对泄水槽中消力池的消能改造探析

(新疆伊犁河流域开发建设管理局, 乌鲁木齐 830000)

对泄水槽中消力池的消能改造探析

杨文莉

(新疆伊犁河流域开发建设管理局, 乌鲁木齐 830000)

水库的消能设施是消减和扩散水闸下泄水流能量，预防下游发生严重冲刷，提升水闸安全的重要设施。对于水电站泄水能力的研究无论是对于水电站本身还是对于社会都有着非常重要的研究价值。为此，本文主要研究对水库泄水槽中消力池进行消能改造的措施，以某水利枢纽工程为例，从特殊到一般，总结了泄水槽中消力池的效能改造。事实证明，这对于增强水闸下泄水流能力以及水电站的安全具有非常重要的作用。

泄水槽； 消力池； 消能改造

1 引 言

随着自然环境的不断恶化，洪灾发生频繁，导致水库的抗洪泄洪任务艰巨。加上采矿、采砂等人类活动不断增加，使得水库的防洪泄洪形势更加严峻。对于水电站而言，为了能够增强水库的泄流能力，加强水库泄水槽中消力池的消能改造势在必行。基于此，本文以某水利枢纽的消力池消能改造为例，总结了一般情况下对泄水槽中消力池不同类型的消能改造方案，并进行了详细阐述和分析。

2 某水电站工程

2.1 工程简介

该水利枢纽工程是以防洪为主，兼有发电、灌溉、航运、供水等综合效益的大型水库。它不仅是治理开发郁江的关键性工程，也是国家西部大开发十大标志性工程之一。2001年9月主体工程开工建设，2005年10月开始第一台机组投产发电；2002年12月工程正式竣工。该水利枢纽工程主要分为两期进行建设，一期建设任务主要是：兴建主坝、水电站和副坝；二期建设任务主要是：兴建升船机。一期工程施工总工期为6年，其中准备期2年，主体工程建设期为4年。水电站的总装机容量为540MW，共安装4台135 MW的水轮发电机组，年利用小时数为3150h，多年平均发电量为1690GW·h，枯水期保证出力123 MW。 水库正常蓄水位为228m，总库容为56.6亿m3，预留防洪库容16.4亿m3。 坝址以上集雨面积19600km2，占右江流域面积的47.57%，多年平均流量263m3/s，年径流量82.9亿m3。

2.2 现有消能设施

工程中，消力池的消能防冲设计主要采用100年一遇的洪水为判断标准进行设计和建设，水闸下泄流量为9021m3/s。消力池的常遇下泄洪水流量为3000m3/s(50年一遇洪水控泄标准)。该工程的消力池顺水流方向长度，即反弧段尾端至尾坎顶内缘的长度，为11414m，消力池净宽82m，池底高程105m，尾坎顶高程为121m。辉绿岩段消力池底板厚度为6m，蚀变带下游底板厚度为5～9m。此外，在消力池周边设置防渗帷幕和排水幕，在消力池底板中部设置纵横的排水幕，并采取抽排措施降低扬压力。

3 消力池的消能改造

3.1 影响消力池消能工的环境因素

客观来说，随着自然条件的不断变化，消力池墙体的岩石被逐渐风化或腐蚀，导致消力池的消能工下降。客观来说，由于采砂采矿活动的频繁，枢纽下游河床下切幅度大，进而使得水闸下泄水流的能力下降，导致原有的消能设计被破坏。这样的情况下，下游水深根本无法满足淹没水深，相应地，消力池也无法进一步完成底流消能。因此，只有根据工程的实际地形和地质条件、水流特点，并参考类似改造工程的相关经验，才能设计出真正既能提高本工程消力池的消能工，又能最大限度地节省工程投资的消力池，使得改造工程的成本效益最大化。为了能够有效地进行消力池消能能力的改造，除了环境因素外，还需要明白消力池设置中坎的消能机理。由紊流力学的知识可知，水流中存在着不同尺度的涡旋结构，这种涡旋结构具有一定的随机性。而这些涡旋在水流中做着各种各样的随机运动，也正是由于这些随机涡旋的运动构成了水体中不同强度和不同频率的压力脉动。图1所示即为紊动能谱，其分为大漩涡区、载能漩涡区、惯性区和耗散区。

图1 紊动能谱示意图

3.2 增设二级消力池

图2 二级消力池的基本构造原理

3.3 防渗排水设计

除了以上措施以外，对于泄水槽中的消力池而言，还应当注意其防渗排水的设计问题。消力池为了能够达到防渗排水的效果，其基本设计思想可以是“三条廊道”的原则。这三条廊道分别是：周边灌溉排水廊道、中部纵横十字排水廊道以及中部纵向廊道两侧的两个纵向小排水廊道。这三条廊道的断面设计分别为：2.5m×3m城门洞形、2m×2.5m城门洞形以及1.5m×2m城门洞形。基本的泄水槽消力池防渗排水结构出来之后，进一步需要考虑的就是消力池全风化基础容易发生流土渗透破坏的特性。为此，在全风化基础的部位，进行预防修护。即在灌溉排水廊道的25m深处增设一道15m深的副帷幕，从而有效地防止渗透问题的出现。由于在尾坎部位的排水廊道内设置了两道防渗帷幕，因而没有办法再在该廊道内设置排水幕。但是，为了能够有效地降低底板的基础扬压力，需要在尾坎前端增设横向小排水廊道。

3.4 在消力池收缩断面增设T形消力墩

首先，根据以往类似工程的消力池设计经验和计算方程式：K=(α-1)[2F12-α(1+α)]/F12αβ，计算出本水利工程泄水槽中的消力池新增T形消力墩和差动尾坎各部分尺寸。上述计算方程式中，K表示单宽阻力系数；α表示下游水深h2(m)和第一共轭水深h1(m)的比值，即α=h2/h1；β表示尾坎高度h坎(m)和h1的比值，即β=h坎/h1；F1=V1/(gh1)1/2。然后，根据《水闸设计规范》(SD 133—84)计算出消力池加深和加长的相关尺寸。在消力池收缩断面加设消力墩，不仅可以通过急流碰撞转折达到消能、扩散的作用，而且增加了水流的紊动，稳定水跃，从而减少了对下游水深的要求。此外，在消力池收缩断面增设T形消力墩还具有工程量较少、工程投资较低的优势。

4 结 论

综上所述，对于泄水槽中消力池效能的探讨仍然是水电站效能领域的一个热点。本文以某水利枢纽工程为具体实例，说明泄水槽消力池的效能改造具有典型的代表性。通过对泄水槽消力池周边环境的分析，可以充分了解泄水槽的外部环境。在此基础上，再通过对消力池的布置，设置二级消力池的方法以及对边墙、尾坎和底板稳定性的数学计算来对泄水槽的消能设施进行充分的研究和改造，从而得到较为合理科学的消力池设计。当然，对于工程中的消力池消能安全的严峻情况，国内的有关专家有着极大的关注。只有泄水槽中消力池的效能改造保障了水电站的安全，此工程才可以画上完美的句号。

[1] 郝志猛.浅谈泄水槽槽体结构[J].黑龙江交通科技,2008(11).

[2] 蔡胜利，张秀崧，刘万新，李梅，李霞.台阶式消能在某水电站泄水槽设计中的应用[J].新技术应用,2011(04).

Analysis of Energy Dissipation Reconstruction of Absorption Basin in Sluicing Sink

YANG Wen-li

(Xinjiang Ili River Basin Development and Construction Authority, Urumqi 830000, China)

Energy dissipation facilities of the reservoir are important for dissipating and diffusing discharge water flow energy under sluice, preventing serious downstream erosion and improving sluice safety. Study on water discharge ability in the hydropower station has very important research value on both hydropower station itself and the society. Therefore, measures of energy dissipation reconstruction of absorption basin in the reservoir sluicing sink are mainly studied in the paper. One water conservancy project is adopted as an example. Energy dissipation reconstruction of absorption basin in the sluicing sink is summarized from general to specific. The fact proves that the reconstruction is very important for enhancing water discharge flow ability of sluice and safety of hydropower station.

sluicing sink; absorption basin; energy dissipation reconstruction

TV65

A

1005-4774(2014)08-0059-03