NAM PAW 水电站消力池优化试验研究

张康乐，彭 诚，吴 昊

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

缅甸联邦NAM PAW 水电站工程位于缅甸掸邦木姐市境内NAM PAW 河流域，流域总面积1 068 km2，河长75.7 km，最大坝高54 m，总库容5 171 万m3。电站装机容量20 MW（3×6.67 MW），按照中国《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180-2003），该枢纽为三等中型工程。泄水建筑物及消能防冲的洪水设计标准：设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇，消能防冲设计洪水标准为30 年一遇。枢纽从左到右依次为左岸混凝土重力坝非溢流坝段、左岸混凝土重力坝溢流坝段、河床坝后式厂房段、右岸混凝土重力坝非溢流坝段等，泄水建筑物布置见图1。

图1 泄水建筑物平面布置图

原设计方案溢流坝堰型选用“WES”曲线型实用堰，溢流坝2 孔，每孔堰宽7.00 m，平板闸门顶高程808.00 m，堰顶高程794.00 m，堰底部接反弧，反弧半径20.00 m；反弧末端接消力池，消力池长65.00 m，池底高程756.00 m，消力池末设斜尾坎，尾坎高程762.00 m，尾坎后接20.00 m 混凝土护坦。消力池左导墙高程为768.00 m。泄洪兼冲砂底孔尺寸6.00 m×7.00 m，与溢流坝共用消力池，消力池长50.00 m，底高程756.00 m，消力池后接尾坎，尾坎高程762.00 m，尾坎后接20.00 m混凝土护坦。消力池导墙高767.00 m。溢流表孔剖面图及泄洪兼冲砂底孔见图2。

图2 泄水建筑物剖面图

2 试验设计

2.1 模型设计

模型采用正态模型，按重力相似准则设计[1～2]。考虑试验要求兼顾试验场地、设备情况，经计算比较，选取模型比尺λL=50，相应的流量比尺λQ=λL2.5=17 677.67，流速比尺λV=λL1/2=7.07，糙率比尺λn=λL1/6=1.92。

模型地形截取高程上游为815 m，下游为772 m；上游模拟原型长度200 m，下游模拟原型长度500 m。模型河道地形采用断面桩点等高线法，由河砂成型，水泥砂浆抹面而成，断面间距50 cm；溢流坝、闸墩、导墙、护坦等采用钢筋混凝土在刮模槽刮制而成；导流泄洪兼冲砂底孔进口、尾坎、弧形闸门采用白果木精制，表面刷漆；导流泄洪兼冲砂底孔洞身和平板闸门采用有机玻璃制作。

2.2 试验工况

本文选取了典型的设计洪水位工况和消能工况进行研究，具体水文参数见表1。

表1 试验工况表

试验通过测针控制上下游水位，采用三角堰控制流量，流速采用旋桨式流速仪测量。在两个典型工况下联合泄洪时，通过闸门控制溢流表孔及泄洪兼冲砂底孔单宽泄流量基本相同，各孔泄流量及闸门开度如表2。

表2 联合泄洪参数

3 成果分析

3.1 原设计方案

3.1.1 流速流态

在原设计方案下，两个工况水流流速分布见图3。

图3 原方案流速分布

结果表明：

1）设计工况下：①溢流表孔下游消力池内水跃跃首位于0+37.0 m～0+42.0 m 断面范围，为不稳定的临界水跃，水跃跃首断面水深1.96～2.16 m，流速为25.98～26.89 m/s。②泄洪兼冲砂底孔水跃跃首位于折坡上0+41.5 m 断面处，属于较为稳定的淹没水跃，跃首断面水深为2.45 m，流速为27.55 m/s。③溢流表孔下游消力池内，由于发生水跃，故而在坝面末端至0+75.0 m 断面范围内表面均产生回流。泄洪兼冲砂底孔自跃首至0+87.5 m 断面表面形成回流，最大回流流速达4.15 m/s，位于0+54.5 m 断面。水跃发生后，水流在竖向分层明显，主流在底部，表面形成漩滚，水跃末端底部流速明显减小。④消力池内0+75.0 m 断面前底部流速表现为左侧大，中间小，而右侧略大，0+75.0 m 断面后，底部流速表现为由左至右逐渐减小。分析其原因，底孔下泄水流在0+54.5 m 断面与表孔下泄水流开始交汇，由于底部流速较大，两股水流强烈碰撞掺气，摩擦消能，造成交汇处底部流速略小。⑤消力池出池流速为3.68 ～6.67 m/s。

2）消能工况下：①溢流表孔下游消力池内水跃跃首位于0+35.0 m～0+38.0 m 断面范围，属于稍有淹没的水跃，水跃跃首断面水深2.21～2.29 m，流速为23.55～25.61 m/s。②泄洪兼冲砂底孔水跃跃首位于折坡上0+40.0 m 断面处，为稳定的淹没水跃，跃首断面水深为2.76 m，流速为25.17 m/s。③消力池内流速分布与设计工况类似，最大回流流速位于表孔反弧段末端断面，达4.48 m/s。消力池出池流速为4.73～6.12 m/s。

3.1.2 水面线

试验时测定各断面的水深，以水深加底部高程得到原方案消力池沿程水面线分布见图4。图中数据为水深，单位m，括号内数据表示消能工况水深。

图4 原方案水面线

由图4 可知：①两个工况下表底孔消力池内水深较大，均超过导墙设计高度（11 m），不利于导墙两侧结构的稳定。②表孔在消能工况下水跃跃首位置较设计工况前移3.0 m；自0+87.5 m 断面至护坦末端，消能工况水深较设计工况小。③底孔在消能工况水跃跃首位置较设计工况前移1.5 m，但均在折坡上。④在两个工况下，表底孔水流在尾坎后均有一定的跌落，跌落点位于护坦的末端。

3.2 优化方案

原设计方案中，设计工况下消力池内形成临界水跃，对消能极其不利；研究表明，增加消力池池深和缩短消力池均能改变水跃形态[3～4]。同时，由水面线分布可知，消力池内及尾坎处的水流均超过两岸导墙，不利于导墙两岸结构的稳定。经过研究，本文提出了优化方案，具体优化内容如下：

1）消力池缩短8.00 m，即由原来的65.00 m，缩短为57.00 m；

2）消力池两侧导墙高度增加，顶部高程由原来的767.00 m 增加到772.00 m；

3）尾坎抬高0.50 m，即由原来的762.00 m 抬高到762.50 m。

3.2.1 流速流态

优化方案两个典型工况下流速分布见图5。

图5 优化方案流速分布

结果表明：①在两个工况下，优化方案消力池内均能形成较为稳定的淹没水跃，底部流速均呈两侧大、中间小的分布规律。②设计工况下，溢流表孔下游消力池内水跃跃首位于0+35.0 m～0+37.0 m 范围，较原方案前移2.0～5.0 m，属于较为稳定的淹没水跃。水跃跃首断面水深1.96～2.16 m，流速为24.01 ～26.58 m/s，较原方案小约0.9 m/s；泄洪兼冲砂底孔水跃跃首位于折坡上0+41.5 m 断面处，与原方案位置基本相同，水跃跃首断面水深2.29 m，流速27.06 m/s，较原方案小0.5 m/s。③消能工况下，溢流表孔下游消力池内水跃跃首位于0+34.0 m～0+34.9 m 断面范围，较原方案前移约1.0～3.1 m，跃首断面水深1.99～2.21 m，流速23.53～24.95 m/s，略小于原方案；泄洪兼冲砂底孔水跃跃首位于0+38.5 m 断面处，较原方案前移1.5 m，跃首断面水深1.69 m；流速25.48 m/s。④消力池内流速分布与原方案相似，两个工况下，出池流速均较原方案分布均匀。

3.2.2 水面线

优化方案消力池内水面线分布情况见图6。

图6 优化方案水面线

由图6 可知：①两个工况下消力池内水深较大，均未超过导墙设计高度（16 m）。②两个工况下溢流表孔水跃跃首位置基本相同，泄洪兼冲砂底孔在消能工况下水跃跃首位置前移2 m，但均位于折坡上。③两个工况下表底孔水流经过消力池后均有一定的跌落，跌落点位于护坦的末端，位置大致相同。

综合流速流态和水面线情况可知，优化方案通过抬高尾坎、增加导墙高程，良好地解决了原方案在设计工况下的临界水跃问题，改善了出池流速，有利于消能和减轻下游冲刷。

3.3 消能率

为对比优化方案与原设计方案的消能效果，本文分别计算了两个工况下两种方案表底孔的消能率。消能率计算起始断面取0～17.5 m 断面，终止断面取海漫末端0+120.0 断面；各断面的能量可用下式计算[5]：

相对消能率：

式中 h——计算断面相对于基准面的水流势能；

a——动能修正系数，本文取1.0。

计算基准面取消力池底部平面。消能率计算结果见表3。

表3 消能率计算成果

由表3 可知，两个工况下，相对消能率均在71.87%～73.94%范围间。由于水跃位置前移，消力池内底部立轴漩滚和横轴漩滚更为剧烈，优化方案消能率均较原方案略大，优化方案消能效果较原方案好。

4 结 论

本文通过物理模型试验，研究了NAM PAW 水电站消力池内的水力特性，得到了以下结论：

1）优化方案水跃跃首位置前移，形成了稍有淹没的水跃，有效地解决了原方案中设计工况临界水跃的问题。

2）优化方案的消能率较原设计方案略大，说明水跃的形态影响着消能效果。

3）优化方案出池流速更为均匀，且较原方案略小，有利于减轻下游冲刷。