水布垭枢纽泄洪消能防冲试验研究

收稿日期:2001205211作者简介:黄国兵(19632),男,湖北天门人,长江科学院水工研究所高级工程师,硕士,主要从事水力学计算及水工水力学研究. 文章编号:100125485(2001)0520003204水布垭枢纽泄洪消能防冲试验研究黄国兵,陈　俊,高仪生,薛阿强(长江科学院水工研究所,湖北武汉　430010)摘要:针对水布垭枢纽泄洪消能特点及可行性研究报告审查意见,对溢洪道泄洪消能方式、泄流能力、消能区防护方案及电站尾水两种出口形式等进行了水工模型试验研究,提出了与之相适应的新颖的窄缝消能工组合形式,较好地解决了该工程具有的大流量、窄河谷、高落差及下游地质环境差的泄洪消能防冲难题。

关　键　词:泄洪消能;窄缝消能工;水垫塘;防淘墙;电站尾水出口中图分类号:TV653 文献标识码:A图1　水布垭枢纽平面布置图Fig.1　Layout plan ofShuibuyaProject 水布垭枢纽泄洪建筑物为岸边溢洪道,具有大流量、窄河谷、高落差的泄洪消能特点,溢洪道校核泄量18280m 3/s ,泄洪落差171m ,泄洪功率达3.1万MW 。

消能区河床宽度80～100m ,地层岩性软弱,抗冲能力差,其左岸有大岩淌滑坡,右岸有马崖高陡边坡和马崖湾滑坡等不利的地质环境因素,加之导流洞出口及地下电站尾水出口均位于消能区附近,给泄洪消能防冲带来了较大难度。

在可行性研究阶段,研究了多种泄洪布置和消能方式[1,2],如底流消能、逆坡底流接挑流二级消能、台阶式泄槽接大差动挑流消能等。

综合分析比较后选定了分区陡槽一级窄缝式挑流消能方案作为可行性研究报告的推荐方案并通过了评审。

由于溢洪道在枢纽布置中占有极其重要的地位且消能防冲问题复杂,一些专家对下游防护仍十分担心,要求继续深入研究消能布置以进一步减轻下游河床冲刷深度,确保两岸岸坡及滑坡体的稳定安全。

因此,围绕下游防护方案、电站尾水出口布置方案、溢洪道引渠及溢流孔口尺寸调整后的水流特性及泄洪能力等重要水力学问题,在两座1∶100水工整体模型上进行了试验研究。

综合比较后提出了符合水布垭溢洪道特点的新颖的消能工布置形式及防护方式,即5孔5区泄槽———窄缝鼻坎阶梯式出口消能工———两岸防淘墙方式,较好地解决了水布垭枢纽泄洪消能问题。

1　溢洪道布置及泄流能力1.1　溢洪道布置溢洪道由引水渠、控制段、泄槽段、下游消能防冲设施组成(见图1)。

引水渠长约896m ,断面为梯形复式断面,底高程350m ,底宽96.0m ;控制段设5个孔口尺寸为14.0m ×21.5m 的表孔,堰顶高程378.5m ;对泄槽比较了5孔3区和5孔5区,对窄缝鼻坎收缩比比较了0.20～0.40的不同形式;对下游防冲措施比较了防淘墙方案与护底水垫塘方案;对防淘墙方案的电站尾水出口布置比较了位于水舌落水区下游的“直尾水”方案与位于弯道内的“弯尾水”方案。

1.2　泄流能力正常运用工况,引渠水深均在47m 以上,渠道流速较小,测点垂线平均流速在1.7～3.0m/s 间。

第18卷第5期长　江　科　学　院　院　报Vol.18No.52001年10月Journal of Yangtze River Scientific R esearch Institute Oct.2001库水位与闸前断面最大水位差为0.56m ,弯道中心断面凹岸与凸岸的最大横向水位差为0.29m ,进流较为平稳。

枢纽设计泄量16300m 3/s 时,库水位为402.28m ;枢纽校核流量18280m 3/s ,对应的库水位为403.97m ,满足设计泄洪能力要求。

引水渠除作为正常泄洪运行的泄洪渠道外,还兼作提前发电期大坝施工渡汛的泄洪渠道。

对渡汛期未完建溢流堰堰顶高程比较了350m 和352m 。

试验资料表明:当堰顶高程由350m 抬高至352m 后,引水渠流速由8.0～9.0m/s 降至7m/s 左右,能满足茅口组灰岩不冲流速的要求;施工渡汛设计泄量12000m 3/s 时,库水位从370.10m 增高至371.93m ,但仍低于377m 大坝临时断面坝顶设计高程近5m ,可以满足大坝渡汛挡水要求;此外,由于溢流堰顶高程352m 比引渠底高程350m 高2m ,还可起到阻拦砂石进入泄槽的作用,因此,临时渡汛堰顶高程352m 较合适。

2　消能区防护方案比较2.1　水垫塘方案2.1.1　水垫塘布置形式根据以往试验成果及消能区基岩条件,水垫塘长度定为200m ,断面为不规则的复式断面,底宽80m ,底高程178.0m ,底板厚度3.0m ,水垫塘两侧边坡为1∶0.5～1∶1.0,护坡顶高程230.0m 。

二道坝顶高程200.0m ,顶宽3.0m ,上游坝坡1∶0.7,下游直立,二道坝后设20m 长的防冲板,底高程为178.0m ,为透水式结构,见图2。

电站尾水出口在二道坝下游右侧(直尾水)。

水垫塘单位水体承受的最大泄洪功率为0.022MW/m 3,略小于隔河岩工程0.025MW/m 3的最大泄洪功率。

图2　水垫塘平面布置示意图Fig.2　Sketch of layout plan of plunge pool2.1.2　研究成果及分析由于地形、地质条件及电站尾水出口的限制,水垫塘尺寸调整的余地不大,模型上主要对泄洪消能工布置进行了修改。

原设计泄槽为5孔3区,窄缝收缩比β=0.25,挑角α均为-20°,后经多次修改试验,以β=0.40,挑角α=-21°的布置形式的综合水力参数较优,见表1。

表1　两种消能工布置水力参数比较Table 1　Comparison of hydraulic parameters of two kindsof energy dissipator schemesm消能工布置形式P min -H 下P max -H 下水舌内缘水舌外缘水舌长度最深冲坑高程原设计方案-16.6-8.558228170180.6修改方案-13.8-0.166170104181.1注:表1中,消能防冲设计流量为11940m 3/s ;P max ,P min 分别表示水垫塘底板最大、最小时均压力高程;H 下为下游水位。

原设计由于窄缝鼻坎收缩比比较小,水舌挑距远,水舌外缘距二道坝较近,水舌落水滚浪越过二道坝,致使电站尾水出口水面波浪较大。

从水垫塘底板时均压力分布特性看,时均压力高程均低于下游水位且差值较大,对底板稳定不利。

修改方案将窄缝收缩比从0.25改为0.40后,水舌入水长度从原设计的170m 减小到104m ,从而增加了水舌外缘与二道坝之间的距离,使能量尽可能在水垫塘内消耗。

水垫塘底板时均压力在塘上游1/3塘长度范围内为相对低压区,向下游方向压力逐渐升高,至二道坝附近水垫塘底板压力高程与下游水位之差(P max -H 下)基本消除,二道坝下游的流速和冲刷均得到一定程度的均化,电站尾水出口处波浪也明显减小,设计泄量下最大浪高小于4m 。

此外,在水垫塘底板及侧墙关键部位进行了脉动压力观测。

塘底板测点脉动压力最大标准差σmax =3.1×9.81kPa ,主频范围f =4～12Hz ;侧墙测点脉动压力最大标准差σmax =3.4×9.81kPa ,主频范围6～15Hz 。

由于原设计水垫塘右侧墙顶高程只有200m ,弯道至下坝趾区域回流强度较大,该区域的动床砂在各级泄量下均被带入水垫塘中,可能磨损底板,后将右侧墙顶高程抬高至220m 后,回流基本消失。

经优化后的水垫塘方案消能较充分,水垫塘底板水舌落水区无明显压力峰值,与下游水流衔接较好,下游河床冲刷轻微,是一个可行的布置方案。

2.2　防淘墙方案该方案河床底部不护,只在冲刷坑左右侧和导流洞消力池末端设置垂直混凝土墙———防淘墙,防4长江科学院院报2001年止泄洪高速水流淘刷两岸山体坡脚及导流洞出口护坦板基础,保护边坡稳定及建筑物的安全。

2.2.1　布置形式泄槽采用5孔5区,窄缝收缩比β均为0.25,挑角α均为-10°,鼻坎桩号0+296.0m,鼻坎高程251.70m。

防淘墙的深度根据水工模型试验成果并综合地质条件而确定,一般要求防淘墙深入冲坑以下10m 左右,在地质构造带则适当加深。

设计最大墙深40 m,墙底最低高程160m,墙顶高程200.0m,墙厚3.0m,高程200m以上为混凝土护坡。

除河床两侧设防淘墙外,由于导流洞出口消力池护坦及尾槛在导流结束后予以保留,成为消能防冲设施的一部分,在尾槛下部横向亦设防淘墙,整个防淘墙布置在平面上呈半封闭的“匚”形。

2.2.2　主要研究成果采用窄缝式鼻坎挑流消能,5孔水舌沿纵向拉开,跌落在河床中,与原河道主河槽重合性较好,主流归槽。

设计条件下,水舌内缘距鼻坎110m,外缘距鼻坎250m,入水宽度约80m,左侧凹岸及右侧弯道均产生回流,最大回流流速分别为7.6m/s和8.8 m/s。

由于挑流水舌沿纵、竖向扩散,大大减小了最大单位面积入水能量,下游河床冲刷较浅,各级泄量下,最深冲坑高程均在172m以上,满足采用防淘墙防护形式的设计要求。

2.3　两种防护形式水力学指标比较(1)下游冲刷:防淘墙方案经优化(电站直尾水,以下同),各级泄量下冲坑高程均在175m以上,冲坑部位在鼻坎下游300m左右,水垫塘方案经水垫塘消能后,下游河床冲坑高程在181m以上,且冲坑范围小,下游淤积轻微。

(2)电站尾水波浪:溢洪道下泄流量10800 m3/s时(电站发电的最大下泄量),防淘墙方案尾水出口水面波浪约3.9m,水垫塘方案为2.9m,水垫塘方案波浪较小。

(3)冲淤地形对发电水头影响:防淘墙方案在冲淤地形下,损失的发电水头为3.9m,水垫塘方案仅0.3m,水垫塘方案对发电水头影响较小。

经对比发现,水垫塘方案水力学指标优于防淘墙方案。

由于采用了与之相适应的窄缝收缩式消能工布置形式,两种防护形式的水力学指标均达到了设计要求。

考虑到水垫塘方案施工工期安排困难、工程量大等,综合比较后推荐防淘墙方案为水布垭枢纽下游防护形式并经审查通过。

3　电站尾水出口方案比较3.1　尾水布置及水流特点为保证电站正常运行及发电,必须尽量减小尾水波浪,并保证尾水渠底板不出现淤积,比较了直尾水与弯尾水两种方案。

直尾水方案尾水洞从马崖高边坡正向坡坡脚出口,尾水位于挑流水舌落水区下游,距离水舌外缘入水点较近,尾水波浪较大,且尾水渠底板位于冲坑下游的淤积敏感部位。

弯尾水方案尾水洞出口设在大坝下游河段的末端右侧弯道区域,该处为强回流区,必须寻找破回流的工程措施,并尽量减少淤积地形引起的发电水头损失。

3.2　直尾水方案研究成果试验发现,若5孔鼻坎位于同一桩号(0+296.0 m)时,除电站尾水波浪较大外,在某些试验工况下尾水渠底板上出现不同程度的砂石淤积。