消能结构优化措施在柳树沟水电站的优化应用研究

消能结构优化措施在柳树沟水电站的优化应用研究

王晓

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐830049)

【摘要】本文通过柳树沟水电站模型试验，对消能结构优化设计情况进行了研究分析，试验结果显示T字墩+消力池的结构形式在该类电站中能够取得比较理想的消能效果。

【关键词】水电站；消能结构；消力池；T字墩

中图分类号：TV653

Optimization application study of energy dissipation structure

optimization measures in Liushugou Hydropower Station

WANG Xiao

(XinjiangInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Urumqi830049,China)

Abstract:In the paper, energy dissipation structure optimization design condition is studied and analyzed through the model test of Liushugou Hydropower Station. Test results show that structure form of T-shaped pier + stilling basin can achieve more ideal effect of energy dissipation in similar power plants.

Key words: hydropower station; energy dissipation structure; stilling basin; T-shaped pier

水利工程中为避免高速下泄水流对河床及河岸产生强烈的冲刷及空蚀作用，消力池作为最早的底流消能设施得到了广泛应用[1]。当山洪暴发时一般会产生较大的洪峰流量，这对于中小型低水头电站是严峻的考验。因此，解决低水头水电站的消能问题，对确保小水电的安全正常运行具有重要价值[2]。本文以柳树沟水电站为例，通过模型试验对该类电站的消能结构形式对消能效果的影响进行详细研究，并在此基础上提出最优的结构形式，对相关的工程设计具有重要的参考价值。

1柳树沟电站工程概况

柳树沟水电站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内开都河中游河段，是开都河水电梯级规划中的第八级，距下游的大山口水电站河道约10km。东面距静县城约90km，距库尔勒市约140km，距先行乡约50km。柳树沟水电站设计正常蓄水位1494.50m，总库容约7710万m3，装机容量180MW，工程规模属三等中型。泄洪建筑物由5孔泄洪闸构成，从左向右依次为1～5号闸，最大闸高32.5m，闸孔宽度12m，单孔最大泄流量1500m3/s。由于泄洪闸下游水位有较大变幅，对消能防冲提出了较高要求。因此在工程设计中采用综合消力池，并辅以辅助消能工设施和设置消能尾坎，形成复式消力池。

泄洪闸作为主要的泄洪建筑物，主要由铺盖、闸室、消力池、护坦以及海漫等组成。泄洪闸单孔净宽12m，共5孔，泄洪闸挡水总宽度为81m。

消力池池前坡度为1∶4，落差由1478.00m降至1274.00m，消力池底板高程为1274.00m，长25m，宽47m，深3m。消力池基础为原始基岩，底板为厚2m的C30钢筋混凝土。消力池左侧设置导流墙延伸至海漫尾部，用于区分厂房尾水，高程为1488.00m。

护坦上游端接4～5号闸，护坦下降段坡度为1∶2，水平段长85m。建筑基底为中风化基岩，其上为2.5m厚C25钢筋混凝土。

海漫长52m，其顶面高程为1477.00m。其表面由厚0.5m浆砌块石护面，末端设防冲槽，抛填大块卵石。工程平面图如图1所示。

图1　柳树沟水电站工程平面图

2消能方案的优化研究

2.1模型试验范围的确定

为了真实反映水沙运动规律，根据相关工程实践经验，模型选择水流条件较好河段作为模型入口。因此，电站模型试验研究范围为电站坝下游600m～坝上游 1600m，全长约 2.2km(见图 2)。

图2　模型断面范围示意图

2.2原消能方案

柳树沟电站的原消能设计方案为：1号、2号闸门为冲沙闸，其后修建护坦，护坦上接闸室底板末端，交接点高程1478.00m，以下的护坦水平段长70m，以1∶10的坡度逐步降至1470.00m。3～5号闸门为泄洪闸，泄洪闸下设消力池，消力池高程以1∶5的坡度由1478.00m降至1476.50m，消力池长58.0m、深1.0m。出于约束水流、保证冲沙效果的考虑，工程设计中在泄洪闸与冲沙闸之间设导流墙，墙顶高程为1490.00m。

经模型试验验证发现，当泄洪流量在600～2900m3/s时，消力池最大出池流速为10.3～18.5m/s。尤其是流量为1400m3/s的情况下，高速水流形成一条水舌高速通过护坦，并一直延伸至护坦后100m以上，水舌的中心流速最大值为18.5m/s，这一速度已经超出允许的流速范围许多，容易对河床造成破坏，同时河岸边坡在高速水流的长期冲刷下，其结构稳定性会受到较大影响，这也给距离堤岸不远公路路基的安全造成影响[3]。

2.3取消护坦和导流墙

在原方案的模型试验中发现护坦和导流墙对消能的作用不大，同时考虑到1号和2号泄洪闸泄水具有较大的下泄动能，因此在优化设计中决定取消护坦和导流墙，这将在闸后形成一个完整的消力池，其长度仍为58m不变。模型试验结果显示，消能效果得到了一定改善，在流量为1500m3/s的条件下，水流经过消力池后，在消力池外形成了10～20m长的二级水跃，滩面流速在9.6m/s左右，流速仍然较大，其流态如图3所示。

图3　取消护坦和导流墙后的池内流态

图4　复式消力池结构与池内流态

2.4消力池形式调整试验

将全部闸都作为泄洪闸，将坝后消力池改为复式消力池，具体设计为：1号、2号、3号闸后池底高程1472.00m，4号和5号闸后池底高程1474.00m。采用复式消力池形式不仅对跌水消能十分有利，还可以减少工程量、降低工程造价[4]。改变消力池形式后的结构与池内流态如图4所示，试验结果见表1。从结果来看，复式消力池的使用能有效消除涡流，减小最大滩面流速。

表1　最大滩面流速试验结果对比

2.5消力池的长度优化

复式消力池方案的最大滩面流速仍不理想，如需进一步加强消能效果，不宜再增加消力池深度，因此可以尝试增加消力池长度[5]。实验中，根据经验和已有数据，设置了106m、86m、75m三种方案。模型试验结果见表2。结果显示，87m的消力池消能效果最好，但最大出池流速在8～9m/s，因此消能效果并没有明显提高，还需要进一步改进。

表2　不同消力池长度下的试验结果对比

2.6分流墩和二级消能坎效能效果对比

前面试验已经对消力池的深度和长度进行了优化，因此要进一步在消力池上提高消能效果，只能从结构上加以改进[6]。本研究选择效能效果较好的闸后分流墩和二级消能坎两种消能工进行试验比对。分流墩方案的设想是在闸墩后1∶5斜坡处，修建6个间隔5m，长20m、宽5m、厚0～5m的楔形分流墩(位置结构和流态见图5)。二级消能坎方案是在消力池中部修建二级消能坎，消能坎高6m、上底宽2m、下底宽8m，横贯整个消力池，第一级距坝轴线70m，第二级距坝轴线110m(位置结构和流态见图6)。表3是二级消能坎和分流墩后最大滩上流速对比。从结果来看，二级消能坎的削减流速效果优于分流墩，消能效果较为理想。

图5　分流墩位置与池内流态

图6　二级消能坎的布置与流态

流量/(m3/s)二级消能坎/(m/s)分流墩/(m/s)15005.537.9728007.408.7541006.157.34

2.7T字墩+消力池消能结构的应用效果

虽然二级消能坎已能较为圆满地解决泄流消能问题，但二级消能坎的工程难度大、造价高，因此这一方案从经济角度看仍然需要进一步改进。因此，通过消能方案优化来缩短消力池的长度和深度、降低工程难度和造价具有重要价值[7]。根据相关经验，在消力池内增设消力墩具有较好的消能效果，且T字墩消力池的消能结构效果更佳，因而在研究中采用此结构进行坝下消能，同时将消力池缩短到长25m、深3m(消能墩位于池尾的结构见图7)。T字墩分别位于消力池不同位置时的流速分布对比结果见表4和图8。从试验结果可以发现：ⓐ当T字墩位于消力池尾部时流速分布更均匀；ⓑ当T字墩位于池尾时出池流速明显降低；ⓒT字墩在不同位置下，水跃顶点的水位相差不大；ⓑ从三种摆放位置下的综合消能系数对比来看，尾部最高。因此，柳树沟电站消能应用中，T字墩位于池尾时能得到最佳的消能效果。

图7　消能墩位于池尾的结构示意图

T字墩位置出池流速/(m/s)海漫15m处流速/(m/s)海漫尾部流速/(m/s)池首11.177.2312.73池中9.846.7713.40池尾6.965.4912.41

3结语

a.柳树沟电站模型试验表明：只对原设计中的消能方案进行简单的优化并不能取得良好的消能效果，因此需要在原方案设计的基础上增设消能建筑物才能达到加强消能效果的目的。

b.对不同位置T字墩消能效果的分析表明：T字墩设在池尾可以取得更好的消能效果。

参考文献

[1]罗羚源，袁观栋.乌龙水库电站消能结构模型试验研究[J].吉林水利，2010(11):10-13.

[2]崔金秀，王伟建，孙娟娟.堵河小漩水电站工程枢纽布置设计[J].人民长江，2014(16):69-72.

[3]许光祥，崔予达，杨忠超.复式消力池在山区小水电中的应用研究[J].水力发电学报，2007(2):88-92,87.

[4]杜俊慧，姜伯乐，李国勇，王成.泄洪消能设计与试验研究[J].人民长江，2008(4):31-33,96.

[5]胡清义，廖仁强，郭艳阳，周赤.乌东德水电站泄洪消能设计研究[J].人民长江，2014(20):21-23.

[6]刘璐，张建民，余飞，张法星.重力坝下游宽尾墩和消力池联合消能工水力特性试验研究[J].水力发电学报，2012(2):49-55.

[7]杨光伟.官地水电站泄洪消能研究及布置设计[J].水电站设计，2013(2):1-4,14.