高水頭水電站泄洪洞出口挑流鼻坎優(yōu)化設計

高水頭水電站泄洪洞出口挑流鼻坎優(yōu)化設計

可萃取消能是一種更經濟、更容易施工的消能方法。然而，不同程度的施工中都存在不同程度的洗井墻、局部磨損、漏水和霧等問題，尤其是大型高水頭市政站的問題。因此,對挑流消能工的合理布置及設計合理的挑坎體型,在最大程度上解決這些問題以滿足實際工程需要,一直是我們的研究課題。本文從改善泄洪洞出口挑流鼻坎體型的角度出發(fā),用理論與試驗相結合的方法,通過比較分析,得出了一種能較好滿足實際工程需要的挑坎形式。1工程模型及計算模型火溪河上的龍頭電站——水牛家電站為一高水頭水電站,裝機容量為70MW,正常庫水位為2270m,校核洪水位為2272.222m,下游河道床面高程為2166.2m,校核洪水流量為590m3/s,泄洪建筑物為泄洪洞和泄洪放空洞(由導流洞改建而成)。當入庫流量小于319m3/s時,由泄洪洞單獨泄洪,當入庫流量大于319m3/s時,由泄洪洞和放空洞聯(lián)合泄洪。泄洪洞進口為開敞式寬頂控制堰,底板高程為2260.00m。泄洪隧洞長95.00m,后接地面溢洪道陡槽,陡槽寬6.00m,邊墻高6.00m,底坡1∶2.581,長約230m。陡槽出口接挑流反弧段,半徑R=30.00m,鼻坎頂面高程為2173.30m,挑角為25度。為探討泄洪洞出口挑坎的體型優(yōu)化,針對泄洪洞的泄流能力、挑流效果、流態(tài)及下游局部沖刷等進行了水工模型試驗研究。根據試驗任務及水流相似條件的要求,模型按重力相似準則進行設計,采用比尺λL=50的正態(tài)模型,其它相應水力要素的比尺見表1所示。下游動床卵石粒徑按下游河床覆蓋層粒徑級配要求模擬,兩岸邊坡巖塊按設計提供的抗沖流速換算成卵石粒徑來模擬。基巖抗沖流速計算公式如下:Vk=C2gγS?γγ??????√Vk=C2gγS-γγ式中,系數(shù)C為1.20～0.86;γS,γ分別為巖石散粒容重和水的容重;g為重力加速度;d為巖石散粒平均粒徑。已知VK=4.0m/s,計算得dp=0.64m,dm=dp/λL=1.28cm;選用模型礫石最小粒徑dmin=1.25cm,最大粒徑dmax=1.30cm,平均dcp=1.275cm。根據下游河床覆蓋層砂石平均級配表等資料,設計模型砂石粒徑為0.01mm～50mm,分七級配,保證中值粒徑為8.6mm。上游水庫模型模擬了迎水面壩體及約400m×250m范圍內2275m高程以下的地形,模型下游模擬了從壩腳以下約1100m長的下游河床段,河槽按覆蓋層砂石級配的模型值進行鋪設動床。為滿足原、模型阻力相似,泄洪洞采用有機玻璃制作,流量由閘閥調節(jié)的三角堰量測,水位由水位測針量測,流速由HD-4B型電腦流速儀及畢托管量測。2挑坎體型修改工程原設計方案挑坎采用雙邊對稱擴散的形式(圖1)。經試驗驗證,該方案在泄流時雖然坎上水深較均勻,但由于水流挑距較大,水流的擴散效果不理想,因此下游沖坑深度較大,且對下游河床右岸有較嚴重的沖刷,故有必要對挑坎體型進行修改。3反弧段地方主要挑坎體型t根據該電站的特定條件,溢洪道位于右岸,其中心軸線偏向下游河床右岸,要想利用出口挑流鼻坎段來改變溢洪道高速下泄水流的方向并獲得較好的挑流消能效果,應采用既有平面擴散、又有底面導流的扭面挑坎型式。在試驗過程中,經對溢洪道挑流鼻坎體型的多種方案的試驗比較,并根據水流的擴散和對挑坎結構及下游河道等影響因素,最終確定為左邊墻單邊擴散的扭曲底面并設貼角的型式(圖2)。由于目前對擴散扭面挑流鼻坎的扭面形式及水力設計均無成熟的計算方法,故主要通過水工模型試驗結合理論計算進行反復驗證。根據原設計方案試驗情況,保持左邊墻反弧半徑R=30m不變而增大橫向擴散角減小鼻坎挑角,對右邊墻采取不擴散而減小反弧半徑為R=20m且增大鼻坎挑角,從而使整個反弧面呈左低右高且向河中心扭曲的形式。問題的關鍵是,如何確定左右挑角及左邊墻橫向擴散角,以獲得有利的挑距及合適的最大沖坑深度。挑距按拋射體理論計算,則挑坎至最大沖深點的距離為:L=φ2Zc(1+1+y+TZcφ2sin2θ??????????√)sin2θL=φ2Ζc(1+1+y+ΤΖcφ2sin2θ)sin2θ其中,φ為流速系數(shù),采用長江水利水電科學研究院的計算式:φ=1?0.055/K0.5????????????√?K=q/g√?E1.5φ=1-0.055/Κ0.5?Κ=q/g?E1.5,適用于K=0.004～0.15;Zc為上游水位至挑坎頂部高差;y為挑坎頂部至下游水面的距離;T為水面以下最大沖坑深度;θ為挑角。根據已知數(shù)據,經計算得到流能比K=0.0094,符合公式的使用范圍,從而算得流速系數(shù)φ=0.7564。右邊挑角θ按挑距最大原則設計,根據吳持恭教授對高速摻氣水流的研究,當挑角增大超過某一角度時,挑流的歷程增加,空氣對水舌的阻力也增加,從而使射距減小,轉折點約在θ=35°,即這時摻氣水流的水平射距最遠。結合校核工況試驗測得的沖坑深度T=12.3m,經計算得挑距理論值L=141.3m,與實測值L′=138m相吻合。左邊挑角θ則考慮水流的脫流和最小起挑流量,根據山東省水科所的研究,確定連續(xù)挑坎的最優(yōu)挑角為14°～17°。由于原設計方案單寬流量基本滿足要求,故對出口寬度只需稍作調整,由原來的12m修改為13m,由此算得左邊墻橫向擴散角為6.65°。以上數(shù)據經多工況的試驗校核,基本滿足工程安全穩(wěn)定運行要求?？紤]到實際工程的多種因素和具體情況,最終將挑坎各參數(shù)確定為如修改后的挑坎體型圖2所示。實測數(shù)據顯示,反弧段在各種工況流量下沿程水深分布基本均勻,動水壓強因受挑坎體型及高速水流影響而分布不均,出口流速分布總體上隨流量增加而趨于均勻。下游動床流速分布,由于受挑坎形式、水舌入水角度及沖淤地形的影響較大而分布不均,總體上主流位于下游河床中心。以校核工況Q=590.0m3/s(泄洪洞下泄流量Q=385.70m3/s)為例,說明下游動床流速分布情況:可以看出,挑射水流經挑流鼻坎挑出后,水舌明顯向下游河床中心擴散,從而減弱了對右岸的沖刷。從整個河床的流態(tài)來看,雖然水流對右岸的沖刷回流區(qū)仍存在,但其水力要素有了很大的改善,與原方案相比,各測點的流速值明顯減小。在各特征流量下,下游河床基本達到沖淤平衡后實測了自挑坎出口沿泄洪洞中心線下游200.00m內的沖坑地形。表2數(shù)據顯示,沖坑最大深度為下游水面以下12.33m,發(fā)生在聯(lián)合運行下泄校核流量590.0m3/s工況,未沖至基巖。4主流固結增強設計修改后的左邊墻單邊擴散的扭曲底面并設貼角的挑坎型式與雙邊對稱擴散挑坎形式相比,具有以下優(yōu)點:(1)出流流態(tài)平順,各特征工況下的挑流水舌在平面及立面上的擴散效果較好;(2)挑射水流明顯偏向下游河床中心,從而避免了對河床右岸的直接沖刷;(3)下游河床最深沖坑為水面以下12.33m,未沖至基巖,較原方