台江电站戽面流消能的水力设计

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1、台江电站戽面流消能的水力设计吴婉玲1, 2 , 毛根海1 , 章军军1(1. 浙江大学, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江水利水电专科学校 )摘 要: 提出了适用于低佛氏数大流量水流的戽面流消能方式, 为类似工程的消能提供了新的设计思路。 并通过模型试验验证, 设计计算成果与试验结果相符合, 认为本工程中采用戽面流消能方式具有明显的经济性、实用性、合理性。关键词: 电站; 戽面流消能; 消能方式中图分类号: TV 653+ . 2文献标识码: A用堰, 堰顶高程为 125. 00 m 。溢流孔采用弧形闸门挡水, 弧门尺寸为 15. 0 m 9. 0 m (宽高) , 用固定式卷扬机操作。

2、 检修门 为 平板门, 尺寸 15. 0 m 10. 5 m ( 宽高) , 由坝顶门机启闭。检修门存放槽设在右岸重力式挡水坝段。溢流坝顶上游设工作桥, 桥面宽 6. 5 m , 桥面高程为 142. 00 m 。工程概况台江水电站位于福建省三明县境内的沙溪干流上, 系沙溪 流域规划中的第三个梯级电站。 电站安装 2 台 15 M W 的灯泡 贯流式水轮发电机组。台江水电站主要水工建筑物包括溢流坝、河床式厂房、船 闸、右岸重力式挡水坝段及左、右岸坝接头。溢流坝布置在河床 中间, 河床式厂房布置在左岸台地位置, 船闸布置在河床右侧 主河道上, 左岸坝接头均采用均质土坝, 右岸坝接头采用混凝 土挡

3、墙, 坝顶全长 402. 50 m , 坝顶高程 142. 00 m。河床式厂房布置在溢流坝的左侧, 主机段长 37 m , 装配场 段长 34 m , 厂房总长度 71 m 。进水口设拦污栅槽和事故检修闸 门槽, 由坝顶门机启闭; 尾水管出口设尾水闸门, 由尾水启闭机 启闭。右岸混凝土重力坝段长 31 m , 坝顶宽 11. 0 m , 上游坝面垂 直, 下游坝坡为 1 0. 7。 左岸坝接头采用均质土坝, 原人工填土层及砂卵石层挖除, 用防渗粘土回填解决坝基防渗。溢流坝段设 8 个开敞式溢流孔, 每孔净宽 15 m , 中 墩 厚2. 5 m , 边墩厚 2. 0 m , 溢流坝段全长 1

4、41. 50 m 。 溢流堰采用实1工程的水力特点本工程具有 3 个明显的特点:( 1) 考虑抬高堰顶将加大河道上游的淹没损失, 且不利于 台江右岸国道线的交通, 所以设计时在能满足最大泄洪能力及保证消能的情况下尽可能降低堰顶高度, 这样也有利于减少工 程总投资。 下游侧河床开阔, 河床有逆坡趋势, 水位被迫抬高,因此通常情况下溢流堰堰顶 (初设堰顶高程为 125. 00 m ) 低于 下游 水 位 ( 表 1 )。 泄 小 流 量 时 的 下 游 水 位 高 于 堰 顶 1. 683. 23 m 。泄大流量时堰上水舌很厚, 堰顶水位可达 138. 62 m 。 溢流堰属于低坝 (潜堰) 的范

5、畴。(2) 通过溢流堰的各级下泄流量 (表 1) , 在戽坎上的佛氏数 均小于 2. 5, 属于低佛氏数水流。 闸门全开, 水流为堰流时上下游水头差均小于3m ; 宣泄小流量, 为闸孔出流时, 水头差小于2表 1 坝址处的流量 水位关系P %0. 20. 51. 02. 03. 35. 010. 020. 050. 0流 量(m 3s- 1)单宽流量(m 3s- 1 m - 1 )水 位m10 20085. 00138. 629 13076. 08137. 608 32069. 33136. 417 51762. 64135. 376 97058. 08134. 646 41053. 4213

6、3. 885 55046. 25132. 684 66038. 83131. 343 37028. 08129. 318 m ; 要求能顺利通过 500 年一遇 ( 1. 02 万 m 3 s) 的校核洪水,泄流量大, 又属于低水头大流量水流。因此, 过堰水流具有低佛 氏数 水 流 的 特 点, 易 产 生 摆 动 水 跃 或 波 状 水 跃, 可 能 出 现 大 尺度紊动能, 水跃消能率低等, 给下游的消能防冲布设带来困难。 考虑到低水头大流量水流的特点, 泄大流量时需控制水流流态, 减少水流紊动。( 3) 地质条件差, 地基软弱。 河床表面为全风化岩, 存在炭 质泥岩软弱夹层, 受水流冲刷

7、和波浪淘刷的威胁大, 应该尽量 避免河床底部受到冲刷, 因此, 消能方式和消能工的选择对于宣泄低佛氏数、低水头、大流量水流的情况下, 如何选择经济合理, 能安全度汛的消能方式和消能工。时的面流流速最大。因为下游水面高于堰顶 10 m 多, 溢流堰为潜堰, 堰体对流速的影响不大, 所以可取流速系数 = 1, 计算 得 v = 3. 44 m s。由于 8 孔全开泄洪时流速很小, 均小于 3. 44 m s, 与天然 状态下河道泄洪时相差无几, 对下游河岸的冲刷属于自然冲刷, 而且下游水垫很厚, 虽然下游河床的地质条件很差, 面流对 河底也没有任何影响。可以确定, 溢流堰通过 20 年一遇以上的洪

8、水时, 溢流堰下游可以不设置专门消能防冲设施, 过堰水流可以直接与下游衔接。通过 2 年一遇以下洪水时, 即保持上游为正常蓄水位时,分别考虑宣泄 0. 25、0. 20、0. 10 万 m 3 s 洪水, 且电站 2 台机都 不发电、单台机发电或 2 台机发电, 都有可能产生底流现象。从表 2 中可以看出, 此时产生的底流不太稳定, 可能会随着下游水位的波动, 在底流和面流之间往复波动。 大流量时可以形成天然面流, 且流速小, 对下游护岸可能产生的冲刷和波动很小。泄小流量时, 有可能产生底流或面流的往复, 虽然下泄水 流的流速不大, 但工程地质条件较差, 需采用合理的消能工, 使其形成稳定的面

9、流或底流。所以消能设计应考虑到选择适合小流量时的消能工。 而且无论采用何种消能工, 设计流量范围选0. 20 0. 30 万 m 3 s 为佳。3. 2底流消能方式3. 2. 1底流消能工的最不利工况对于中高坝, 下泄流量是设计消能工的主要因素。 随着坝体的降低, 上下游落差、下游水深以及下游衔接流态对消能工 的影响增强。因此, 低水头水利枢纽工程的消能工设计不宜再消能方式的研究33. 1低坝消能方式的分析经坝面下泄的水流能够形成潜底流动的基本条件是惯性力大于重力, 惯性力等于重力显然是潜底流向浮面流过渡的临 界状态。 可以用水力学公式来表达惯性力与重力的关系:vqF r = 1g h 3g

10、h当惯性力与重力相等时, 可以推得临界水深:2qh k =g按文献 1 , 确定坝面流态由潜底流过渡到浮面流的界限可以由以下公式表达:Z 下 = Z 堰顶 + h k式中: Z 下 为河道的下游水位; Z 堰顶 为堰顶高程。 上式说明了在某个一定的单宽流量下, 下游水深高出堰顶h k 时为下游衔接流态的过渡界限。即当 Z 下 Z 堰顶 + h k 时, 水流 流态为底流; 当 Z 下 1. 2 时, 淹没水跃的 消能系数低于佛氏数相同时自由水跃的消能系数, 淹没水跃的水跃长度大于自由水跃的水跃长度, 并且 j 愈大, 水跃长度愈 大。原因是淹没程度增加, 淹没水跃跃后断面比能随之增加, 位于表

11、面旋滚下面的高速主流扩散得愈慢, 水跃长度也就增加 了。 由此认为, 从消能率方面考虑, 由于本工程淹没系数过大,消能率低, 底流消能方式不太适合。而且, 一般底流消能工后必须有较长的海漫。 特别对于消能率不高的水流, 对消能工后海 漫材料的要求也就更严格, 工程造价也就比较高。采用底流衔接的消能率低、下游余能较大; 直接建在地质 软弱的基岩上, 水流冲刷和波浪淘刷对工程的安全威胁较大;闸下水流的佛氏数低, 易产生振荡型水跃及较大的波浪, 对渠 道或河岸的冲刷破坏难以避免。 因此该工程不适宜采用底流 衔接。3. 3 戽面流消能方式3. 3. 1 戽流、面流的比较戽流消能是凭借泄水建筑物尾部形成

12、如戽斗的鼻坎结构,使上游下泄的高速水流在坎内形成较强烈的水滚, 从而消除水 流大部分能量, 降低坎后水流流速, 以便较好地与下游水流衔接, 以此达到消能防冲的目的。近年来, 戽流在低水头、大流量、 深尾水的泄水工程中逐渐被采用。发生纯面流的条件比较严格, 而戽流流态能够适应下游尾 水位的较大变幅, 较符合多数河流的情况, 且消能效果以典型 戽流消能为好, 工程发展前景很大。在部分闸孔集中泄洪时, 面流较易出现纯面流与底流交替发生的不稳定情况, 而戽流出现 交替流的可能性较小; 此外戽流一般采用低坎, 较面流的高坎 可节省混凝土方量。从国内外已建工程的运行效果来看, 面流、戽流 2 种消能形式以

13、戽流为优。戽流消能具有流态稳定, 对于低佛氏数水流的消能率常高 于底流消能, 结构简单, 施工方便等优点。但是也需解决好戽流图 2 消力戽剖面图 ( 单位: cm )模型试验研究为验证消能方式和初设消力戽体型的合理性, 对工程进行 了整体模型试验和断面模型试验。整体模型试验采用正态模型, 几何比尺 l 选为 100, 选取 上游 800 m 和下游 1. 1 km 的范围, 模型全长约 22 m 。断面试验在宽 10 cm 的堰型试验专用试验水槽上进行, 为保证与原形相似和精度要求, 断面试验堰宽取为 7. 5 cm , 是整 体模型的一半, 一侧做成半圆形的溢流墩, 即断面为溢流坝单孔的一半

14、。闸门全开工况下: 10 年一遇流量 ( 0. 555 万 m 3 s) 时, 溢流 坝尾部为面流与淹没戽流的混合流态; 50 年一遇流量 ( 7 5174m s) 时, 溢流坝尾部为面流流态; 100 年一遇流量 ( 0. 832 万33m s) 时, 溢 流 坝 尾 为 部 面 流 流 态; 500 年 一 遇 流 量 ( 1. 02 万m 3 s) 时, 为面流流态。试验观测证明面流流速均小于 3. 45 m s, 由于佛汝德数较 小, 河床底部可以观测到存在大尺度紊动现象, 但水流相当平稳, 没有波动现象, 对河床几乎没有冲刷。由此可以得出结论,当宣泄大洪水时能够产生稳定的面流, 而且

15、面流流态平稳, 对 下游河底及河岸的冲刷很小, 接近河道自然泄洪。闸门局部开启工况下, 小流量同步调度时, 上下游水位差加大, 佛汝德数增大, 水舌变薄, 其流态与戽流的两滚一浪比较轻微。流量在 0. 2 万 m 3 s 以下的小流量时, 若考虑右岸船闸通航 要求, 可以集中在围堰左侧 3 孔。 当流量小于 0. 2 万 m 3 s时, 冲刷不深。接近。 8 孔同步开启, 且维持上游水位为正常蓄水位 133. 5 m ,下游为相应下泄流量的下游水位时, 模型试验得出闸门需要的 开启高度和下游流态见表 3。表 3 闸门开度和下游流态结语5上游水位m下游流量过闸流量(m 3s- 1) (m 3 s

16、- 1)下游水位m闸门开度m流 态河流中下游水利枢纽的特点普遍是水头低、泄流量大、下游水位高和溢流堰通常被下游水位淹没的潜堰及水位变幅大、 堰后水流流速缓、佛氏数低、河床宽、地质条件差等。 此种类型 的水利枢纽消能防冲重点从大流量转为小流量, 消能方式也可由单一方式转为组合方式消能。本工程采用的消能方式为低佛氏数、低坝、大流量的水流 消能提供了新的设计思路。 设计中采用合理的戽坎类型, 使泄大流量时溢流堰下游形成面流消能, 泄小流量时在戽斗内形成淹没戽流, 既避免了对河床和下游的冲刷, 又采用低堰使得上 游淹没损失和溢流堰的工程量达到最小, 并且通过模型试验证明设计计算成果与试验结果相符合。本

17、工程消能方式具有明显的经济性、实用性、合理性, 在类似工程中具有推广应用前景。1 0002 0002 5004701 4701 970126. 68127. 67128. 230. 51. 11. 5淹没戽流淹没戽流 淹没戽流2 台发电 3 370 2 840 129. 31 2. 7 淹没戽流1 000735126. 680. 6淹没戽流淹没戽流 淹没戽流 淹没戽流2 0001 735127. 671. 31 台发电2 5002 235128. 231. 73 3703 105129. 313. 01 0001 000126. 680. 7淹没戽流淹没戽流 淹没戽流 淹没戽流2 0002 0

18、00127. 671. 5不发电2 5002 500128. 231. 93 3703 370129. 313. 4参 考 文 献试验说明在小流量时, 采用 8 孔均匀开启的调度方式, 只要能够控制好闸门开度, 总可以使之在戽斗内形成淹没戽流。 在闸门开启瞬间流态较不稳定时, 可由试验观测到戽斗下游 40m 长的护坦前段将产生类似于稳定戽流 “( 两滚一浪”) , 对消能 更加有利。大流量时, 如 100 年一遇流量的流态, 稳定且波动微小, 为流速缓慢的面流, 随着下游江面的逐步放宽, 面流流态平 稳。 试验结果与原设计计算结果相吻合, 初设戽斗体型合适。当 2 年一遇流量以下时, 8 孔均

19、匀调度出流, 对下游的冲刷1齐清兰, 王英华, 张力霆. 田间一字闸消能形式及抗冻方案试验研究J . 中国农村水利水电, 2002, ( 3).施振兴. 戽面流消能计算与闸门运行方式的选择J . 水利水运科 学研究, 1990, ( 1).孙 桂 凯, 徐 伟 章. 消 力 戽 在 低 佛 氏 数 水 流 的 应 用 J . 红 水 河,2002, ( 4).王世夏. 水工设计的理论和方法 M . 北京: 水利水电出版社,2000.234(上接第 60 页)大于同荷载 (90 k P a) 堆载预压的时间。(1 -2 K 0 )(4)z =3结语E式中: 表示土体在堆载预压下的竖向最终应变。可

20、见, 若堆载和真空预压固结度都接近 100% , 则两者的工 后沉降 1 和 2 分别为 (以任意点的应变计) :针对重塑萧山粘土进行的真空预压室内模拟实验, 印证了实现真空固结是膜内外大气压差与土样内外大气压差两种作 用的综合效应, 且膜内外大气压差对负压在土样中的扩散起重要作用。文中提出的估计真空预压固结系数的简化公式可以作 为实际设计的参考, 但需要大量的实测数据来确定参数。 通过对土体受力的简化弹性分析, 发现在目前真空预压工程中, 真空预压大于等效荷载下的堆载预压下所产生的工后沉降, 这是 在现场施工中应当注意的。 此外, 如能通过实测进一步确定真空预压区侧壁的土压力系数, 则将对真

21、空预压沉降估计的数值z1 = 1 (1 - 1 = -2 K 0 ) (-)(5)E- 2 = z 1 =1 (1 -2 K 0 ) -(1 - 2 ) +2 (K 0 -K ) 0 =E1 (1 -2 K 0 ) (-) + 2 (1 -K 0 ) -E2 (K 0 -K ) 0 (6)模拟起很大帮助。在我国东南沿海软土地区, 地下水位高, 受力分析时, 地基土体一般取有效重度 ( 大致为 10 14 kN m 3 ) , 内摩擦角为 15 30。经分析, 在上述地区的目前工程中真空度所能达到的深参 考 文 献1李斌华, 胡满堂.真空预压法在深圳河工程北岸边坡及堤坝软基度范围内 ( 一般在 10 m 左右) , 式 ( 6) 右端项 2 (1 -K 0 ) -的应用J .中国农村水利水电, 2002, ( 12) : 49- 51.岑仰润. 真空预压加固地基的试验及理论研究 D . 杭州: 浙江大学, 2003.2 (K 0 - K ) 0 0, 即 2 1 。这说明实际工程中的真空预压的工后沉降要大于堆载预压, 换言之如果希望控制真空预 压实现与堆载预压相同的工后沉降效果, 要使真空预压的时间2