浅析某水电站工程溢洪道消能设计

2015-06-12新疆水利水电勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2015年16期

□向蕾(新疆水利水电勘测设计研究院)

0 前言

在水电站工程溢洪道的建设过程中，一定要注重其消能性能的提升，溢洪道消能性能的高低对于水电站工程的正常运转有着极大的影响。本文以某水电站工程为例，对于溢洪道消能设计的基本要点进行了分析。

1 某水电工程的溢洪道的基本状况

本水电工程位于新疆和田地区,所在区域的地形以阶梯形式所存在，地势的高度自南向北依次递减，此工程的溢洪道被布置在某河旁边，就其整体结构而言，它涵括了泄槽段、引渠段、控制段、陡坡段以及消能段。每一段的设计都充分结合了工程所在地的地质特点，在设计过程中所采用的材料以及相关段体长度的确定都基本能够满足于工程地对于水电工程的要求。引渠段是溢洪道中最重要的结构之一，它底板的高度约为1760m，其布置的方式主要为圆弧扩散，所采用的圆弧的半径大概为92m左右。在引水渠的两侧分别布有坝体的重要结构，在其左侧是对坝体起到一定防护作用的重力式防护墙，其右侧是由砂砾为主要组成部分的边坡，在引水渠的建设过程中，此边坡所采用的支护方式为喷锚支护。控制段对于整个溢洪道作用的发挥有着重要影响，在本工程中，控制段所设计的类型为实用堰型，堰顶高程1763.50m，堰宽15m，溢流堰面曲线方程为y=0.070627X1.85。整个控制段平台的高度为1778.60m，在其孔口处设有弧形工作门，对其泄流过程起控制作用。在此弧形门前存有以固结灌浆和锚杆加固为主要处理方式的平板检修门。泄槽段和控制段紧密相连，其斜坡的坡度和控制段相吻合。其和下游泄槽像连接的方式为圆弧连接，其圆心角α=42.14°，反弧末端高程1750.91m，其后为渐变段，底板由15m渐变为12m，纵坡5/100，底板高程1748.91～1744.31m，断面为12m×10.50m的矩形，泄槽段长92m，衬厚1.50m。消能段在整个溢洪道中也起着独一无二的作用，消能段设计的是否合理对于溢洪道作用的发挥有着直接的影响。在本工程中消能段的挑流鼻坎净宽12m，为扭鼻坎，转弯半径为80m，转角为10.08°，起点底板高程1744.31m，挑流鼻坎反弧半径为40m，挑角22.21°，坎顶高程1747.18m，边墙墙顶高程1750.83～1758.18m。在挑流鼻坎底板下设置前后齿槽，并在此基础之上在底板下加设锚筋，锚筋的基本尺寸为直径25，排布方式为梅花形，各个锚筋之间的距离为2m，应岸坡岩层走向为缓倾角且挑坎处岸坡直立。整体的溢洪道的结构如图1所示。

图1 溢洪道体形图

在本水电站中原对溢洪道设计核泄量为1017m3/s，实际校核泄量为1607.17m3/s。经过相关工作人员的测试，在本水电工程的溢洪道中，其基本的水位流量如表1所示。

表1 某水电站水位和流量关系表

2 某水电站右岸导流兼泄洪冲沙洞方案两泄水道出口挑流鼻坎优化方案

2.1 优化思路

导流兼泄洪冲砂洞出口挑流鼻坎优化是本次对某水电站工程溢洪道优化过程中最重要的优化部分之一，但是由于本水电站的河道极其狭窄并且大坝的高度超过60m，这种条件的水电站在我国都是很少见的，因此在对本工程进行试验的过程中，相关工作人员所能参考的案例是很少的，这为试验的顺利进行造成了阻碍。

在原设计中所采用的是目前我国已经属于比较成熟的等宽挑流鼻坎，在对这种设计方案进行试验时，工作人员发现在对此挑坎的消能效果并不是太好，并且其在消能过程中存有顶冲对岸的现象，这对整个工程安全性能的保持是极其不利的，因此在本工程中相关设计人员所采取的的主要的优化方式就是运用窄缝挑坎，这种挑坎能够为水舌导向提供条件，更加适合本工程。

2.2 优化方案1

设计水位和库水位相同。把窄缝水流分为上下两部分，上部为次生流，流量小，占比不足总流量的1/10，下部水流为主流，导向角较大。就方案整体来说，它能够一定程度上解决原方案中挑流对岸的冲击的问题，但是这种方案会使得窄缝出口冲击波增强，不利于水电站的整体运行。

2.3 优化方案2

在此优化方案中对原设计中的明渠渐变段进行了去除，从而使得窄缝挑坎长度得以加长，为了能够确保窄缝挑坎水舌在各种工况下都能够形成，对原设计中的护坦高程进行了适当的降低，这一设计的优化也能够尽可能的使得窄缝挑坎内产生水跃的现象得以减少。为了减少水流对护坦的影响以及水舌在作用时会对护坦产生一定程度的冲击，在挑坎出口处把跌坎去除，使得其能直接和护坦相连。此优化方案和优化方案1相比更具有针对性，整体性能也比较好。下面就不同工况下的试验情况进行分析。

工况1：库水位为校核水位、下游河道水位为1735.10m、工作弧门全开。

流态：水流的基本形态还是分为上、下两个部分，其中>90%以上的流量都集中在水流的下部分。从水舌的基本状态来看，在这种工况下的水舌的形态还算比较好。窄缝出口边墙高度低于水面，为了验证边墙高度对于水翅形态的影响，在试验中采取一定的措施对边墙高度进行提升，被提升边墙后，其相关水翅的形状并没有多大变化，因此在工程实施过程中没必要对边墙进行高度提升处理。这种优化方案下的河道流态还是比较顺畅的，虽然水舌两侧会产生微小回流，但是对于整体溢洪道消能作用的影响不大。

工况2：库水位为设计水位、下游河道水位为1734.80m、工作弧门全开。

流态：水流与校核工况基本相同，只是水舌挑距略小。需要补充说明：①对于左岸，水舌顶端左侧有微小回流，流态甚佳；②在右岸，水舌右侧有显著回流，且有一定的爬右岸坡，形成的原因是底层水流（2～3m）为淹没射流，有显著的横向扩散。③窄缝挑坎出口水流高于边墙，若加高边墙，几乎不影响水流。

3 对溢洪道出口消能的优化设计

3.1 对于表孔进口体型进行优化

表孔进口是溢洪道发挥作用的重要结构之一，其基本体型是否合理会直接对溢洪道消能过程的实现有着一定影响。在原设计中表孔口的流态存有一定的不良现象，造成这种不良现象得以出现的主要因素为中墩的存在以及受表孔进口左边挡墙的墙体型影响，为了解决这一问题，使得表孔流态能够表现正常，本工程相关人员对其进行了以下优化：一是把进口中墩去掉，二是进口左侧采用椭圆进口曲线，这一优化方案很好的解决了原方案中所存在的问题。

3.2 结构优化

本水电站工程的基本大坝的高度并不是特别高，溢洪道的出口和相关人员设计的水位之间的差距大概为30m，因此这就致使了水流通过溢洪道的出口时，其基本速度不会太快，这对其通过单窄缝挑坎有一定的阻碍。在原设计中所采用的设计思路为把水舌纵向拉开兼横向扩散，这一设计方案虽然在一定程度上解决了溢洪道左侧空间利用问题，但是却不能使得水舌顶冲对岸问题得以解决，因此原设计方案不能够很好的满足水电站的基本要求。为了解决水舌冲击对岸这一问题，在经过实地勘察和考察的基础之上，相关设计人员提出了优化设计方案，在优化过后的设计方案中让水舌采用两个窄缝挑坎，并让让水舌以前后错开的形式出现，这种方式能够极大程度的降低水流对于相关建筑和河床的冲刷，对于溢洪道基本性能的发挥有着一定的积极作用。