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水電站泄洪消能問題探究
消能效果的優劣，主要表現在水墊塘底板上沖擊動水壓力的大小和壓力梯度的均勻性，下面是小編搜集整理的一篇探究水電站泄洪消能問題的論文范文，供大家閱讀參考。
1工程概況
某水電站主要由混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物、水墊塘、二道壩和地下廠房等組成，是一座兼顧發電、航運、環境保護、推動經濟社會發展的綜合型電站，其平面布置見圖1.該水電站混凝土雙曲拱壩最大壩高213m,電站裝機容量2220MW,多年平均發電量為100×108kW·h.大壩校核洪水標準為5000年一遇，相應洪峰流量為11300m3/s,經水庫調蓄后庫水位為2305m,樞紐下泄流量(電站不泄流)為11115m3/s;大壩設計洪水標準為1000年一遇，相應洪峰流量為9970m3/s,經水庫調蓄后庫水位為2302m,樞紐下泄流量(含電站)為9850m3/s;大壩正常蓄水位為2302m,正常蓄水位以下庫容為7.81×108m3.壩址附近為深切峽谷地形，橫斷面為典型的V型谷，河谷兩岸地形對稱性較好，壩址區地表基巖廣布，第四系覆蓋層分布范圍小，建壩巖體主要為花崗巖、斜長角閃片巖和混合巖，均為堅硬巖。
樞紐布置方案采用雙曲拱壩+壩身泄洪(3個表孔，從左至右依次為#1、#2、#3+4個中孔，從左至右依次為#1、#2、#3、#4)+右岸地下廠房(4臺機組)+左岸2條導流洞(圖1)。表、中孔按泄洪中心線對稱間隔布置，無岸邊泄洪設施。
溢流表孔單孔凈寬12m,堰頂高程為2286m,表孔孔口尺寸為12m×16m(寬×高)，堰面采用WES曲線，堰面曲線方程為y=0.04529x1.85.泄洪中孔采用有壓管型式，進口底板高程為2222.00m,頂板高程為2232.65m,進口頂板、側墻曲線均采用橢圓曲線。頂板曲線方程為x2/92+y2/32=1,側墻曲線方程x2/3.62+y2/1.22=1,底緣曲線半徑為2m的圓弧。中孔洞身段孔寬6m,孔高8m,出口控制斷面尺寸為7m×5m(寬×高)，中孔出口采用平底型(#2、#3)和上翹型(#1、#4)兩種形式，采用挑流消能。其中#2、#3中孔洞長44.1m,整個洞身底板(包括出口)均為2222.00m,出口段平面上孔寬由6m漸擴至7m,洞頂采用1∶6.9的壓坡，孔高由8m漸縮至5m(出口洞頂高程為2227.00m)，出口挑角為0°;#1、#4中孔洞長43.7m,出口底板高程為2226.15m,頂板高程為2230.72m,出口挑角10°。下游消能防沖建筑物為混凝土水墊塘+二道壩。水墊塘采用復式梯形斷面，塘底平面尺寸為280m×60m(長×寬)，底板高程為2108m,校核工況下水墊塘水深58.8m,水面寬約110m(下游水位2166.80m);二道壩采用混凝土壩，壩頂高程為2152.50m,上游側壩坡比1∶0.5,下游側坡比1∶0.3,頂寬5m,底寬40.6m,二道壩頂面上游側距中孔挑坎水平距離約300m.
該水電站是典型的高水頭、窄峽谷、大單寬流量的混凝土雙曲拱壩水電站，水舌碰撞、落點及水墊塘底板防沖是需重點解決的問題[1].對此，本文通過整體水工模型試驗研究，較好解決了泄洪消能問題，保證了大壩和消能建筑物的安全。
2模型
采用水工正態整體模型，按重力相似準則建模[2].根據試驗任務和要求，結合試驗場地和模型規模，取模型幾何比尺為1∶100.模擬范圍包括大壩、泄水建筑物(含表孔和中孔)、消能防沖建筑物(含水墊塘)和電站建筑物(含進、出口)，上游水庫河道模擬長度為800m,下游河道模擬長度為1800m.根據水墊塘底板高程2108.00m,并考慮測壓管和壓力傳感器安裝要求，確定大廳地坪高程為2050.00m;根據模型最高洪水位(上游2305.00m,下游2167.00m)和富裕超高，確定上、下游導墻頂高程分別為2330.00、2190.00m.模型全長約30m,最大寬度6m,上游高2.8m,下游高1.4m,見圖2.
3結果與分析
3.1試驗工況
試驗條件和工況見表1.各試驗工況下分別進行表孔單泄、中孔單泄和表中孔聯泄放水試驗。
當無下游防洪任務時，對入庫洪水自正常蓄水位起調節。當洪水來量低于正常蓄水位泄流能力時，控制下泄流量，按來量下泄，壩前水位為2302.00m;當洪水來量高于正常蓄水位泄流能力時，敞泄，壩前水位相應壅高。
3.2流態
表孔單獨泄洪時，水流前后呈兩層落入水墊塘中。各工況下，#2表孔水舌挑距最近，#1、#3表孔水舌挑距最遠。表孔水流最大入水寬度為115m,未見水舌直沖干砸水墊塘邊墻。表1中孔水舌交匯處形成水翅，入塘水流形成淹沒水躍。
二道壩下出塘水流呈急流，水面跌落明顯，近似二次水躍。塘內樁號0+50~0+200區域涌浪較大，塘底水舌沖擊區為樁號0+120~0+140區域，附壁射流在樁號0+130~0+220區域，底部水流與表面水流旋滾，摻混劇烈，樁號0+100~0+250為主要旋滾消能區域，兩側樁號0+150以上為岸邊回流帶。塘中部水面隆起，二道壩及下游水流銜接平順，未出現二次水躍。
中孔單獨泄洪時，4股水舌前后兩層落入水墊塘，入水角較表孔小。
#1、#4邊孔入水處兩股水舌內側相連，#2、#3中孔兩股水舌同樣也在入水處相連，且#2、#3水舌入水處外緣與#1、#4水舌內緣相連。總體上四股水舌入水集中在水墊塘中部，未見水舌直沖干砸水墊塘邊墻。水流入塘后形成淹沒射流，射流水股剛好觸及底板，底部附壁射流特征不明顯。底部旋滾與表面旋滾卷吸，摻混劇烈，水墊塘內為白色泡沫狀水體，摻氣明顯，岸邊出現回流。
表、中孔聯合泄洪時，表、中孔水舌呈上下、左右碰撞消能特點。
#1表孔水舌與右側#3表孔水舌左右碰撞，之后與#1中孔水舌上下碰撞，再與#2、#3中孔水舌碰撞，由于對稱布置，#1、#3表孔水舌左右碰撞，之后與#4中孔水舌上下碰撞，再與#2、#3中孔水舌碰撞。而#2表孔僅與#2、#3中孔水舌碰撞。中孔水舌與表孔水舌碰撞后，水體摻氣充分，裂散充分，呈白色不連續水體，摻氣較碰撞前更明顯。上下水舌碰撞消能，效果良好。
3.3壓力
消能效果的優劣，主要表現在水墊塘底板上沖擊動水壓力的大小和壓力梯度的均勻性。水墊塘底板沖擊動水壓力[3]
為：P=Pmax-T(1)式中，P為水墊塘底板沖擊動水壓力;Pmax為沖擊區最大時均動水壓力;T為水墊深度。
由式(1)可知，水墊塘底板沖擊動水壓強與沖擊區最大時均動水壓力、水墊深度密切相關。前者通常可由測壓管系統量測，而水墊深度的選取卻不太統一[4].結合該項目實際情況，采用挑流水舌內緣入水點上游水深(樁號0+088斷面)作為計算塘內沖擊動水壓力的水墊深度。各工況下，壩身孔口挑射水流進入水墊塘均能形成淹沒水躍。各工況水墊塘底板動水壓力分布見表2.
1MATLAB軟件擬合模型試驗數據，得到底板動水壓力立體圖和等值線。
由表2、圖3可知：
①表孔單泄時底板最大沖擊壓力為42.2~80.4kPa,沖擊區為樁號0+120~0+140段，距壩址92~112m,主要為#1、#3表孔內側水舌交匯和#2水舌疊加效應引起。
②中孔單泄底板沖擊區峰值不明顯，實測最大沖擊壓力為36.3~46.1kPa,沖擊區為樁號0+200~0+230段，距壩址172~202m.③表、中孔聯合泄流時，表、中孔水舌上下空中碰撞。
#1、#4中孔分別與#1、#3表孔水舌碰撞，碰撞后混為一股，基本沿中孔拋射軌跡行進，射距有所減小，水舌摻氣、裂散更為明顯，基本為不連續水股;#2、#3中孔先與#2表孔碰撞后，又與#1、#3表孔水舌內側橫向搭接部分水股碰撞，基本無法“沖出重圍”,最后#2、#3中孔水股、#2表孔水股及#1、#3表孔橫向交匯搭接，形成一道“水簾”,落入水墊塘，造成水墊塘底板沖擊壓力集中。底板沖擊區峰值不明顯，實測最大沖擊壓力為175.6~346.3kPa,沖擊區為樁號0+200~0+230段，距壩址172~202m.
以上分析表明：
①中孔單獨敞泄時水舌挑距較遠，水墊塘長度略嫌不足;②大流量表、中聯泄時，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大沖擊壓力遠遠超標，大壩校核工況5000年一遇洪水實測底板時均沖擊壓力達282.5kPa.因此，應調整下泄水舌形態，提高水墊塘消能效果。通過觀測發現，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大沖擊壓力P較大，主要由相鄰表孔下泄水舌搭接造成。根據已建工程經驗，在表孔出口加設齒坎，分散表孔水舌，從而避免相鄰孔水舌搭接，達到降低P值的目的。修改方案主要參數見表3.修改方案后，水舌縱向分散，集中入水現象明顯改善，底板最大P為138.3kPa,在設計標準147.2kPa以內，可保證工程安全運行。【1】
4結論
該水電站大壩采用壩身3個表孔、4個中孔集中泄洪，下游水墊塘及二道消能的方案是可行的。表孔出口加設齒坎不僅可以調整水舌落點，還可起到分散水舌的作用，有效降低沖擊動水壓力。研究成果可供類似工程參考。
參考文獻：
[1]王均星，尹浩，劉金秀，等.龍開口水電站的泄洪消能防沖試驗[J].武漢大學學報：工學版，2008,41(1)：27-30,34.
[2]左東啟.模型試驗的理論和方法[M].北京：水利電力出版社，1984.
[3]吳持恭.14版)[M].北京：高等教育出版社，2008.
[4]程子兵，韓繼斌，黃國兵.構皮灘水電站泄洪消能試驗研究[J].人民長江，2006,37(3):84-86.
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