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摘 要 通过萨拉康水电站半整体水工试验模型,对左岸泄洪闸消力池体型进行多个方案的试验研究,最终提出的推荐方案取消了泄洪闸10#~14#孔下游河道基岩上的护坦及海漫防护,且流态好,下游河道冲刷较轻,较好的解决了下游的消能问题。
关键词 泄洪闸;消力池;尾坎
中图分类号:TV653 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)17-0049-02
1 工程概况
湄公河萨拉康(Sanakham)水电站是一座以发电为主,兼有航运、过鱼等综合利用的水利工程。正常蓄水位为220 m,电站总装机容量为660 MW,平均年发电量36.967亿kW·h,年利用小时5601 h。采用12台灯泡式贯流机组,引用流量5500 m3/s。根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》,该电站为二等大(2)型工程,永久性主要水工建筑物级别为2级,次要建筑物级别为3级,临时性建筑物按4级建筑物设计。
1.1 枢纽布置
枢纽布置从左岸到右岸依次为:左岸混凝土副坝、船闸坝段、左岸泄洪闸坝段(14孔)、河床式厂房坝段(12台机组)、右岸泄洪闸坝段(5孔)、右岸混凝土副坝。左岸泄洪闸共14孔,为平底泄洪闸,闸顶高程229.5 m,总长250 m,闸室段顺水流方向长35 m,闸室段底板高程198 m,泄洪闸孔口尺寸14.2 m,中闸墩厚度3.5 m,边闸墩厚度2.85 m。10#~14#泄洪闸下游设消力池,采用底流消能,池底板顶高程为191.4 m,池长59 m,矩形断面,消力池右侧利用纵向导墙作为消力池边墙,消力池左侧设置混凝土边墙,以形成完整的消力池,池底板厚3 m。
1.2 闸门泄洪运行方式
萨拉康水电站泄洪方案:当上游来流量Q≤15000 m3/s时,通过开启10#~14#闸孔调节下泄流量;当上游来流量Q≥15000 m3/s时,左岸1#~9#泄洪闸开始参与泄洪;当上游来流量Q≥17800 m3/s(3年一遇洪峰流量)时,左右岸19孔泄洪闸全部打开,开始敞泄。
本次半整体模型试验重点研究3年一遇及其以下常遇洪水时枢纽运行方式,因此主要是通过调节左岸10#~14#泄洪闸的开启方式来调节下泄流量。本文通过半整体试验主要针对左岸10#~14#泄洪闸消力池体型进行了优化。
1.2.1 模型比尺
依据SL155-95《水工(常规)模型试验规程》,模型按重力相似准则设计,根据试验内容要求、原型水流特性、几何尺寸并结合试验场地及仪器设备等条件,确定模型几何比尺为λL=65,则相应的其它水力要素比尺为:流量比尺λQ=λL2.5=34063.04,压力比尺λp=λL=65,时间比尺λt=λL0.5=8.06,流速比尺:λv=λL0.5=8.06。
1.2.2 模型沙的选择
根据设计提供的地质资料,下游消能区基岩抗冲流速按3.0 m/s模拟,覆盖层抗冲流速按1 m/s模拟。因左岸泄洪闸下游消能区覆盖层已全部清除,所以试验中抗冲材料按基岩模拟。模型沙粒径根据伊兹巴什经验公式计算,基岩原型中值粒径d50=183.7 mm~360 mm,换算成模型d50=2.83 mm~5.54 mm;试验实际选取中值粒径为4.0 mm的均匀白云砂作为基岩的抗填料。
2 原方案试验
2.1 原方案消能防冲试验
为便于方案比较,试验首先按下游消力池后河道基岩不设海漫模拟。通过原方案试验观察,组次3是试验组次中冲刷效果较差的工况,因此选用组次3冲刷结果对各修改方案消能效果进行比较。
2.2 原方案存在主要问题
1)若某一孔泄洪闸相邻两孔不对称开启,受两侧不对称进流的影响闸室内会产生折冲水流直冲门槽,闸室内流态较差;
2)在组次3工况下,消力池右侧纵向导墙坝下0+140 m~坝下0+190 m范围冲刷较深,最低冲刷高程为179.0 m,较导墙基础高程186.0 m低7.0 m,可见原方案下泄水流在消力池内消能不充分,下游河道冲刷比较严重。
3 左岸泄洪闸优化试验
3.1 泄洪闸挡墙优化
从试验观察看,当某一孔泄洪闸相邻两孔同时关闭或对称局开时进流条件较好,否则闸室内产生的不对称折冲水流会冲击门槽部位,使得横向水面差较大,流态较差。
经过试验,在泄洪闸之间的某个闸墩上游加50 m挡墙,挡墙前端产生的绕流也会影响到两侧闸室的进流,使水流产生漩涡,加大闸室横向水面差。当挡墙延长到足够长后,绕流将不再影响两侧闸室进流,但是该挡墙只能改善其两侧闸孔参与开启的多孔组合工况,远离挡墙的闸室仍然存在不对称进流问题。
因此考虑到该电站泄洪闸孔数较多的实际情况,试验建议通过合理调整闸门开启方式来减小闸室不对称进流的影响。
3.2 消力池优化
3.2.1 修改方案:等间距差动坎
首先在保持原方案消力池长度和底板高程不变的情况下,将原方案尾坎由连续式改为差动式,使出池水流从坎顶和坎间分散流出,相互碰撞,减弱底部的旋滚强度,差动式尾坎和其间隔基本均匀布置。
方案一组次3的下游河道最低冲坑高程为181.2 m,位于坝下0+150 m、左75 m处,泄洪闸14#孔下游导墙0+150 m处冲刷高程为183.1 m,较原方案抬高了4.1 m;消力池尾坎后最低冲刷高程为187.4 m。
由试验结果可以看出,修改方案一下游河道的冲刷结果较原方案有所改善,但是消力池右侧导墙附近最低冲刷高程仍然低于导墙基础。
3.2.2 修改方案二:降低尾坎高程
修改方案二将差动式尾坎顶的顶高程由194.0 m降低至193.0 m,尾坎断面形式与方案一相同。修改方案二组次3下游河道冲刷地形与方案一相似,最低冲坑高程180.1 m,泄洪闸14#孔下游导墙0+150 m处冲刷高程182.0 m,与原方案相比下游河道和右导墙基础的最低冲坑均加深1.1 m,下游河道冲坑范围增大。 由上述试验结果可以看出,顶高程194.0 m的差动式尾坎消能效果优于顶高程193.0 m的尾坎,试验观察当差动式尾坎顶高程加高至194.4 m,消力池后产生二次水面跌落,下游河道冲刷结果较差,经过比较试验最终确定消力池差动式尾坎的顶高程为194.0 m。
3.2.3 修改方案三:小间距差动坎
方案三调整了差动式尾坎和间隔的布置,将每一段差动尾坎长度增加,尾坎之间的间隔距离减小。组次3:消力池下游河道最深冲坑高程为182.6 m,右侧导墙最低冲刷高程为186.2 m,高于导墙基础0.2 m,尾坎末端最低冲刷高程187.4 m,高于尾坎基础1.4 m。从试验结果来看,方案三的冲刷结果明显优于前两个方案。
3.2.4 修改方案四:小间距差动坎
修改方案四尾坎型式与布置和方案三相同,不同的是尾坎迎水面为直墙,背水面为1:1的斜面。方案四(组次3)下游河道冲刷效果较好,与方案三相比,最低冲坑高程为183.6 m,抬高了1.0 m,冲刷坑和淤积体范围缩小约50%,消力池下游纵向导墙基础最低冲刷高程基本相同,消力池差动尾坎末端冲刷明显减轻,最大冲深抬高1 m。
3.2.5 修改方案五(方案三+消力墩)
本工程属于低弗劳徳数水流消能,下游水深较大,消力池中能够形成稳定淹没水跃。为了进一步提高消能池的消能效果,加强扰动,提高效能效率。试验在消力池内设置消力墩以减轻下游河道冲刷。
在修改方案三消力池内坝下0+070 m断面布置一排消力墩,与消力池末端的差动式尾坎构成两排相间的消力墩,试验将该辅助消能工修改方案称之为修改方案五。通过试验发现,因消力池下游水位较高,池内消力墩的淹没度较大,其消能作用不明显,因此消力池下游河道最低冲坑、最大淤积体高程和方案三基本相同。
综合比较上述各方案的优缺点后得出结论:
1)消力池采用差动式尾坎可以保证水流在消力池内产生稳定水跃,下游消能防冲效果良好。另外,差动式尾坎有利于排沙。
2)消力池内增加辅助消力墩后,对下游河道的消能效果改善不明显。
3.2.6 修改方案六(方案四+贴角)
前述五个方案消力池下游纵向挡墙附近最低冲刷高程均低于或与挡墙基础高程186 m齐平,因此纵向挡墙还是存在一定安全隐患。试验在消力池出口右侧侧墙增加一顶高程203.5 m的圆弧贴角,使水流导向河道左侧以达到保护挡墙基础的目的,该方案称之为修改方案六。
方案六的消力池右侧出池水流通过贴角导向河道左侧,消力池纵向导墙基础附近冲刷明显减轻,消力池下游河道最低冲坑有所降低,但下游河道淤积体面积有所增大。
组次3:下游河道最低冲坑高程182.0 m,位于坝下0+140 m、左75 m处,消力池下游导墙坝下0+150 m处冲刷高程189.4 m,高于挡墙基础3.4 m,消力池尾坎末端最低冲刷高程为188.0 m,高于齿墙基础2 m。方案四加贴角后,下游河道最低冲刷坑略有加深,淤积体范围有所增大,但是消力池下游纵向导墙基础部位冲刷明显减轻。
在方案六消力池的末端设置20 m的铅丝笼护坦后,组次3下游河道冲刷结果与不加护坦时相比,下游河道冲坑位置和淤积体位置均下移20 m左右,最低冲坑高程和最大淤积高程基本相同。
3.2.7 修改方案七:齿形尾坎
方案六消力池下游纵向挡墙基础附近冲刷较轻,但是消力池尾坎末端仍然有一定程度的冲刷,为了进一步减轻尾坎末端冲刷,将方案六差动尾坎修改为齿形尾坎,尾坎之间间隔段为1:2.6的斜坡,称之为方案七,详细体型见图1。
从实验结果看,组次3消力池下游右侧纵向导墙基础部位冲刷情况及下游河道淤积体范围与方案六基本相同,下游河道最低冲坑高程180.0 m,较方案六降低2.0 m。但是消力池尾坎末端冲刷明显减轻,仅有尾坎右侧15 m范围有2 m~3 m的冲刷,其余局部冲刷高程均抬高1 m~2 m。消力池出池表流速在3.6 m/s~6.2 m/s范围内,底流速在9.0 m/s~11.6 m/s范围内。
3.2.8 修改方案试验小结
各修改方案组次3的试验结果对比汇总于表1。从表1各修改方案特征值的对比可见,方案四下游河道最低冲坑较浅,但是尾坎末端和消力池下游右侧导墙基础冲刷范围大,方案七消力池下游右导墙基础和消力池尾坎末端冲刷最轻,缺点是下游河道冲坑较深,但其最大冲坑位于消力池下游65 m,不会影响建筑物的安全。综合比较后,认为方案七消力池尾坎末端和下游右侧导墙基础冲刷轻,故作为试验推荐方案。
4 结论
萨拉康水电站半整体水工模型试验,对左岸泄洪闸消能工体型进行了多个方案的试验研究和分析论证,最终提出的推荐方案取消了泄洪闸10#~14#孔下游河道基岩上的护坦及海漫防护,下游河道和右侧导墙基础附近冲刷轻,较好的解决了下游的消能问题。
参考文献
[1]SL 155-95.水工(常规)模型试验规程[S].
[2]SL265-2001.水闸设计规范[S].中华人民共和国水利部,2001(2).
[3]刘锦.萨拉康水电站左岸泄洪闸半整体水工模型试验报告[R].西安:西北勘测设计研究院,2012(10).
作者简介
刘锦(1980-),女,汉族,陕西西安人,工程师,西安理工大学硕士研究生,主要从事水工模型试验工作。
关键词 泄洪闸;消力池;尾坎
中图分类号:TV653 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)17-0049-02
1 工程概况
湄公河萨拉康(Sanakham)水电站是一座以发电为主,兼有航运、过鱼等综合利用的水利工程。正常蓄水位为220 m,电站总装机容量为660 MW,平均年发电量36.967亿kW·h,年利用小时5601 h。采用12台灯泡式贯流机组,引用流量5500 m3/s。根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》,该电站为二等大(2)型工程,永久性主要水工建筑物级别为2级,次要建筑物级别为3级,临时性建筑物按4级建筑物设计。
1.1 枢纽布置
枢纽布置从左岸到右岸依次为:左岸混凝土副坝、船闸坝段、左岸泄洪闸坝段(14孔)、河床式厂房坝段(12台机组)、右岸泄洪闸坝段(5孔)、右岸混凝土副坝。左岸泄洪闸共14孔,为平底泄洪闸,闸顶高程229.5 m,总长250 m,闸室段顺水流方向长35 m,闸室段底板高程198 m,泄洪闸孔口尺寸14.2 m,中闸墩厚度3.5 m,边闸墩厚度2.85 m。10#~14#泄洪闸下游设消力池,采用底流消能,池底板顶高程为191.4 m,池长59 m,矩形断面,消力池右侧利用纵向导墙作为消力池边墙,消力池左侧设置混凝土边墙,以形成完整的消力池,池底板厚3 m。
1.2 闸门泄洪运行方式
萨拉康水电站泄洪方案:当上游来流量Q≤15000 m3/s时,通过开启10#~14#闸孔调节下泄流量;当上游来流量Q≥15000 m3/s时,左岸1#~9#泄洪闸开始参与泄洪;当上游来流量Q≥17800 m3/s(3年一遇洪峰流量)时,左右岸19孔泄洪闸全部打开,开始敞泄。
本次半整体模型试验重点研究3年一遇及其以下常遇洪水时枢纽运行方式,因此主要是通过调节左岸10#~14#泄洪闸的开启方式来调节下泄流量。本文通过半整体试验主要针对左岸10#~14#泄洪闸消力池体型进行了优化。
1.2.1 模型比尺
依据SL155-95《水工(常规)模型试验规程》,模型按重力相似准则设计,根据试验内容要求、原型水流特性、几何尺寸并结合试验场地及仪器设备等条件,确定模型几何比尺为λL=65,则相应的其它水力要素比尺为:流量比尺λQ=λL2.5=34063.04,压力比尺λp=λL=65,时间比尺λt=λL0.5=8.06,流速比尺:λv=λL0.5=8.06。
1.2.2 模型沙的选择
根据设计提供的地质资料,下游消能区基岩抗冲流速按3.0 m/s模拟,覆盖层抗冲流速按1 m/s模拟。因左岸泄洪闸下游消能区覆盖层已全部清除,所以试验中抗冲材料按基岩模拟。模型沙粒径根据伊兹巴什经验公式计算,基岩原型中值粒径d50=183.7 mm~360 mm,换算成模型d50=2.83 mm~5.54 mm;试验实际选取中值粒径为4.0 mm的均匀白云砂作为基岩的抗填料。
2 原方案试验
2.1 原方案消能防冲试验
为便于方案比较,试验首先按下游消力池后河道基岩不设海漫模拟。通过原方案试验观察,组次3是试验组次中冲刷效果较差的工况,因此选用组次3冲刷结果对各修改方案消能效果进行比较。
2.2 原方案存在主要问题
1)若某一孔泄洪闸相邻两孔不对称开启,受两侧不对称进流的影响闸室内会产生折冲水流直冲门槽,闸室内流态较差;
2)在组次3工况下,消力池右侧纵向导墙坝下0+140 m~坝下0+190 m范围冲刷较深,最低冲刷高程为179.0 m,较导墙基础高程186.0 m低7.0 m,可见原方案下泄水流在消力池内消能不充分,下游河道冲刷比较严重。
3 左岸泄洪闸优化试验
3.1 泄洪闸挡墙优化
从试验观察看,当某一孔泄洪闸相邻两孔同时关闭或对称局开时进流条件较好,否则闸室内产生的不对称折冲水流会冲击门槽部位,使得横向水面差较大,流态较差。
经过试验,在泄洪闸之间的某个闸墩上游加50 m挡墙,挡墙前端产生的绕流也会影响到两侧闸室的进流,使水流产生漩涡,加大闸室横向水面差。当挡墙延长到足够长后,绕流将不再影响两侧闸室进流,但是该挡墙只能改善其两侧闸孔参与开启的多孔组合工况,远离挡墙的闸室仍然存在不对称进流问题。
因此考虑到该电站泄洪闸孔数较多的实际情况,试验建议通过合理调整闸门开启方式来减小闸室不对称进流的影响。
3.2 消力池优化
3.2.1 修改方案:等间距差动坎
首先在保持原方案消力池长度和底板高程不变的情况下,将原方案尾坎由连续式改为差动式,使出池水流从坎顶和坎间分散流出,相互碰撞,减弱底部的旋滚强度,差动式尾坎和其间隔基本均匀布置。
方案一组次3的下游河道最低冲坑高程为181.2 m,位于坝下0+150 m、左75 m处,泄洪闸14#孔下游导墙0+150 m处冲刷高程为183.1 m,较原方案抬高了4.1 m;消力池尾坎后最低冲刷高程为187.4 m。
由试验结果可以看出,修改方案一下游河道的冲刷结果较原方案有所改善,但是消力池右侧导墙附近最低冲刷高程仍然低于导墙基础。
3.2.2 修改方案二:降低尾坎高程
修改方案二将差动式尾坎顶的顶高程由194.0 m降低至193.0 m,尾坎断面形式与方案一相同。修改方案二组次3下游河道冲刷地形与方案一相似,最低冲坑高程180.1 m,泄洪闸14#孔下游导墙0+150 m处冲刷高程182.0 m,与原方案相比下游河道和右导墙基础的最低冲坑均加深1.1 m,下游河道冲坑范围增大。 由上述试验结果可以看出,顶高程194.0 m的差动式尾坎消能效果优于顶高程193.0 m的尾坎,试验观察当差动式尾坎顶高程加高至194.4 m,消力池后产生二次水面跌落,下游河道冲刷结果较差,经过比较试验最终确定消力池差动式尾坎的顶高程为194.0 m。
3.2.3 修改方案三:小间距差动坎
方案三调整了差动式尾坎和间隔的布置,将每一段差动尾坎长度增加,尾坎之间的间隔距离减小。组次3:消力池下游河道最深冲坑高程为182.6 m,右侧导墙最低冲刷高程为186.2 m,高于导墙基础0.2 m,尾坎末端最低冲刷高程187.4 m,高于尾坎基础1.4 m。从试验结果来看,方案三的冲刷结果明显优于前两个方案。
3.2.4 修改方案四:小间距差动坎
修改方案四尾坎型式与布置和方案三相同,不同的是尾坎迎水面为直墙,背水面为1:1的斜面。方案四(组次3)下游河道冲刷效果较好,与方案三相比,最低冲坑高程为183.6 m,抬高了1.0 m,冲刷坑和淤积体范围缩小约50%,消力池下游纵向导墙基础最低冲刷高程基本相同,消力池差动尾坎末端冲刷明显减轻,最大冲深抬高1 m。
3.2.5 修改方案五(方案三+消力墩)
本工程属于低弗劳徳数水流消能,下游水深较大,消力池中能够形成稳定淹没水跃。为了进一步提高消能池的消能效果,加强扰动,提高效能效率。试验在消力池内设置消力墩以减轻下游河道冲刷。
在修改方案三消力池内坝下0+070 m断面布置一排消力墩,与消力池末端的差动式尾坎构成两排相间的消力墩,试验将该辅助消能工修改方案称之为修改方案五。通过试验发现,因消力池下游水位较高,池内消力墩的淹没度较大,其消能作用不明显,因此消力池下游河道最低冲坑、最大淤积体高程和方案三基本相同。
综合比较上述各方案的优缺点后得出结论:
1)消力池采用差动式尾坎可以保证水流在消力池内产生稳定水跃,下游消能防冲效果良好。另外,差动式尾坎有利于排沙。
2)消力池内增加辅助消力墩后,对下游河道的消能效果改善不明显。
3.2.6 修改方案六(方案四+贴角)
前述五个方案消力池下游纵向挡墙附近最低冲刷高程均低于或与挡墙基础高程186 m齐平,因此纵向挡墙还是存在一定安全隐患。试验在消力池出口右侧侧墙增加一顶高程203.5 m的圆弧贴角,使水流导向河道左侧以达到保护挡墙基础的目的,该方案称之为修改方案六。
方案六的消力池右侧出池水流通过贴角导向河道左侧,消力池纵向导墙基础附近冲刷明显减轻,消力池下游河道最低冲坑有所降低,但下游河道淤积体面积有所增大。
组次3:下游河道最低冲坑高程182.0 m,位于坝下0+140 m、左75 m处,消力池下游导墙坝下0+150 m处冲刷高程189.4 m,高于挡墙基础3.4 m,消力池尾坎末端最低冲刷高程为188.0 m,高于齿墙基础2 m。方案四加贴角后,下游河道最低冲刷坑略有加深,淤积体范围有所增大,但是消力池下游纵向导墙基础部位冲刷明显减轻。
在方案六消力池的末端设置20 m的铅丝笼护坦后,组次3下游河道冲刷结果与不加护坦时相比,下游河道冲坑位置和淤积体位置均下移20 m左右,最低冲坑高程和最大淤积高程基本相同。
3.2.7 修改方案七:齿形尾坎
方案六消力池下游纵向挡墙基础附近冲刷较轻,但是消力池尾坎末端仍然有一定程度的冲刷,为了进一步减轻尾坎末端冲刷,将方案六差动尾坎修改为齿形尾坎,尾坎之间间隔段为1:2.6的斜坡,称之为方案七,详细体型见图1。
从实验结果看,组次3消力池下游右侧纵向导墙基础部位冲刷情况及下游河道淤积体范围与方案六基本相同,下游河道最低冲坑高程180.0 m,较方案六降低2.0 m。但是消力池尾坎末端冲刷明显减轻,仅有尾坎右侧15 m范围有2 m~3 m的冲刷,其余局部冲刷高程均抬高1 m~2 m。消力池出池表流速在3.6 m/s~6.2 m/s范围内,底流速在9.0 m/s~11.6 m/s范围内。
3.2.8 修改方案试验小结
各修改方案组次3的试验结果对比汇总于表1。从表1各修改方案特征值的对比可见,方案四下游河道最低冲坑较浅,但是尾坎末端和消力池下游右侧导墙基础冲刷范围大,方案七消力池下游右导墙基础和消力池尾坎末端冲刷最轻,缺点是下游河道冲坑较深,但其最大冲坑位于消力池下游65 m,不会影响建筑物的安全。综合比较后,认为方案七消力池尾坎末端和下游右侧导墙基础冲刷轻,故作为试验推荐方案。
4 结论
萨拉康水电站半整体水工模型试验,对左岸泄洪闸消能工体型进行了多个方案的试验研究和分析论证,最终提出的推荐方案取消了泄洪闸10#~14#孔下游河道基岩上的护坦及海漫防护,下游河道和右侧导墙基础附近冲刷轻,较好的解决了下游的消能问题。
参考文献
[1]SL 155-95.水工(常规)模型试验规程[S].
[2]SL265-2001.水闸设计规范[S].中华人民共和国水利部,2001(2).
[3]刘锦.萨拉康水电站左岸泄洪闸半整体水工模型试验报告[R].西安:西北勘测设计研究院,2012(10).
作者简介
刘锦(1980-),女,汉族,陕西西安人,工程师,西安理工大学硕士研究生,主要从事水工模型试验工作。