某工程泄洪消能的试验研究

陈艳 崔忠 石育铭(曾用名：石晶)

1 工程概述

布仑口水库是盖孜河中游河段的龙头水库,也是该河唯一具有多年调节性能的控制性水库。该工程是一项具有灌溉、发电、防洪和改善生态等综合利用效益的大(2)型水电站工程。水库总库容6.44亿m3,正常蓄水位3 290.00 m,正常蓄水位下库容5.267亿m3,死水位 3 283.00 m,死库容 1.94亿 m3,最大坝高35 m。其电站装机容量200 MW,保证出力 71.5 MW,多年平均有效发电量6.7亿 kW◦h。枢纽工程主要由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统和发电厂房组成。拦河坝为浇筑式沥青混凝土心墙坝。开敞式溢洪道布置在右岸,导流兼泄洪冲沙洞及发电引水洞进口布置在左岸。

2 模型简介

按重力相似准则设计模型,进行正态水工模型试验,模型比例尺采用1∶40。考虑糙率相似,溢洪道、导流兼泄洪洞用有机玻璃制作。模型模拟范围为溢洪道及导流兼泄洪冲沙洞所有部位,两条泄水道的进口附近库区定床地形,保证进口水流的相似性。为保证出口河床冲刷相似,下游消能防冲区的河道为动床模型,模型砂采用天然砂。试验条件见表1。建筑物设计洪水标准为100年一遇(P=1%,洪峰流量Q=594 m3/s),校核洪水标准为2000年一遇(P=0.05%,洪峰流量Q=1 199.03 m3/s)。

表1 库水位及泄流流量表

3 泄洪消能试验结果分析

3.1 开敞式溢洪道的泄洪消能问题

本工程开敞式溢洪道采用底流消能,溢洪道出口消力池净宽15 m,底板高程3 258.000 m,长 54.5 m,池深 5.0 m,坎顶高程3 263.000 m,边墙顶高程3 270.600 m。退水渠为梯形断面,由扭面与消力池相接,底宽15 m～20 m,退水渠长148.123 m,在渠道末端布设7 m深的齿墙。

在正常水位下溢洪道进口引渠水流比较平顺,堰流比较理想,满足设计过流能力。泄槽段、渥奇段及陡坡段内为典型的明流,流态很好,水面既平顺又稳定。消力池内水跃形态比较理想(消力池内水流流态如图1所示),消能率高,消力池足够长,无水流翻越边墙现象,边墙高度满足要求。消力池后呈现二次跌落,这是正常流态,退水渠内流态较好,满足要求。

消力池内形成了比较理想的完整水跃,消能效果较好,本模型试验对退水渠出口形态进行了优化,退水渠水流流态较好,水流进入下游河床时流速较小,下游河道冲刷轻微,不会对河床两岸形成淘刷。

3.2 导流兼泄洪冲沙洞的泄洪消能问题

本工程导流兼泄洪冲沙洞出口消能采用底流消力池消能,出口消力池长40 m,底宽10 m,底板高程3 260.0 m,池顶高程3 269.5 m,池深3.0 m。在正常水位下导流兼泄洪冲沙洞进口水流流态比较稳定,虽有漩涡出现,但没有形成漩涡漏斗,不影响正常泄流。导流兼泄洪冲沙洞进口满足设计过流能力。洞内水流为典型的有压流,流态比较稳定。工作闸门后明渠段水流流态也比较稳定,水面呈降水曲线。消力池内水跃形态很不理想(消力池内水流流态如图2所示),消力池内水跃为远驱式水跃形态,消能率较低,不能满足工程要求。因此进行了消力池结构优化试验,由于在正常水位运行工况下,导流兼泄洪冲沙洞洞内水流为有压流,水流流态比较稳定,本模型试验仅在原设计方案的基础上,对消力池的池长进行优化,即在保证消力池池深不变的情况下将消力池尾坎上移,迫使远驱水跃变为稍有淹没的水跃,提高消力池的消能效率,以满足工程需要。

1)修改方案Ⅰ是将导流兼泄洪冲沙洞消力池尾坎在高度不变的情况下向上游移15 m,即消力池池长缩短15 m,消力池池长为25 m。在正常水位运行工况时水跃跃首位于池首以上11.2 m(沿1∶6.4斜坡),水跃末端位于尾坎处。总体看来消力池长度偏短,水跃不完整,消力池内水面波动较大,消能效果不理想。

2)修改方案Ⅱ是在方案Ⅰ的基础上将消力池尾坎下移7.5 m,在原设计方案将消力池尾坎上移7.5 m,即在原设计方案的基础上将消力池池长缩短7.5 m,消力池池长为32.5 m。设计水位时,跃首有所下移,水跃较完整,跃后水流较平稳;导流洞退水渠出口左半段稍有冲刷,最大冲深2.7 m。

3)修改方案Ⅲ是将导流兼泄洪冲沙洞消力池尾坎在高度不变的情况下向上游移5 m,即消力池池长缩短5 m,消力池池长为35 m。在正常水位运行工况时水跃形态比较理想(消力池内水流流态如图3所示)。消力池内水跃完整,水流比较稳定,水面波动相对较小,消能率高。平均波动水面低于消力池边墙,但由于波动的随机性,水面不时超过边墙高度,虽然绝大部分水流落回消力池内,但也有少量水流翻出消力池,总的来看满足工程要求。

经过反复试验研究建议,将消力池池长缩短5 m,消力池池长缩短后池内形成了比较理想的完整水跃,消能效果较好,退水渠水流流态较好,水流对下游河道冲刷较轻,下游河床不会形成较严重的充坑。

4 结语

1)试验结果表明开敞式溢洪道消力池池长设计比较合理,在正常水位工况运行下,消力池内能形成稳定的水跃,消力池内水流流态比较稳定,消能效果较好,满足工程要求。2)导流兼泄洪冲沙洞消力池池长设计不合理,消力池池长偏长,经反复试验研究,建议消力池池长缩短5 m。试验结果表明消力池池长缩短5 m后,消力池内能形成稳定的水跃,消力池内水流流态比较稳定,消能效果较好,满足工程要求。

[1]水利部长江水利委员会长江科学院.泄水工程于高速水流情报网第三届全网大会论文集[C].武汉：长江科学院出版社,1990：10.

[2]新疆盖孜河布仑口——公格尔水电站工程水工模型试验报告[R].西安：水利部西北水利科学研究所,2009：12.

[3]罗 起,徐 文.梅西水库电站扩客的项目决策分析[J].山西建筑,2008,34(10)：360-361.