廖坊水利枢纽工程防洪评价及消能方案选择

廖坊水利枢纽工程防洪评价及消能方案选择

1工程特点及水利工程廖福节水项目位于江西省东南部福河上游，临川市鹏田市廖福村。工程主要任务是防洪、灌溉、发电、航运。电站装机容量49.5MW;水库正常蓄水位65.0m,死水位61.0m,防洪限制水位61.0m,防洪高水位67.94m,相应的防洪库容3.1×108m3、调节库容1.14×108m3。枢纽布置顺坝轴线从左至右建筑物为:左岸挡水坝段过船设施、表孔溢流坝段、底孔溢流坝段、厂房坝段、右岸挡水坝段。大坝全长303m,坝顶高程70.5m,最大坝高39.5m,溢流坝位于河床中部,分表孔和底孔,表孔溢流坝堰顶高程54.5m,孔口宽12m,共7孔,采用WES实用堰,曲线方程X1.85=16.532Y;采用弧形闸门挡水,弧形闸门尺寸为12m×12m(宽×高),底孔溢流坝堰顶高程52.0m,共3孔,设弧形闸门与混凝土胸墙联合挡水,孔口尺寸为12m×9m(宽×高),胸墙底部高程为61.0m,枢纽平面布置见图1,工程的主要水位和流量列入表1。2溢流坝泄流能力(1)通过整体模型试验优化枢纽的布置。(2)验证溢流坝的泄流能力。(3)通过模型试验选择消能方案,使之有良好的水流流态和下游消能效果。3尾坎和海飘带尾坎的海飘式挡墙消力池设计方案原设计消能方案的消力池长65m,尾坎高2.4m,尾坎后海漫是从尾坎顶用30m长干砌块石与下游地形反坡相接,原设计方案消力池剖面图见图2。3.1流量传输能力从试验来看,各种频率的洪水在所控制的上游水位下,皆能下泄要求的洪水流量。3.2截流回输海飘,压流高,地积极试验共进行了5种频率(P=0.1%,1%,2%,10%,小流量Q=800m3/s)的下游流速分布测试。从测试结果来看,下泄十年一遇以上洪水时消力池中Vmin>9m/s,校核试验情况下池中Vmax可达近13m/s。水流到达海漫以后,底流流速略小于面流流速,在设计和校核情况下,海漫后底部流速分别达到7m/s和5.36m/s,大于设计单位提出的下游允许抗冲流速5m/s。小流量情况下(Q=800m3/s),池中流速Vmax<3.5m/s,出池后底流流速Vmax<2.3m/s。本工程溢流堰属低堰,跃首佛汝得数在2~5之间,流量越大,佛汝德数越小。下泄10年一遇以上洪水时,消力池中的水跃淹没度在1.0~1.1之间,形成轻度淹没水跃,水跃在池中漩滚、翻腾较剧烈,掺气充分。水跃主要发生在消力池的前半段,后半段水流较前半段平缓许多。水体主流冲出尾坎,经30m长的海漫调整后,主流下潜,造成下游海漫后底部流速较大,海漫后冲刷厉害,海漫的安全受到威胁。3.3下泄小流量从流速分布及流态情况可知,本工程消能主要问题是大流量(Q>4000m3/s)的情况下的消能,对于下泄小流量情况时(800m3/s以下),由于单宽流量较小,下游水深相对较大,对水流的约束较好,因此池后流速较小。大流量情况下,消力池偏长,尾坎偏低,尾坎对入池底部的阻击效果不强。部分主流直接越过尾坎,海漫反坡坡度过大,导致出池主流下潜,作用于底部而形成回复底流,加剧下游的冲刷。4消能计算工程消能方案根据原设计方案的流态、流速分布特点可知:平底消力池池底高程43.6m,水跃形成淹没度为1.0~1.1的水跃,说明水跃第二共轭水深较适合,池底板高程选择合理。本工程消能应解决的主要问题是:①池后主流下潜问题,尽可能让出池水流形成面、戽流流态。②从工程量方面出发,尽可能缩短池长,用较省的工程量达到较佳的消能效果。由于下泄十年一遇以上洪水时,池中流速皆有10m/s,其Fr=3.4左右,因此选择以T型墩为辅助消能工的消力池是一种比较好的消能形式。5t节点的流量特征和消能特征5.1t型墩消力池的流态T型消力墩是一种底流冲击式消能工,具有面、戽流的水流特点。它是利用水流对消力墩和尾坎的冲击产生附加漩滚和剪切面,使水流在弯曲的通道中相互碰撞,形成强迫水跃,部分水流则被尾坎挑向水流的表面,并以二级水跃与尾水衔接。T型墩消力池的流态随着下游水位的变化而变化。尾水位由低到高变化,池内的流态则由射流→淹没混合流动(稳定戽流)→淹没面流(淹没戽流)→回复底流这样的变化过程。5.2冲击式消力池消能的相互作用T型墩消力池的消能作用主要有:①水流与墩或坎的直接碰撞;②水流与固体边界的摩擦作用;③墩将水流分成若干束水体,以及这些水体之间的相互作用。对于冲击式消力池所产生的紊动流的消能来说,大部分能量的消耗集中在靠近固体边界的窄小范围内。T型墩消力池属池内设坎与墩的冲击式消力池,消力墩的体形成T形,增加了掺入能量消耗的固壁区域,入池急流因受到T形墩的阻隔而被分割成若干股水流,有的水流与T型墩碰撞,另一些水流则与尾坎碰撞,水舌分离则会导致高速的底部流速朝水流的表面偏转变得较为平缓。因此T型墩的水流在水跃尾部与尾水衔接无尖峰。6t型墩的设计由于池内设置T型墩,使池内在尾墩前产生一强迫水跃,故使水跃长度减小,所以消力池的长度也大大缩短,通过反复试验,调整消力池的长度,根据对水流流态的观测,最后选定消力池长为25m,T型墩的体形选用现在广为运用的湖南省水利设计院推荐的体形,即前墩厚:前墩高:前墩宽(与净间距相等):支腿长=2∶3∶4∶6。对几种不同大小的T型墩消力池进行试验比较,见图3。7t类型码头消能效果T型墩的消能效果可用试验中所获得的流态、水面线、池后流速分布情况来说明。7.1比较方案二:t型墩+尾坎比较方案一,在下泄十年一遇以上流量时,池中水流翻滚、掺气剧烈,底部主流撞击消力墩后抬头向上,一部分主流以45°角冲击尾坎,形成射流,坎上水面形成尖峰,下游波动较大。强迫水跃形成不够充分,T型墩尺寸偏小,对水流的阻击、约束作用不够;比较方案二,将比较方案一的T型墩高加至3m,尾坎相应提高至4m后,水流在池中翻滚剧烈、掺气充分,水流在尾坎处经T型墩阻挡、调整后与坎后水体平缓相接,坎上水面平缓无尖峰;比较方案三,将比较方案二的尾坎高度抬高至4.5m,其流态类同于比较方案二,但效果更优于比较方案二,主要是加强了尾坎的阻击作用,使各股水流掺混得更充分,坎上水流更平缓。7.2尾坎群直流+射流方案比选原方案和比较方案一由于T型墩和尾坎都偏低,主流直接冲出尾坎,水流在坎后形成回复底流和射流,比较方案二和比较方案三的T型墩阻击效果好,坎上水流平缓,无尖峰发生。形成稳定的戽流流态,但下游波动较大。7.3t型墩内流态变化将P=2%,1%,0.1%几种频率情况在几种消能方案下的流速分布情况列于表2。从表2中可看,比较方案三(推荐方案)在缩短原方案池长40m的前提下,由于T型墩的阻挡、调整作用,可形成稳定的面流、戽流流态。池后主流明显位于面部,底部流速较其它几种方案有明显的降低。8t型墩参数的确定(1)T型墩消力池是一种冲击式消力池,要充分发挥T型墩的消能作用,池中水流流速不能太低。从试验中也可看出,在下泄Q=800m3/s的小流量情况下,池中流速仅有6m/s左右,T型墩的作用不明显,而下泄十年一遇以上洪水时,池中流速大于9.5m/s,下泄校核流量时池中流速可达13m/s,T型墩对水流的阻击、掺混效果较好。因此采用T型墩消力池型式应满足池中流速达到一定值,最好有10m/s以上。(2)T型墩尺寸的选择。从试验中可看出,T型墩尺寸太小体现不出T型墩消能优点。在初步选定T型墩尺寸时可根据阻力系数来确定,阻力系数是T型墩前墩高e与收缩水深h1之比,即β=e/h1。与跃前佛汝前得数Fr、实际尾水水深h2以及墩块所处的位置X等有关,吉林省水利科学研究所李中枢等在“T型墩消力池的试验概况及消能分析”一文中统计7个T型墩消力池试验成果得出以下经验关系:β=e/h1=0.25Fr-0.1从我们的试验来看,在校核情况下,h1=5.8m,Fr=2.4,用经验公式可得β=0.5。T型墩高e=2.9m,与我们试验采用墩高3m较为吻合。因此我们认为上面经验公式可供初选T型墩尺寸时参考。(3)T型墩消力池长的选择。由于池内设置T型消力墩,使池内在尾墩前产生一强迫水跃,故使水跃长度减小,所以消力池长度也大为缩短,一般可较矩形平底消力池缩短1/3~1/2,廖坊水利枢纽工程通过试验,采用25m长的T