水库溢洪道多级消能优化研究

水库溢洪道多级消能优化研究

刘志芳

(山西省禹门口水利工程管理局，山西 太原030002)

【摘要】水电站多具有长泄水道、大落差发电特点，对于这类电站单级消能工已经不能满足安全和经济要求，因此，宜采用多级消能。本以大河边水库为研究对象，针对溢洪道原设计方案中的不利水力现象进行了方案修改，取得了良好效果。

【关键词】大河边水库；溢洪道；多级消能；优化

中图分类号：TV651.1

Research on reservoir spillway multistage energy dissipation optimization

LIU Zhifang

(ShanxiYumenkouWaterConservancyProjectAdministration,Taiyuan030002,China)

Abstract:Hydropower station is mostly characterized by long sluiceway and big drop power generation. Single-stage energy dissipation work of the power station can not meet requirement on safety and economy. Therefore, multi-stage energy dissipation can be suitably adopted. In the paper, Dahebian Reservoir is adopted as a research object, plan is modified aiming at adverse hydraulic phenomenon in original design plan of spillway with excellent effect.

Key words: Dahebian Reservoir; spillway; multi-stage energy dissipation; optimization

1工程概况

大河边水库位于云南省禄劝县马鹿塘乡境内，主要建筑物包括大坝、输水隧洞和溢洪道，坝顶高程2585.00m，最大坝高52m，坝顶宽6m，坝顶长191.79m。为Ⅳ等工程，主要水工建筑物级别为4级，次要水工建筑物级别为5级，总库容784.61万m3。

溢洪道位于大坝右岸，设计为无闸开敞式岸边溢洪道，消能防冲设计为20年一遇洪水标准，洪水泄量为28.47m3/s。溢洪道消能工设计为三级消能，总长347.12m，落差51.51m。溢洪道进口断面宽度10.10m，控制段(桩号溢0+000.00～溢0+012.00)堰顶高程为2581.13m 。

2原消能方案存在的问题

2.1原消能方案简介

第一级消能(桩号溢0+012.000～溢0+104.200)由渐变段和泄槽段组成。渐变段宽度由10m渐变为5m，泄槽段采用阶梯形加糙消能段之后接底流消力池。第一级消能全长92.20m，高差24.70m，平均坡角15°。

第二级消能(桩号泄0+010.000～泄0+148.620)由收缩段和泄槽段组成，泄槽段由双人字形加糙消能段结合底流消能段组成，长138.61m，高差12.5m，平均坡角5°；第一级消能与第二级消能之间转弯段长22.16m，平底，转角为119°18′7″。

第三级消能(桩号泄0+178.403～泄0+230.748)，由交错形加糙消能段和底流消能段组成，长52.35m，高差13.29m；第二级消能与第三级消能之间由反弧转弯段连接，长21.203m，坡角60°，转弧半径30m，转角139°30′16″。

溢洪道整体布置平面图见图1。

图1　大河边水库溢洪道平面图

2.2模型试验方案

2.2.1模型试验控制范围

为最大限度模拟泄洪道的实际水力状态，模型试验以坝轴线为起点，上游制作长度100m，下游由溢洪道末端向下延伸150m。结合实际校核水位，上游地形高程设定为2590.00m，下游设定为2540.00m[1]。

2.2.2模拟实验工况设定

模拟试验按表1所列三个工况进行。

表1　模拟实验主要工况

2.3原消能方案存在的问题

三种工况下的模拟试验结果显示，对整个溢洪道进行多级消能，基本能够完成泄洪消能要求，各工况下不存在高速水流现象，因此，发生空蚀、磨蚀及建筑物振动等不利影响的可能性不大，但在个别工况和一些特殊位置仍然表现出一些不利现象，主要是工况3下的交错加糙段，在流量较小情况下，会形成局部空腔，并产生较大负压，容易产生空蚀破坏，其原因是加糙段与水流方向垂直，并且高度较大[2]；其次是在泄洪道进口段，在工况2水位条件下，水位已经越过导流墙顶部并横向进入溢洪道，出现脱壁绕流问题；一、二级间的弯道过渡段转弯幅度较大，在大流量状态下，右边墙有少量溢水，并导致第二级水面摆动幅度增大，二、三级连接段也存在类似问题；交错加糙段起到了良好的阻水消能效果，但是掺气过度使水深增加，并导致水流从边墙溢出。

3消能方案优化

3.1溢洪道体型修改方案

针对原方案不足之处，提出两点修改建议：首先，将溢洪道进口段导流墙顶高程改为2585.00m(见图2)；其次，取消溢洪道加糙段底板加糙条，以改善下泄水流的流态。

图2　溢洪道进口导流墙修改示意图

3.1.1优势

泄洪道进口段修改方案实施后，高水位进口流态明显改善，过流能力略微增加，但与原方案相差不大；模拟试验结果显示，各个测压孔压力值总体有所减小，最重要的是负压消失，原因是去掉底板加糙条后，下泄水流流态有明显改善，下泄流速增大，压能相应减小，由加糙条造成的漩涡区消失，因此负压不复存在。

3.1.2不足

由于取消了泄流槽底板的加糙条，在改变流态的同时，水流速度明显增加。流速增加的负面效应就是溢洪道末端消力池内难以形成水跃，并且在消力池末端以后形成了典型的挑流流态，挑距与水舌高度比原方案有明显增加。试验结果显示：在所有三种工况下，消力池均失去其基本的消能作用。很明显这一现象是由于消力池长度和深度不够造成的。但是要实现消力池内的底流消能，消力池的长度和深度需要大幅度增加，例如：在工况2的条件下，要实现底流消能必须将消力池深度由现在的1.20m增加到4m以上，显然在经济上是不可取的[3]。

3.2进一步优化

3.2.1优化措施

针对原修改方案存在的消力池失效问题，拟将溢洪道出口消力池由底流消能改为挑流消能。根据消力池周边地形及下游河道状况，经过优化比对，决定挑流方案中的挑流鼻坎末端高程为2532.30m，桩号为0+222.590，比原方案消力池末端向上游移动约8.16m，挑流鼻坎的挑角设计为25°，其具体设计体型如图3所示。

图3　挑流鼻坎设计体型示意图

3.2.2模拟试验结果及分析

3.2.2.1动水压力分析

经过模拟试验对不同工况下的时均动水压力值进行测量，结果显示，各工况下各个测压孔均无负压值出现，压力值均符合设计要求。

3.2.2.2溢洪道流速、流态及水面线分析

由于此次修改措施只影响溢洪道下游的水流态势，因此，在模拟试验过程中只对泄0+178.042向下游进行测量，实测结果显示各工况水流下泄平稳，流态良好。部分流速值见表2。

表2　部分位置底部流速实测值　单位： m 3/s

取消加糙条后流速会增加，是否会产生空化对过流壁造成危害，需要进行分析计算 [4]。根据模拟试验数据，利用水流空化数计算公式，计算出各个测量断面的空化数(见表3)，计算结果显示水流空化数都远大于0.30，因此，溢洪道过流壁不会因为水流空化遭到空蚀破坏。

试验结果显示：挑流消能工运行良好，达到了预期消能效果(水舌的最大挑距和最小挑距及最高点距鼻坎的距离见表4)，从水舌挑流形态来看鼻坎挑流顺畅，水舌形态良好。

表4　各工况挑流水舌形态特征值　单位： m

3.2.2.3下游河道流速及流态

各工况下，下游河道各测速点实测流速值见表5。从中可知，各工况下岸边流速都在4m/s以下，其中，工况2下不超过3m/s。下泄设计流量以下时，下游河道流态良好。在工况1和工况3下，在泄0+253.297断面左岸附近有回流，但是回流流速不超过4m/s，不会对下游河道流态造成负面影响。

表5　不同工况各流速测点及实测流速值　单位： m 3/s

3.2.2.4下游河道冲淤

在模拟试验中，各工况下水流对河道的冲刷时间均保证在5h以上，以便使河道冲淤达到形态不再变化的平衡状态[5]，并将测得的各特征值列于表6。由试验数据可以看出，各工况冲坑底到挑流鼻坎的距离在22～34m之间，并且坡度很缓，不会危及溢洪道安全。

表6　各工况冲淤特征值　单位： m

4结语

通过加高导流墙可以有效解决高水位状态下，溢洪道进口导流墙脱壁绕流现象；交错形加糙段加糙条阻水作用明显，拆除后流速有所加大，但不存在超过20m/s的高速水流现象，并且水流流态明显改善；原方案各工况下，溢洪道末端消力池内不能形成底流消能流态，将底流消能改为挑流消能后，消能效果良好，下游流速较小，回流流速都在4m/s以内，不会对岸坡造成明显冲刷，满足出口水流衔接要求。

参考文献

[1]董玉莲，刘亚坤，孙洪亮，等.弯曲溢洪道多级跌水与底流复合消能研究[J].水利与建筑工程学报，2013(5):1-4，9.

[2]王均星，邹鹏飞，黄先敏.溢洪道弯道前陡槽内水流的消能研究[J].水力发电学报，2004(3):98-101，120.

[3]潘辉.溢洪道多级跌水消能探析[J].水利技术监督，2010(4):27-29.

[4]何占斌，郑春城.弯曲溢洪道综合消能的试验研究[J].中国水运，2012(3):107，109.

[5]杨磊，徐宏亮，唐培磊，等.许家崖水库溢洪道消能防冲方案模型试验研究[J].水力发电学报，2014(6):149-154.