红石水电站消能方式改变对电站运行的影响

梁 琼 ，王 千 ，荆 凯

（1.辽宁省电力有限公司本溪供电公司，辽宁本溪117000；2.东北电力科学研究院有限公司，辽宁沈阳110006）

低水头水工建筑物一般位于河流中下游流域处地势较为平缓的地区，此类水利工程特点是水头较低、下游水位变动较大，消能不稳定，对河床冲刷严重[1]。在实际工程中，往往由于消能问题不能够得到很好的解决，下泄水流具有较大的动能，导致河床形成冲坑，岸坡冲毁，在下游水位降低的条件下，进一步恶化了消能防冲的水力条件，对水工建筑物的安全威胁增大，因此有效的解决低水头当今水利界人士广为关注的问题之一[1～3]。

1 概况

红石水电站位于吉林省桦甸市，是第二松花江上白山与丰满间的梯级电站。上游距白山水电站39.00 km，下游距丰满水电站210.00 km。红石水电站为河床式径流电站，水库系日调节水库。

枢纽建筑物由左、右岸挡水坝、溢流坝、河床式电站厂房、开关站等组成。大坝为混凝土重力坝，坝长438.00 m，最大坝高46.00 m，坝顶高程298.00 m。

溢流坝布置在右岸主河床上，长128.00 m，共8孔，每孔净宽12.00 m，堰顶高程为280.00 m，堰型为WES实用堰；溢流坝为平底消力戽的消能型式，挑角300，戽底高程为257.00 m，挑坎高程260.20 m，消力戽长13.87 m。1987年红石发电厂竣工后，纵向混凝土围堰没有拆除，该围堰将8孔泄水闸分成左3孔和右5孔两个消能区域。左侧溢流坝宽度为44.00 m，右侧溢流坝宽度为76.00 m。工程为Ⅱ级建筑物，按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。

2 消力戽消能引起的破坏状况及原因分析

2.1 破坏状况

红石大坝原泄洪消能设施经过20余年的运行和8次泄洪冲刷，对消力戽及混凝土纵向围堰造成了较大破坏，泄流时对下游冲刷和淤积都很严重。

经过水下地形检查探明：消力戽挑坎混凝土破坏是结构破坏，已影响泄洪时消能效果，泄洪时流态紊乱，对挑坎后已有冲刷坑的冲刷进一步加剧，影响到大坝基础尾部岩体的稳定。1996年对大坝第一次定检时，发现消力戽的下游形成了较大的冲坑，最大冲坑深度3 m。此后的运行过程中，冲坑深度逐渐发展，2005年5月大坝第二次定检时检测到纵向围堰右侧在坝轴线下60 m处基础已被淘空一半以上，围堰左侧在坝轴线下58 m处基础已被淘空三分之一。混凝土纵向围堰处存在严重的不稳定状态，随时有倒塌的可能。

下游河道由于放流冲刷，使河道局部堆积大量砂石，下游水位抬高，影响发电效益。1995年8月大水后，实测发现，下游砂洲有较大变化，在大坝下游0+250～0+500之间有两个砂洲，一个靠近右岸，高程为264.47 m，面积5500 m2，另一个位于河道中央，高程264.68 m，面积7000 m2，严重影响尾水过流能力。

2.2 破坏原因分析

红石水利枢纽初设和试验都开展在70年代，当时把设计与试验的重点都放在宣泄大流量洪水对坝体安全运行的影响上，以溢流坝施放设计、校核频率洪水的流量，作为选择和衡量消能措施的首要条件。而实际运行中，中、小流量频繁宣泄与设计建议的调度方式有着较大的差异。模型试验局限在恒定流的前提下开展，而溢流坝泄流过程是非恒定状态下进行，下游水位在泄流的初始和持续一段时间之后是有差别的，在流量1000 m3/s左右的水位差可达4.5 m，所以溢流坝宣泄小流量洪水时，下游水位起初不足以形成戽流流态，为水流出鼻坎后形成挑流，这也是导致坎下冲刷加大的主要原因。

在1980年的水工整体模型试验中，纵向混凝土围堰不存在，而实际情况纵向混凝土围堰没有拆除，出戽斗水流不能有效扩散，从而造成坝下河道冲刷加深。

从1986年到2005年的消力戽下游的地形变化来看，原体实际冲刷较严重，大于1980年模型试验结果（对于4500 m3/s流量，1980年试验冲深2 m；对于3960 m3/s流量，原体实际冲深3 m，1997年以后，冲坑又逐渐加深3 m，其中最大泄流为2001年8月7日，放流2927 m3/s），初步分析是由大坝下游水位在建坝后降低所致。下游河道尾水下降是由于消力戽下游河道的自然下切以及人为因素如采沙等原因造成。

3 消能工改造结构设计

3.1 水工整体模型试验成果

根据2007年3月《红石水电站水工整体模型试验报告》中试验结果，消能工采用在原戽流消能的基础上，改为底流消能的消能形式，即将消力戽鼻坎拆除，戽底长度加长变为消力池一级池池底，并在一级池末端设连续坎，其下游增设二级池的消能布置[1]。

3.2 消能工改造结构设计布置

依据水工模型试验，底流消能的消能工结构为二级消力池结构，下游以护坦与尾水渠相连。

1）一级池。根据水工整体模型试验，消力戽戽坎需拆除，消力戽戽坎拆除与戽斗底平段相同高程后再向下凿除0.50 m，新浇筑混凝土至257.00 m高程。为保证新浇筑的混凝土与老混凝土结合牢固，在混凝土结合面涂刷混凝土界面剂；并在浇筑面范围布置直径28 mm锚筋，锚筋深入岩石4.0 m，间排距1.5 m。

消力戽挑坎基础齿槽混凝土从高程260.20 m至253.00 m范围内被破坏，破坏深度1.40～2.10 m。为了消力池结构稳定，保证泄洪安全，把消力戽挑坎基础开挖后回填的混凝土全部挖除。

一级消力池长36.37 m，宽124.00 m，底板顶高程257.00 m，底板厚度为2.00 m，表层0.5 m为硅粉C35F300W6三级配混凝土，底层1.5 m厚混凝土采用C25F200W6混凝土，在底板混凝土表层设置Φ16间距20 cm钢筋网，钢筋保护层厚度20 cm。为保证底板稳定设置直径28 mm锚筋，锚筋深入岩石4.0 m，锚筋间排距1.5 m。

一级池底板沿水流方向按11.00 m设一结构缝，垂直水流方向结构缝与坝体分缝一致，为16.00 m。为增加底板整体稳定性，结构缝设键槽。一级消力池底板结构缝设一道水平铜止水和一道橡胶止水带。

2）二级池。二级消力池长39.30 m，宽121.48 m，底板顶高程256.00 m，底板厚度为1.20 m，混凝土采用C25F200W6混凝土，表层设置Φ16间距20 cm钢筋网，钢筋保护层厚度10 cm。

二级消力池底板沿水流方向按12.25 m设一结构缝，垂直水流方向结构缝与坝体分缝一致，为16.00 m。为增加底板整体稳定性，结构缝设键槽；二级消力池结构缝设一道铜止水。二级池底板设置直径22 mm锚筋，锚筋深入岩石3.0 m，锚筋间排距1.5 m。

3）尾坎。红石水电站四台机发电尾水位265.70 m，一台机发电尾水位263.90 m，在枯水期不发电时下游水位260.00 m，考虑运行时检修方便，同时根据水工整体模型试验结果，尾坎顶高程确定为263.00 m，坎宽 4.00 m，上游面铅直，下游坡 1∶0.6。

上游面及顶面表层0.5 m厚混凝土采用硅粉C35F300W6三级配混凝土，其余部位混凝土采用C25F200W6三级配混凝土。表层钢筋沿水流方向受力主筋设2Φ25间距20 cm，沿尾坎长度方向设Φ20间距20 cm钢筋，钢筋保护层厚度与二级池底板相接水平段10 cm，其余部位20 cm。

尾坎沿长度每16 m设一结构缝。结构缝处表面设一道铜止水。与一级消力池底板相接水平结构缝设一道铜止水和一道橡胶止水带；与二级消力池相连结构缝设一道水平铜止水。

由于尾坎直接受水流冲击作用，承受的时均压力较大。根据抗倾覆稳定计算和基底应力计算结果，需在上游侧设5排锚筋，锚筋直径28 mm，间排距1.20 m，深入岩石3.5 m。

4）护坦。下游以护坦与尾水渠相连，护坦长度15.00 m，底板顶高程259.00 m。垂直水流方向结构缝与坝体分缝一致，为16.00 m，与二级消力池底板相连结构缝设一道水平铜止水。

护坦厚度为1.00 m，采用C25F200W6三级配混凝土，表层设Φ16间距20 cm钢筋网，钢筋保护层厚度10 cm。

5）固结灌浆。消力池一、二级池底板及尾坎护坦基础，根据现场实际开挖后地质揭露情况，对裂缝发育部位进行固结灌浆，固结灌浆孔梅花型布置，孔深入岩石5 m，间、排距3 m，固结灌浆孔距离底板结构分缝处至少保证0.5 m。固结灌浆分两序施工，Ⅰ序孔灌浆压力不大于0.3 MPa，Ⅱ序孔灌浆压力不大于0.5 MPa。

3.3 闸门调度原则

为确保消能工良好运行，使池内流态好并减少对大坝下游冲刷，依据《红石水电站水工整体模型试验报告》制定了闸门调度原则，原则要求尽量避免闸门全开，以闸门均匀齐步开启为好[4]。

4 消能工改造后运用效果

4.1 工程实际应用测试效果

2008年7月8日下午对工程实际应用效果进行了检验，8孔闸门全部开启进行泄流，完建后的流量为1200 m3/s左右，一级池及二级池内水流平稳，水流出护坦后明显趋于平稳，紊流状态基本消失；对两岸的淘刷大大减小。

2010年第二松花江流域遭遇百年一遇洪水期间，红石大坝7月28日至8月6日连续大流量泄洪的考验。汛后，通过现场外观检查和水下检查，消能工外露部分（一级池尾坎及两岸边墙）完好无损，水下检查，亦未发现消能工损坏现象。

4.2 原型观测泄洪试验效果分析

为了进一步检验技术改造后消力池的消能效果，为运行调度和修订运行规程，2010年8月7日，红石水电站对消能工附近的水位及流速等进行了原型观测泄洪试验。在试验中从流态来看，过坝水流进入下游的消能工后，消能工内的水体虽然在消能工改造前后均存在水流的起跳和涌浪，但两者有较大的差异，可以归纳为以下三点。

1）消能工内水体起跳的位置差异。消能工改造前过坝水流水体起跳的位置是正对过流孔，改造后水体起跳的位置是在过流孔的临侧，这种差别是二者的消能机理不同所致。改造前的戽流消能是通过“三滚一浪”的流态进行，第一滚在消能工戽斗内，其消耗的能量占消能工总消能效果的一半以上；紧接第一滚的下面是戽坎末端表面水体的“一浪”，这一浪包括了戽坎附近表面水体的起跳和涌浪两部分，是过坝水体受戽坎的挑流作用所致，水体起跳位置正对所开启闸孔，浪的下游紧接着是第二滚和第三滚。第二滚在水下，无法从表面看到，其消耗的能量对消能工消能效果的贡献基本可以忽略，但消能工对戽坎末端出现垂直淘刷有缓解作用；第三滚在戽坎的下游，是戽流消能下游河道波浪向下游传播的起始位置。消能工改造后为底流消能，过坝水流在消力池内翻滚，与侧向水体碰撞产生起跳，起跳发生在过流孔的邻侧位置。

2）消能工改造前后过坝水流的最大起跳高度基本相同，与堰高相当，但消能工内水体起跳量相差较大。消能工改造前，由于戽坎的挑流作用，戽坎附近表面水体的“浪”是戽流消能的组成部分，过坝水流的起跳量较大；改造后过坝水流在底流消力池内的能量已有较大的消耗，在消能过程中，消力池内随机碰撞的水体虽然最大起跳高度与堰高相当，但水体起跳的数量却有数倍的减少。

3）消能工下游波浪的产生原因和强度不同。消能工改造前，消能工下游河道的波浪为周期性波浪；消能工改造后下游河道为阵发性波浪，水流波动强度显著减弱。红石水电站消能工改造前，水流出消力戽后有相当大的余能，戽流消能的第三滚在戽坎的下游产生周期性的波浪，与第一滚产生的随机性波浪叠加，强度大且不宜衰减，波浪向河道下游传播很远。消能工改造后，底流的消能效果远高于戽流消能，出消力池水流的波浪是由消力池内的水体随机碰撞产生，具有阵发性，水流经过二级消力池的进一步消能后，出池水流余能较小，波浪衰减较快。

4.2 改造后对发电量影响分析

结合消力戽改造，对尾水河道进行了清挖，降低了尾水水位，增加了发电水头，从而增加了发电量，直接经济效益明显。

尾水清挖工程施工前停机时水位262.89 m，4台满发时水位266.49 m。清挖后停机时水位262.64 m，4台满发时水位266.08 m，分别降低0.25 m和0.41 m。机组状态在停机、1台正常发电、1台满发、2台满发、3台满发、4台满发的情况下，施工前后尾水位平均降低了0.49 m。

5 结论

红石水电站通过对消力斛的改造，改变了原来消能方式，解决了泄洪时消能效率低,下游存在较大波浪状况现象，减少了对下游岸坡、河床的冲刷，消除了危及红石大坝安全运行的隐患。通过工程改造，清除了下游河床大量砂石淤积，改善了尾水过流能力，降低了尾水水位，提高了发电效益。对同类工程的改造具有借鉴意义。

［1］郭之中著.消能防冲原理与水力设计［M］.北京：科学出版社，1982.

［2］周明德，柴恭纯等著.闸坝工程水力学与设计管理［M］.北京：水利电力出版社，1995.

［3］严晓达等著.低水头引水防沙枢纽［M］.北京.水利电力出版社，1990.

［4］红石水电站水工整体模型试验报告［R］.