高水头泄水建筑物消能方式探讨

高水头泄水建筑物消能方式探讨

1底流消力池消能高速车辆的清洗和空化侵蚀随着高洪水建筑物的安全运行而发生，这是一个不容忽视的技术问题之一。解决这一难题的方式有两种:第一种,把大部分泄洪能量集中于下游消力池或水垫塘,以底流水跃消能方式消散洪水能量,其特点是以水与水相互作用为主,完成消散能量的过程,简称集中消能方式。第二种,通过充分挖掘流道(包括闸室、溢流体、陡坡、陡槽空中运行段等)的消能潜力,消除部分或大部分泄洪能量,减轻消力池或水垫塘的消能负担,顺利完成泄洪消能任务;其特点有:水与水、水与固体边界、水与空气的相互作用,简称分散消能方式。对于集中消能方式,溢洪道的消力池以前的建筑物(如闸室、斜坡、陡槽段)的设计,通常遵循“流线型”、“光面化”准则,建筑物对水流的阻力小,被水流冲刷破坏的风险亦小,把80%～90%的泄洪能量集中到下游消力池或水垫塘。但当消力池或水垫塘不堪重负时,就可能遭受破坏,甚至为工程所不允许。当然,如果有条件把消力池或水垫塘建大些,质量做得足够坚实,在技术上仍然可行但不一定经济,要进行具体经济比较后才有明确结论。底流消能能形成完整水跃的底流,消能率为50%左右。强水跃底流消能率为70%左右,出池余能仍较大,对大流量、窄河谷,或存在地质缺陷(如下游河床允许抗冲流速低、两岸谷坡稳定性差等)或下游存在对水流冲刷反应敏感的设施、建筑物等时,为了确保工程安全,显然要付出较高的代价,需要有关人员认真思考寻找其他出路。值得注意的是,从工程实践看,混凝土衬砌的底流消力池在运行中出现不同程度的冲刷破坏实例还不少,尤其是流速高达45～50m/s以上的底流消力池,更容易出现水流冲刷破坏。如20世纪80年代建成的前苏联萨扬舒申斯克水电站混凝土重力拱坝,坝高242m,坝身泄洪流量13600m3/s,采用底流消力池消能方式。消力池长130m,海漫长110m,入池流速52m/s,1985年检查发现消力池底板有80%被破坏,部分锚杆折断,底板冲出消力池外,基岩最大冲深8m,冲走混凝土2.7万m3,基岩3000m3,三次修复,共浇混凝土9.3万m3,用钢筋314t,至今尚未找到根治措施。看来,对于实践工程尚缺对付高达45～50m/s以上高速水流冲刷的强有力的手段和切实可行的办法,来确保消力池工程安全。2分散消能法的工程实例2.1以提高航空消耗率为特征的自由下落消耗方法为例2.1.1坝身防洪工程措施(1)枢纽泄洪消能有坝身7个表孔、6个中孔和岸边2条泄洪隧洞。坝身表、中孔共用坝下水垫塘水下消能,2个泄洪洞分别有各自天然河道的水下消能区。(2)表孔、中孔出口挑坎高程差别较大,形成大差动挑坎(见图1(a)),在宣泄大洪水(校核流量23900m3/s、相应坝身流量16300m3/s,设计流量20600m3/s、相应坝身流量13200m3/s)时,表、中孔水舌撞击消能。(3)7个表孔出口高程差别中等的两组挑坎,形成中等差动挑坎(见图1(b)),利用挑坎导向作用,使水流沿水流方向分成两层水舌,两层水舌在横向互不重叠。(4)6个中孔利用孔身和挑坎(不同高程、不同挑角)导向作用,使中孔水流沿水流方向分成三层,各层水舌落水时互不重叠,挑坎亦是中等差动挑坎。(5)每个表孔设分流齿坎(相当于小差动挑坎,见图1(c))使水舌纵横扩散,增加空中消能率,增大落水面积。(6)1号泄洪隧洞出口处河床较窄,采用斜切挑坎,使水舌入水时沿水流方向,增大水舌长度,同时扩大水舌与空气接触面积,提高空中消能率。(7)2号泄洪隧洞出口处河床较宽,采用舌型挑坎,使水舌纵横扩散,增大水舌与空气接触面积,提高空中消能率。二滩的泄洪消能方式,采用以上分散措施后,提高了空中消能率,减轻了下游水下消能负担。其中坝身的泄洪水流最大理论流速从60m/s左右降至22m/s左右;水垫塘动水压力Δp<150kPa;二道坝上最大流速约11m/s。所有泄洪孔口可以单独运行,亦可任意组合运行。泄洪消能运行灵活大,整体安全度高。2.1.2坝体结构及坝体消能拉克瓦混凝土重力坝坝高192m,采用4孔17m×15m的坝身表孔溢洪道泄洪,泄洪流量8000m3/s,单宽流量158m2/s;坝下游存在较宽的板岩层带横穿河道,抗冲能力差,为避免泄洪水舌直接落在薄弱的板岩层带上,在溢流坝顶采用高挑流坎和分流戽,使泄洪水流充分扩散,充分掺气,增大水流空中消能率,减轻下游消力池消能负担和下游河床冲刷(见图2)。与光滑溢洪道相比,消力池底最大动水压力由1.7MPa降至360kPa,动床试验冲刷深度由20m降至9.6m。泄洪水舌因掺气充分,挑距大大缩短,落点未达板岩层,却距坝脚很近,某些工况下水舌还直接掉在下游坝面上,经研究认为是允许的。成功实例还有中国流溪河拱坝,白山重力拱坝坝面设高低坎挑流泄洪,提高了空中消能率,凤滩拱坝也采用了高、低坎挑流,水舌撞击消能方式,在建的溪洛渡、锦屏、小湾、拉西瓦、构皮滩等都属这类分散消能方式。南非里·洛克斯拱坝坝顶跌坎设分流墩等提高了空中消能率,减轻了下游冲刷,消能效果良好。2.2坝身溢洪道宽尾墩消能该消能方式的消能特点:主要由宽尾墩形成片状水舌落在消力池,强化了水流紊动消能,提高了消能率,减轻对下游河床冲刷,是我国首创的泄洪消能方式,在我国许多工程得到应用,如岩滩、五强溪、安康、百色等工程。其中安康混凝土重力坝,坝高128m,坝身溢洪道设5孔15m×17m宽尾墩表孔,最大单宽流量209.3m2/s,下游设消力池消能,消能效果良好。后又发展到宽尾墩+台阶坝面+消力池组合消能方式,已建的工程有水东、大朝山、索风营、思林、平班、鱼剑口等。其中大朝山采用碾压混凝土台阶坝面重力坝,坝高111m,设5孔14m×17m宽尾墩表孔,最大单宽流量193.6m2/s,下游设戽式消力池。以上工程建成后运行效果良好。宽尾墩+台阶坝面+消力池组合消能方式特点:是以宽尾墩形成片状水舌与消力池水流产生消能为主,而台阶只是对宽尾墩片状水舌的底缘发挥作用,且流程较短,所以台阶的综合消能效果不会对消能设施的总体消能效果产生明显改变。重力坝宽尾墩台阶溢流面联合消能工设计导则,已由中国水电工程顾问集团公司发布,于2007—08—01实施。2.3u2004模型计算台阶式泄槽的水流特点是台阶干扰水流运动,加强水流紊动掺气,当水流全断面掺气饱和后,形成稳定的滑行水流,水深、流速沿程不再发生变化,成为紊动明渠均匀流。利用这一特点,水头高的工程亦可运用台阶消能方式,而不受水头限制。台阶消能率一般达溢洪道总消能率的70%以上,台阶成为主要消能工,大大了减轻消力池的消能负担。台阶式泄槽+消力池组合消能方式更能适应高水头、窄河谷泄洪消能工程。现举例如下:(1)四川黑水河毛尔盖水电站,采用心墙堆石坝,坝高147m,岸边台阶式溢洪道由闸室、光滑泄槽段、台阶泄槽段、出口挑坎等组成。泄槽总体坡度为0.26,泄槽宽度由12m缩至10m,最大泄洪流量763m3/s,最大单宽流量76m2/s,泄槽出口毛水头120m。闸室长30m,光滑泄槽长9m(后40m内设掺气挑坎),台阶泄槽长416m,台阶步高2m,步长5.6m,台阶溢洪道末端流速26m/s(光滑溢洪道相应部位流速38m/s),出口水流挑距100m(光滑溢洪道水流挑距160m),河岸流速小于5m/s,减轻了水流冲刷岸坡的作用。详见图3。该溢洪道模型试验的水流流态特点显示,由于台阶泄槽上游设置掺气挑坎,使水流进入台阶泄槽就达到全断面充分掺气,形成滑行水流流态,开始成为稳定的紊动均匀流。直到台阶出口都保持水深、流速不变。水流进入各级台阶掺气明显,模型掺气浓度大于5%。台阶泄槽消能率大于总消能率的70%,消能效果良好。(2)重庆市万州鱼背山水电站,采用混凝土面板堆石坝,坝高73m,岸边台阶式溢洪道,闸室长30m,溢流前沿宽46m,设3孔12m×17m表孔,泄槽在平面上为扩散型,扩散角5°,进口宽40m,出口宽75.6m,前段为光滑泄槽长90m,底坡为0.037,后段为台阶式泄槽,长88m,底坡1∶2.5(台阶步高2m、步长5m)下接消力池长23m(见图4)。为进一步提高消能率,减轻下游河道冲刷,消力池内设置T型墩消能工。该溢洪道最大泄量3600m3/s,上、下游水位差48m。理论流速约30m/s,模型实测消力池跃首流速约20m/s,台阶泄槽末端消能率为总消能率的70%左右。消力池段消能率为总消能率的22.6%,斜坡段为总消能率的4.1%。鱼背山溢洪道1998年投入运行至今泄洪33次,最大泄流量944m3/s。现场目测台阶面完好,无破坏痕迹,但泄洪流量未达到设计流量。(3)美国上静水坝,坝高88m,溢洪道高61m,最大泄量2124m3/s,采用台阶坝面与消力池联合消能,坝面台阶消能率达70%以上;消力池长9.1m,与光滑坝面比较缩短了50%。(4)新蒙克斯维里坝为混凝土坝,坝高36.6m,设计流量6010m3/s,光滑溢洪道流速22.2m/s,台阶溢流坝面出口流速9.2m/s,消能率84%。1994年泄百年一遇洪水,单宽流量90m2/s,台阶坝面与消力池安然无恙。(5)加拿大格朗德2号枢纽,溢洪道泄流量15300m3/s,净宽122m,落差110m,采用多级跌水,依山而下,在岩石较好处不加衬砌(见图5)。台阶泄槽溢洪道有明显的减速消能效果,能节省工程投资,对高水头工程,可避免难于对付的高速水流带来的麻烦,减小泄洪消能风险,在水利水电工程有推广应用价值。2.4设置混合型加自然混凝土引流场(1)四川龚嘴水电站的混凝土重力坝坝高85m,漂木道长370m、宽9m,底坡为0.13,最大水头53m,泄流量105m3/s。为满足漂木水深要求,在流道内全程设置3个人型加糙墩,墩高0.4m,经水工模型试验成果反算糙率为0.07,为一般混凝土糙率0.014的5倍。从消能角度看,漂木道加糙物亦是一种消能工,漂木道出口理论流速约为30m/s,有加糙物后流速降至6.5m/s,消能率高于70%。漂木道出口只设小消力池,下游水位高一些时就不需要消力池。(2)鱼背山溢洪道斜坡段,做过一字型加糙(0.5m×0.5m×5m)试验,消能率比光滑斜坡增加一倍。2.5在流道内，消能工与消力池或下游地板结合的消能方法如流道内孔板消能工+消力池组合消能(我国黄河小浪底工程)、流道内竖井消能工+下游水垫组合消能等都属于这一消能方式。3分散消能