡槽泄水。实践中只要控制好来水流速和限制单宽流量，就可以取得理想的消能效果，且在落差方面并无限制。下面结合汉源县电站泄水道的建设实践介绍加墩陡槽消能设施的设计要点和注意事项：

a.确定泄水道上游预期的最大流量Qmax。电站泄水道上游为前池溢流堰和冲沙孔，其最大流量为引水渠道最大引水流量和冲沙孔有压孔口出流二者的大值。加墩陡槽进口以上有坡面来水时应计入。大树电站渠道最大来水量为2.4m3/s，加墩陡槽以上坡面漫流段可能的坡面雨水汇流量为0.4m3/s，因此预期最大流量为2.8m3/s。两河电站则取渠道最大来水量与冲沙孔口出流中的大值6m3/s。

b.确定陡槽宽度b及设计单宽流量q。泄水槽宽度b值可根据上、下游连接段的布置、地形条件、泄水频繁程度、Qmax值、加墩布置及尺寸以及经济性来决定。b值的选取应使设计单宽流量不大于6m3/s。

c.来水流速V1。来水流速是决定整个加墩陡槽工作状况是否令人满意的关键因素，应尽可能低，其最大值不能超过按下式确定的数值：

为达到所需的来水流速V1，可根据陡槽进口上游的水流衔接情况采取必要的工程措施或改变工程布置，使来水平缓进入加墩陡槽，同时在来水槽底和陡槽之间，设置直立台坎，台坎高度视具体情况而定。台坎顶部，以半径30cm左右的圆弧形成斜坡陡槽上的堰顶。第一排墩子靠近陡槽起点布置，其所在高程不得低于堰顶30cm，其后各排墩子交错排列。

d.消能墩尺寸及布置。消能墩高度H不得小于0.8～0.9倍泄水槽临界水深hk，对于矩形断面陡槽，hk可按下式计算：

墩宽和墩子间距应相等，最好是取其等于1.5H或1.5H左右，但不得小于H。墩子的其他尺寸对水流情况不起决定作用。半墩的宽度为H/3至2H/3，布置时应使第1、3、5…排的半墩紧靠边墙，而第2、4、6…排则空出同样的宽度(见图1)。排距(即各排墩子之间沿陡槽底板的距离)取其等于H/J0，J0为以小数形式表示的底坡。墩子常修成上游面垂直于陡槽底板的形式，也可修成上游面铅直的形式，但该形式溅水多些而冲刷轻些。加墩陡槽长度上至少需要布置4排以上的墩子，才能对水流做到完全控制。第4排以后的墩子，都是用来保持其上游受控而形成的水流流态的。墩子顶宽取0.2H但不小于23cm，底宽取0.7H。如果陡槽下游为天然泄水槽,则陡槽槽身须延长到天然泄水槽正常高程以下，并至少得多埋1排墩子，之后再行回填，以防止冲刷。

图1 加墩陡槽泄水道

e.边墙高度。加墩陡槽边墙的高度，至少应为墩高的3倍，正交于陡槽底板，同时结合地形地质条件及墙体稳定要求确定。

加墩陡槽的应用，在相同的地形地质条件下，可大大减少建筑物的浆砌方量，节省工程投资，同时取得较为理想的消能效果，泄水道的安全可靠性大力提高。笔者在进行大树电站技施设计时，就将泄水道下段工程由初设时的11级塘式消力池改为加墩陡槽和2级塘式消力池的布置型式，大大节省了工程投资。后来在进行两河电站、高坪电站设计时，理想的地形条件使加墩陡槽泄水再次得到应用。实践表明：在选用加墩陡槽时，要注意地形坡度不能太大，陡槽底坡要尽量控制在1∶2以内，陡于1∶2时应谨慎采用，必要时进行模型试验。

2 多级塘式消力池泄水道

当泄水道通过之处地质条件较差且地形上又无法布置其他消能工时，可采用塘式消力池。泄水道的落差往往较大，此时布置多级跌水，采用多级塘式消力池泄水。多塘泄水的主要消能方式是水跃消能。水跃的主要消能作用在于表面产生的横轴漩滚与接触面的强烈紊动剪切和横轴漩滚的紊动结构；底部主流沿程扩散时所受固体边界的摩擦以及设有辅助消能工时所遭遇的阻力，也起一定的消能作用。多级水跃消能塘适用于各种水头各种流量的泄水道，对地质条件要求较低，但消能塘的浆砌工程量较大，有时开挖量也较大，修建费用较贵。

多级塘式消力池的设计分水力计算和结构计算两方面。结构计算主要是拟定边墙结构尺寸，校核其稳定性及地基应力，可按重力式挡土墙的设计方法进行，本文不作详细讨论。以下着重介绍多级消能塘的水力计算方法和工程布置：

a.多级塘式消力池的分类。多级塘式消力池实质上就是多级跌水。多级跌水有设消力槛和不设消力槛两种形式。后者因消能不完善，易产生冲刷现象，很少采用。多级跌水按分级方法分为等水面差和等台阶差两种。前者按水面落差相等分级，后者在工程布置时使各级的台阶跌差相等，这种布置设计计算时较为简单，实际工作中应用较为广泛。

b.设计流量的选择。电站泄水道流量变化较为频繁且范围较大。为使所设计的消能池在不同流量时都能保证池中均形成淹没水跃，达到较为理想的消能效果，必须正确选择计算消能池尺寸的设计流量。消能坎式消力池的水力计算内容包括：确定坎高c和池长Lk(见图2)。实践证明：坎高的设计流量并不一定是建筑物所通过的最大流量，设计时应该在流量变化范围内选定几个量值，分别计算坎高c，然后取c的最大值作为设计值。大树电站两级塘式消力池的坎高设计流量分别取0.7m3/s、1.0m3/s、1.4m3/s、2.0m3/s、2.8m3/s计算，得到的坎高分别为0.7m和0.8m。消能池的长度取决于水流跌落的射程L0和水跃长度Lj，一般说来L0和Lj均随流量的增加而增大，因此消能池长度的设计流量应为泄水道的最大泄水流量。

图2 多级塘式消力池泄水道

c.消能池宽度的确定。消能池宽度可根据上游连接建筑物的过水宽度、地形坡度及跌差大小、泄水流量大小、工程投资等因素确定。当地形坡度较大时，每级跌水落差较大，所需的池长就大，池体宽度取值过小往往会使地形条件难以满足池长的要求，这时应加大池宽，减小单宽流量，但工程量会有所增加，投资偏大。所以消能塘宽度的确定是一个综合分析比较的过程。

d.消能坎高度c的计算。当泄水槽宽度确定后，应在流量Q的变化幅度内选定几个量值分别计算坎高，然后取大值作为设计值。等跌差矩形消能塘第n级塘池坎高计算步骤如下：

1)单宽流量q及临界水深hk：

q=Q/b

式中,m为流量系数，进口处为无坎宽顶堰取0.365，为消能坎时取0.42。

从第n级跌水消能池底算起的上游总水头为

E0=sn+H0(n-1)

式中，sn为第n级塘跌差。

流速系数的取值视第n级塘上游的泄流方式而定,无坎宽顶堰取0.9，消能坎可视为折线实用堰，取0.85。

3)本级消能坎顶水头计算：

式中，mn为第n级塘消能坎流量系数，取0.42。

4)消能坎高度Cn计算：

式中，σj为水跃淹没系数，一般取1.05。

e.消能塘长度Lk计算。消能塘长度应包括水舌射程LO和水跃长度Lj，此时设计流量应为泄水道最大流量。

1)水舌射程L0：

坎为宽顶堰时

坎为实用堰时

2)水跃长度Lj：

3)池长Lk计算：

消能池内的水跃受到消能池末端垂直壁面产生的一个反向作用力，减小了水跃长度，故消能池内水跃长度仅为平底渠道中自由水跃长的70%～80%，故

Lk=Lo+0.8Lj

以上是等跌差矩形断面多级塘式消力池的水力计算方法，对于等水面差或非矩形消力池的计算，可参考有关书籍。

f.辅助消能工的设置。山区电站泄水道工程采用多级塘式消力池时，池长往往因地形坡度陡而受到限制，此时可减小单宽流量达到缩小池长之目的。但单宽流量过小往往会大大增加工程投资。当池长受到限制时，为了改善消能池的消能效果，可在池中设置辅助消能工，如趾墩、消能墩及尾槛等。辅助消能工可分散入池水流，加强扰动，提高消能效率；消能墩还对池中水流产生反向作用力，从而可减小消能池的深度及长度，达到节约工程投资的目的。

3 挑流消能泄水道

单一的挑流泄水道在山区电站中较少采用,往往配合其他人工泄水道布置。挑流泄水布置简单，消能可靠，施工方便，工程量小，在地形地质条件许可时优先采用。汉源县大树电站尾水渠出口、小堡电站泄水道中段、富庄电站泄水道出口均采用挑流消能的布置型式，获得了较好的技术经济效果。

在电站泄水道布置时，如果地形陡峻，选择其他型式泄水道工程量大，或无法布置或无法保证安全可靠。而工程区附近又有可利用的冲沟时，可考虑设置挑流建筑物，直接将水流挑向冲沟，让其自然下泄。小堡电站泄水道就是利用220m顺山明渠将水流引向一自然冲沟岸边，若让其顺坡自然下泄会对岸坡造成冲塌，故设置一挑流坎将水流挑向沟心，让其顺沟心漫流至河床。富庄电站泄水道自前池通过40m短隧洞引向一山溪沟。隧洞出口至沟心高差达60多m，冲沟岸坡陡峻，坡度达70°左右，无法布置其他建筑物；而让水流自由顺坡下泄又因坡体岩石为侏罗系中统遂宁组砂页岩互层岩层，安全可靠性差，故采用隧洞出口做一挑流建筑，直接将水流挑向沟心。而大树电站尾水渠出口为减小第四系洪积层岸坡的护岸工程，也采用挑流泄水型式。

电站泄水道挑流泄水设计的主要任务是选定适宜的挑坎型式，确定挑坎的高程、反弧半径和挑射角，计算挑流射程。这些参数，查阅普通水力学书籍不难确定，在此不再赘述。仅就设计计算和工程布置时应注意的事项提示如下：

a.工程布置时，与挑流陡槽衔接的上游泄水槽底坡应尽量放缓，以便水流平稳地进入挑流陡槽。挑流陡槽应有足够的落差，使挑流鼻坎处水流具有足够的动能，同时陡槽底坡不能过陡，防止水流脱离槽底形成自由跌落而产生紊乱，影响位能转变为动能，从而影响挑射距离。

b.挑坎高程应与挑射距离协调考虑，挑坎高程越低，出口断面流速越大，射程越大。

c.电站泄水道流量变化范围大，频度高，而挑坎往往位于较高的位置。因此，挑角应偏小值选取，以便使起挑流量尽可能地小。为防止小流量水流挑不出去而对挑坎地基造成冲刷，危及建筑物安全，必要时可在挑坎以下坡面上做一定的衬护工程，确保坡面在小流量时不被冲刷。

d.在计算挑流射程时，要充分考虑山区气候特点，山谷风对射程的影响较大，应予足够的重视；同时，挑流消能雾气很大，要注意对周围居民生产生活的影响。

SelectionofEnergyDissipationTypeinHighWaterHeadPowerStationSpillway

LI Fu-qiang

(HanyuanCountyWaterAuthority,Ya’an625300,China)

Sluicing building behind non-regulating run-of-river power station pressure front pool weir-spillway is responsible for sluicing the excessive water during power station unit load fluctuation. The types of spillway can be mainly divided into natural spillway, manual spillway and mixed spillway according to the adopted project measures. High water head power station generally has higher front pool position. The height difference of spillway is generally consistent with the power station utilization height difference. Its project investment and safety are similar to the selection of energy dissipation mode. Selection of energy dissipation type and engineering arrangement belong to one of keys in high water head power station plant hinge project design.

power station; spillway; energy dissipation type; selection

TV222

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1673-8241(2014)03-0013-05