小山口水电站泄洪系统联合消能工的消能率问题探究

张俊伟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)



小山口水电站泄洪系统联合消能工的消能率问题探究

张俊伟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

摘要：小山口水电站采用表孔和底孔联合泄流的泄洪方式。中小流量时，以底孔和机组泄流为主；大流量时，则以表孔、底孔和机组联合泄流。实践证明，“表孔宽尾墩+底孔+挖深式消力池”的联合消能设施是一种高效的联合消能工程，消能效果良好。

关键词：泄洪消能；溢流坝；宽尾墩；台阶式坝面；消力池；联合消能工

1工程概况

小山口水电站位于新疆开都河下游，工程以发电为主，兼有防洪等综合效益，是开都河梯级开发规划中的第十级电站。工程主要是由左岸混凝土重力坝+右岸混凝土面板砂砾石坝、重力坝上布置泄洪溢流表孔、导流兼泄洪底孔和发电引水系统以及坝后式地面厂房等组成。

水库总库容5 026 万 m3，最大坝高46.6m，电站装机容量49.5MW。水电站属中型Ⅲ等工程。

大坝设计洪水标准50 a一遇，洪峰流量1 277.50 m3/s，经调洪演算后最大下泄流量1 210.88 m3/s；校核洪水标准1 000 a一遇，洪峰流量2 079.80 m3/s，经调洪演算后最大下泄流量1886.38m3/s。

表孔溢洪道河床覆盖层为砂卵砾石，厚约5～7 m，相对密度0.78，密实，透水性强；冲积砂砾石层以下为泥岩及砂岩互层，强风化层厚3～4.5 m，弱风化厚8～12 m。岩石为软岩，强度低，水理性质不良，抗风化、抗水性差(软化系数<0.28)，透水性弱，抗冲流速极低。

溢流坝及消力池段基础位于基面之下10m，为弱风化—新鲜岩体，海漫段基础大部位于砂砾石层上，海漫末端基础砂砾石层厚度2～2.5m。

2溢流坝段联合消能工设计

2.1宽尾墩联合消能技术

宽尾墩与其它消能措施的联合消能中，宽尾墩加台阶式溢流坝是一种附加消能措施，由此改变了原有的消能机理及消能过程[1]。其特点是将溢流坝闸墩尾部由常规的平尾改为宽尾，将溢流面由常规的光滑面改为台阶式，把堰顶原来的二元溢流水舌在墩尾加以收缩，迫使水舌沿坝面纵向扩展而成为堰顶三元收缩射流[2]，同时加上台阶的强烈紊动作用，将大大加快紊流边界层发展到水面的进程，以上措施综合构成对片状水舌下部的突扩、突跌式的掺气作用，使水流充分掺气，既可使溢流坝面免遭空蚀，又提高了消能率[3] [4]。

这种新形态水流和各种传统消能流(底流、面流、挑流)联合运用，形成各种宽尾墩联合消能工，明显提高传统消能工的消能率，改善下游衔接流态，减少冲刷，尤其是和底流或戽流结合时，其效率更为显著，是解决大单宽流量、低佛氏数泄洪消能难题的一条新的有效途径[2]。

2.2设计构想

设计洪水标准工况下，表孔泄量为842.28m3/s，底孔泄量为260.60 m3/s，消力池末端单宽流量为28.6 m3/s·m。校核洪水标准工况下，表孔泄量1334.02 m3/s，底孔泄量为552.36 m3/s，消力池末端单宽流量为49.0 m3/s·m。

综上所述，泄洪系统泄洪能量较大，而河床抗冲刷能力较低，若消能措施不当，势必造成下游河床及尾水渠防洪堤的严重冲刷，进而危及大坝及厂房的安全。那么，提高泄洪系统消能工的消能率就成为关键所在。因此，结合宽尾墩联合消能技术的应用，小山口水电站泄洪系统初步设计采用“表孔宽尾墩+台阶式溢流面+底孔+综合式消力池”的联合消能方案。

2.3联合消能工设计

溢洪道布置在混凝土重力坝段，溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程+34.50m，单孔宽7.5m，共3孔，采用平板工作门；导流兼泄洪底孔布置在混凝土重力坝段的3孔溢流堰之间，共2孔，进口底板高程+17.50m，进口尺寸(宽×高)为3×4.5m，出口尺寸(宽×高)为3×4m，前期导流，后期泄洪。下游设综合式消力池，净宽38.5m，长67.1m，池底高程+4.50m。在表孔闸墩的墩尾采用收缩角16.7°、收缩比0.68的对称“Y”型宽尾墩，在溢流坝下游坡比1∶1.0的直线段采用1.0m×1.0m的台阶式坝面消能工。溢流坝段布置见图1，图中尺寸单位除高程以米计外，其它均以厘米计。

3联合消能工的模型试验

3.1试验成果

根据泄洪系统的运行方式进行水力学模型试验研究。表孔溢流坝面宽尾墩后水流横向收缩，垂向展宽，流量越大垂向展宽越大，且造成两侧水流碰撞对冲，可消耗部分水流能量。阶梯坝面水流底层跌水和涡流现象明显，掺气较充分，具有一定的消能效果。溢流坝面纵剖面流态见图2。

图1　溢流坝段布置图

消力池尾坎顶部横断面上各点垂向流速分布仍呈表流速小、底流速大的状态。校核洪水位下消力池坎断面流速分布见图3。

海漫末端断面各点流速分布基本合理，但流速值仍偏大，尤其是设计库水位和校核库水位时的断面平均流速较消力池坎断面还大。校核洪水位下海漫末端断面流速分布见图4。

图3校核洪水位+44.22m时消力池尾坎流速分布图

图4　校核洪水位+44.22m时海漫末端流速分布图

对以上试验结果进行初步分析，得出以下结论：

1)宽尾墩及阶梯坝面均有一定的消能效果。

2)表孔大流量泄流时，溢流坝面流速较大，宽尾墩尾边角及阶梯坝面棱角可能会受到冲蚀。

3)出池水流在防洪高库水位时，海漫末端断面平均流速较小，是由于这一级流量海漫下游局部冲刷较小，下游河道缓流可向上游影响到海漫，试验可观测到下游缓流影响的交界面。设计库水位和校核库水位时海漫末端流速增大的原因有两个，一是溢洪道泄流量较大海漫下游局部冲刷较大，增加了水流比降，所以流速增大；二是出消力池的水流由池尾坎发生又一次水面跌落，动能增加也导致流速增大。

3.2设计方案调整

为了验证不同的消能工对泄洪系统消能率的影响，依据以上设计试验成果，主要从以下两个方面进行优化对比试验：

1)将坝面阶梯改为平面，并加高防冲板及海漫底高程，以观测海漫与消力池尾坎高差对海漫流态影响；观测对消能效果的影响；

2)增加宽尾墩收缩比，观测消能效果。

3.2.1溢洪道坝面和防冲板底高程修改试验

修改阶梯坝面为平面，同时防冲板首端高程由+10.70m抬高至消力池尾坎顶高程+11.50m，亦即取消消力池尾坎，消力池型式由综合式调整为挖深式，海漫段底坡由1/500调整为1/2000。

试验观测了防洪高库水位(+40.30m)和设计库水位(+41.88m)泄洪量的消能效果，初步整理资料发现，防洪高库水位时消能率为82.9%(修改前为82.19%)；设计库水位时消能率74.7%(修改前75.1%)，与修改前基本相当。溢流坝面改为平面后，消能率应减小，但由于同时抬高海漫高程，减小了池坎水面比降，流速减小，动能减小，综合消能率与修改前基本相当。

3.2.2宽尾墩收缩比修改试验

将宽尾墩尾翼宽度由原设计1.2m改为1.6m，收缩角由16.7°改为21.8°，收缩比(收缩后坝面过流宽/收缩前过流宽)由原0.68改为0.57。

试验观测了3种工况的泄洪状态，即防洪高库水位(+40.30m)、设计库水位(+41.88m)和1 000 a一遇校核库水位(+44.22m)，发现增加收缩比后，比修改前溢洪道下泄相同流量时水位有升高，表明泄流能力受到影响，对库水位的影响随下泄流量的增加而减小。宽尾墩加宽后试验对比结果见表1。

表1　宽尾墩加宽后试验对比结果表

适当降低宽尾墩收缩比有减小坝面单宽流量、提高台阶消能的效果，但本试验观测结果为，收缩比减小至0.57时，消能率与收缩前变化不明显，而且在设计工况还有收缩后水滴外溅，校核工况出现收缩水冠左右摆动、间歇外翻，故建议本设计宽尾墩收缩比应>0.57，且≥0.63，或维持原设计不变。

3.3成果分析

通过以上试验研究，根据宽尾墩和阶梯坝面对泄洪系统消能率的影响程度，且考虑到表孔大流量泄流时宽尾墩尾边角及阶梯坝面棱角存在受到冲蚀危害的风险，宽尾墩尾边角采用半径为1.2m圆弧与墩尾相接，收缩角17.5°，收缩比0.68，溢流坝面由阶梯改为平面，同时取消消力池尾坎，亦即小山口水电站泄洪系统采用“表孔宽尾墩+底孔+底流挖深式消力池”的联合消能方案。根据消能率观测计算，泄洪系统消能充分，各种泄洪工况时的消能率均在70%以上。设计采用宽尾墩体型见图5。

图5设计采用宽尾墩体型图

4结论

实践证明，“表孔宽尾墩+底孔+底流挖深式消力池”的联合消能设施是一种高效的联合消能工程，消能效果良好。根据以往的水力学研究，在宽尾墩体型的选用上，收缩角15°～20°，收缩比0.4～0.5为宜[1]。但在本工程宽尾墩的体型设计中，收缩角15°～19°，选用17.5°，收缩比0.63～0.71，选用0.68，经过模型试验验证，宽尾墩后水力学条件良好，消能充分。另外，在消力池型式的选用上，除了考虑河床开挖深度对工程造价的影响之外，还要考虑出池水流的水力学条件以及海漫下游冲刷程度的问题。

综上所述，考虑到水电工程泄洪系统水力学边界条件的多样性和复杂性，在联合消能工的选取中，除了以以往的水力学研究成果为基本依据外，还需要参考相关已建工程的工程经验，同时更重要的是需要通过系统的水力学模型试验进行验证，综合考虑后方可选定联合消能工的结构型式。

参考文献：

[1]韩连超，潘艳华，王姝.宽尾墩联合消能工体型选择及水力特性的研究[C].中国水利学会学术年会，2003，11(01)：82-87.

[2]陆民安.百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究[J].广西水利水电，2004(2)：53-56.

[3]林可冀，韩立，邓毅国.大朝山水电站RCC溢流坝宽尾墩、台阶式坝面联合消能工的研究及应用[J].云南水力水电，2002，18(4)：6-15.

[4]韩立，邓毅国，杨键，欧阳松.大朝山水电站泄洪消能及排沙建筑物设计[J].水力发电，2001(12)：30-32.

文章编号：1007-7596(2016)04-0169-04

[收稿日期]2016-03-09

[作者简介]张俊伟(1981-)，男，河南汝州人，工程师，从事水利水电工程设计研究工作。

中图分类号：TV653

文献标识码：B