戽流与挑流联合消能工在狭窄弯道河段水电工程中的应用

钱丽云,任　苇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



戽流与挑流联合消能工在狭窄弯道河段水电工程中的应用

钱丽云,任苇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

摘要：基于甘南某水电站工程实践，针对单纯挑流消能工在狭窄河段应用时，存在易冲刷两岸、冲坑深度大、消能不充分的问题，将该工程中间表孔的挑流消能方式调整为戽流，将两侧表孔、底孔挑流向河中间集中，根据调整后模型试验成果，由于采用了分散消能形式，有效降低了冲坑深度，消能效果良好，这种戽流与挑流联合消能形式，为狭窄弯道段水电工程消能设计提供了新思路。

关键词：戽流；挑流；联合消能；狭窄

0前言

水库一般都要泄洪，泄洪就需消能。最古老的消能工是阶梯形溢流面。目前，底流消能、戽流消能和挑流消能成为3种主要消能方式[1]。近20多年，中国的水利工作者在引进国外先进消能技术的同时对消能工和消能方式做了很多创新性的研究和设计工作。如河北潘家口、辽宁白石水库分别采用了宽尾墩和异形宽尾墩挑流消能，安康、岩滩、五强溪等水电站工程采用了宽尾墩(异形宽尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩等)方式的组合消能[2-3]，宽尾墩是中国创造的。龙羊峡、东江等水库则采用了窄缝挑流的先进消能技术。由于大型导流洞改建永久泄洪洞的需要，开展了洞内消能工的研究，并在黄河小浪底水库率先建成了大型多级孔板消能泄洪洞。对水平螺旋流和旋流式竖井溢洪道等内消能技术的研究成果，也已应用到公伯峡和沙牌等工程[4]。

1工程概况

某水电站装机容量3×27 MW，水库正常蓄水位1 962.00 m，最大坝高62 m，枢纽工程属Ⅲ等中型工程，首部枢纽设计洪水标准为50年一遇，相应洪水流量956.00 m3/s，校核洪水标准为500年一遇，相应洪水流量1 580.00 m3/s。

拦河大坝共分为9个坝段，由左向右依次布置左岸挡水坝段、2孔溢流表孔、1孔冲沙底孔、1孔电站进水口坝段及右岸挡水坝段。挡水坝为混凝土重力坝。泄水建筑物布置在坝身。由2个表孔和2个底孔组成，坝后为短护坦，两岸为消能及雾化影响范围防护区[5]。

枢纽区河道蜿蜒曲折，弯道较多，河槽形态以“V”字形居多，河宽一般仅为15～40 m。库区两岸基岩裸露，山体雄厚，岸坡高陡，河床覆盖层厚约5 m左右，作为混凝土坝基需清理。下覆基岩为石碳系灰岩，岩体比较完整，强度高，模量值较大，透水性小，弱风化厚度8～15 m，河床建基面选择在可置于弱风化岩体中下部，岩体完整性较好。

2原设计挑流消能方案及初步修改

原设计方案充分利用上述河床基岩整体性较好的特点，表孔、底孔均采用挑流消能，同时通过水工模型试验调整底孔鼻坎形式，使其水流落点分散，减少对下游的冲刷，提高消能效果。详见图1。

图1　原设计挑流消能方案平面布置图　　　单位：m

根据设计方案并进行了水工模型试验发现：

(1) 表孔和底孔挑流落点位置基本一致，均位于护坦末端下游40 m左右，超过护坦防护范围，对河床冲刷较大，冲刷坑最低点高程1 888.16 m，最大冲刷深度19.84 m；

(2) 左表孔水舌水疵较大，水舌落点有些蹭击左岸岸坡，右底孔出流也有些蹭击右岸岸坡。

以上试验成果表明：原设计方案未充分考虑河道弯道多、河宽狭窄的特点，因此建议对底孔及表孔的水舌收缩幅度进行修改，以避免水舌蹭击岸坡；进一步通过模型试验加强消能效果，减小河床冲刷坑深度。模型试验主要进行了以下修改。

(1) 水舌对撞消能方案

对表孔出口进行修改，以达到出口水舌对撞的目的。通过模型放水试验发现，由于两表孔距离近，水舌不能采用较大偏角，否则容易冲击河岸，但小偏角方案不仅不能产生水舌对撞效果，反而使两表孔水舌合为一处，水流更为集中，使下游冲刷更为严重，最大冲刷深度达25 m左右。

(2) 动床加宽

对下游河道的动床范围进行了加宽处理，放水试验发现，动床加宽后，对消能有一定的有利效果，冲刷坑深度有所减小，但校核工况的最大冲刷深度还在20 m左右，没有明显改善。

(3) 挑坎尾部修改

目的主要为调整表孔、底孔水舌收缩幅度及落点。放水试验发现，下游冲刷情况没有实质性改善。校核工况的最大冲刷深度在18 m左右， 30年一遇洪水标准不同运行方式冲刷坑深度介于8～14 m，5年一遇洪水标准不同运行方式冲刷坑深度均在10 m以上。

以上试验均在采用挑流消能工的前提下，通过各种优化措施，结果表明，均不能有效解决存在的问题。

3戽流与挑流联合消能工设计

上述多个修改方案的放水试验发现，由于某水电站所处河段蜿蜒曲折，主河槽狭窄，河道单宽流量大，流速高，底孔、表孔均为挑流，水舌落点位置一致，均位于护坦下游，直接砸在下游河床上；水舌落点区域水流集中，冲击力大，河床局部冲刷剧烈。有必要改变思路，将单一挑流消能工调整为联合消能方式。

根据分析考虑，拟将2个溢流表孔中的中间一孔修改为戽流，为挑流提供了较为稳定的水垫，将两侧的溢流表孔、底孔鼻坎体型进行优化，使水舌集中，详见图2。

图2　戽流与挑流联合消能方案平面布置图　　　单位：m

经模型放水试验发现：在枢纽下游，两底孔和左表孔均形成自由挑流，右表孔出口形成贴水面挑流或临界淹没挑流；两底孔水舌落点位于护坦河槽中心，左表孔水舌落点紧贴护坦左岸护坡，挑射水舌潜入水面后形成强烈的水面波动及漩滚水流，并对坝下0+086.40 m下游护坦及河道右岸形成顶冲，右岸形成主流区，左岸形成一定范围的回流区。

在30年一遇及其以下洪水，护坦及下游河道流态较好，冲刷坑深度均在5 m以下；设计洪水、百年一遇洪水及校核洪水护坦及下游河道右岸虽然还有涌浪，但较前述的一些修改方案有很大改善，冲刷坑最大深度均不超过10 m。

可以看出，采用戽流与挑流联合消能工，护坦及下游河道流态有很大改善，枢纽下游冲刷坑问题也较好解决，此方案可作为推荐方案。

4结语

本文依托某中型工程，根据其具体河道特点，结合其枢纽区河道弯道较多、河宽窄的地形特点，以及坝址区基岩条件好的特点，介绍了设计采用中间戽流、两侧挑射的联合消能设计，成功了解决了消能问题的思路，为类似工程提供借鉴。

参考文献:

[1]许荫椿 ,胡德保.水力学[M].北京：科学出版社,1988.

[2]林珍喜,郑洪,欧阳福生,周翠云.宽尾墩在福建龙湘水电站挑流消能中的作用研究[J].湖南水利水电,2008,(4)：26-28.

[3]潘旭东,郭宇.山口水电站泄流能力及消能方式研究[J].水利与建筑工程学报，2012，(02)：48-51，122.

[4]刘慧卿 ,刘云婷,张先起.适合高坝的坝身旋流式竖井溢洪道设计[J].华北水利水电学院学报,2003,(4)：41.

[5]郭红浩.九龙峡水电站水工整体模型试验及三维数值模拟[D].杨凌：西北农林科技大学，2009.

Application of Joint Energy Dissipation Structure of Bucket and Trajectory Flow in Hydropower Project in Narrow and Curve River Course

QIAN Liyun, REN Wei

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China)

Abstract:Based on the practice of one hydropower project and aiming at the application of the single energy dissipation structure with trajectory flow in narrow river course, which easily scours banks, causes deep scouring pit and energy is not fully dissipated, the energy dissipation type of the trajectory flow of the middle surface outlet is modified to the bucket flow. The trajectory flows from the surface outlets on both sides and the bottom outlets concentrate to the middle. From the results of the modified model tests, the scouring pit depth is decreased and the energy dissipation effect is excellent after the dispersive energy dissipation type is applied. The joint energy dissipation type of bucket and trajectory flow provides design of the energy dissipation of hydropower project in narrow and curve river course with new concept.

Key words:bucket flow; trajectory flow; joint energy dissipation; narrow

中图分类号：TV653

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.012

作者简介：钱丽云(1987- ),女,河北省阳原县人,工程师,从事水工结构设计工作.

收稿日期：2015-06-04

文章编号：1006—2610(2016)01—0048—03