纪志强,王国杰

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌712100)

1 概 述

长塘水电站工程位于贵州省黔西县境内野纪河上,是以发电为主,兼顾防洪、灌溉等综合效益的Ⅲ等中型水利水电工程。坝址处控制流域面积1 737 km2,多年平均流量为25.6 m3/s,水库具有周调节能力。水库正常蓄水位为905.00 m,死水位895.00 m。总库容为1788×104m3,电站总装机容量30 MW,工程按50 a一遇洪水设计,500 a一遇洪水校核,相应泄洪流量分别为2 082 m3/s和2 854 m3/s。

长塘水电站坝后河床主要分布T1y2-1-1(岩性薄层、中厚层灰岩夹钙质泥岩、泥灰岩条带)、T1y1(泥页岩与泥质灰岩互层)和P2c+d(中厚层、厚层含燧石团块灰岩)地层,岩体中结构面主要层面,裂隙、断层不发育,岩层倾向上游,岩体弱风化深度一般5 m～8 m。

工程枢纽由碾压混凝土双曲抛物线拱坝、坝顶泄洪表孔(3孔)、泄洪中孔(1孔)、左岸引水系统、左岸地下厂房组成。最大坝高88m,坝顶高程908.00 m,坝顶宽6 m,坝底厚17m。各表孔孔口沿拱坝中心线为轴径对称布置,中孔位于表孔左侧,在拱坝下游设置有长25 m、宽约40m的混凝土护坦,见图1。

长塘水电站3个溢流表孔,坝顶高程897.00 m,每孔净宽11.5 m,总过水宽度34.5 m,溢流堰面曲线为WES曲线,曲线方程为 y=0.08537752x1.85,后接反弧段,反弧半径 8 m,挑角10°。采用挑流鼻坎消能。泄洪中孔进口为喇叭口,进口至工作闸门之间为有压流,工作闸门后为明流,底板高程为852.00 m,进口孔口尺寸4m×6 m(宽×高),出口孔口尺寸4 m×5 m(宽×高),采用窄缝挑流消能(窄缝收缩比β=0.5)。

图1 枢纽布置

2 原方案泄洪消能存在的问题

长塘水电站采用碾压混凝土双曲拱坝坝型,以及坝身孔口泄洪,具有布置简单、工程量小、造价低、工期短等优点。但同时也存在以下几个方面的问题:①拱坝下泄水流在向心力的作用下汇交水流落点相对集中,给消能防冲带来困难。②拱坝坝体薄,溢流表孔落差小,水舌挑距近。在500 a一遇校核洪水时(库水位907.16 m),造成护坦末端深达2.5 m的掏刷,危及坝基的安全。③拱坝中心偏于右岸,500 a一遇校核洪水时,右表孔跌落水舌冲砸右岸边坡,右岸边冲刷坑深度较大,直接威胁右岸山坡的稳定。

3 泄洪消能布置方案修改与优化

3.1 表孔体型优化

表孔泄流时,由于受拱坝坝型特点的影响,存在着水流向心集中现象,能量集中以及下游河道狭窄,是造成下游河道冲刷较深的主要因素,一般情况下,表孔消能体型,多采用扩散式和收缩式两种体型[1,2],结合本工程特点,宜采用扩散式体型,经多种方案研究比较,采用在表孔末端设置锥形体消能工[3,4]方案来优化研究。

3.1.1 修改方案Ⅰ(中表孔设锥形体方案)

修改方案(Ⅰ)是在中表孔末端设置锥形体消能工,锥形体正面宽度7.5 m,正面中间高度2.0 m,纵向轴长5.0 m,其目的是利用锥形体横向扩散水流,分散单位面积上的流量,减小下游冲刷。试验表明,中表孔锥形体起到了较好的水流扩散作用,但左、右表孔向心集中作用依然存在。

3.1.2 修改方案Ⅱ(3表孔设锥形体方案)

修改方案Ⅱ是在3个表孔末端都设置锥形体(体形同方案Ⅰ),试验表明,3个表孔均可形成横向扩散水流,左、右表孔锥形体对水流的扩散作用,有效的克服了左、右表孔向心集中的影响。下游河道冲刷状况有一定改善。

3.1.3 修改方案Ⅲ(中表孔锥形体上移方案)

根据前两个修改方案所取得的试验成果,进行了中表孔锥形体下延(1.0 m)和上移(1.0 m)、以及不同锥形体高度的组合对比研究,目的是控制挑流水舌落点,使3个表孔横向扩散水流前后拉开,分层泄流,尽可能分散水流能量,达到减小下游河道冲刷的目的。经多种组合比较,选择3个表孔锥形体消能工体型一致,及锥形体正面宽8.5 m,正面中间高度2.5 m,纵轴长5.0 m。左、右表孔锥形体消能工在表孔末端,中表孔锥形体消能工由表孔末端向上移1.0 m方案作为推荐方案[5～7]。表孔优化推荐方案消能工体型图详见图2。

3.2 表孔折流器体型优化

对于右表孔500 a一遇校核洪水位时(库水位907.16 m),水流冲砸岸坡现象,经过比较,在右表孔右边墙上设置了折流器(导向角 θ=10.224°,折流器宽 b=1.35 m),试验表明,加设折流器后解决了右表孔下泄水流在校核洪水位冲砸岸坡的问题。

3.3 泄洪中孔体型优化

泄洪中孔存在的问题是明流段水流冲击工作弧门门铰支承横梁,危及弧门安全。原方案中孔设计体型试验分析认为,造成水流冲击工作弧门门铰支承横梁与无压明流段较短、窄缝收缩鼻坎抬高水深以及门铰高程设置偏低、窄缝收缩相对长度(一般取为宜)[8]偏短有关。经研究比较,中孔体型,采用将无压明渠段加长2.294 m,门铰升高1.732 m,收缩长度由2.5 m延长至3.0 m,相对收缩比改为L/B=0.75,俯泄槽末端高程降低1.146 m的优化方案。试验表明,在修改优化体型下,解决了泄洪中孔存在的问题。

图2 推荐方案表孔体型图

4 推荐方案水舌形态及消能防冲

表孔采用优化推荐锥形体消能工后,下泄水流在各特征洪水工况下,3个表孔均可形成扩散水流,并使左、右表孔下泄水流在前,中表孔下泄水流在后,达到了控制水舌落点,分散水流能量的目的。左表孔设置锥形体消能工后,向左侧横向扩散水流和中孔水舌相碰撞,消耗了部分水流能量,有效的克服了表孔向心集中影响,使下泄水流落点分布较为合理,减轻了下游河道的冲刷。

右表孔右边墙加设折流器后,将下泄水流导入河槽,解决了右表孔下泄水流冲砸岸坡的问题。

泄洪中孔在修改体型下,明流段流态较好,工作弧门支铰升高至859.5 m高程后,在500 a一遇校核洪水位运行时支铰处水面有2.8左右的富裕度。挑流水舌光滑,窄缝消能工适应于全开和局开各种运行工况。

在30 a一遇(消能防冲)洪水(库水位905.00 m)左、右表孔+中孔联合泄洪时,溢流表孔水舌挑距左、中、右分别为53 m、51 m和50 m,入水宽度约43.2 m,相应其下游河道最大冲刷深度为8.0 m,左岸边冲深为3.0 m,右岸边冲深仅为1.0 m。在500 a一遇校核洪水(库水位907.16 m)表孔+中孔联合泄洪时,表孔水舌挑距,左、中、右分别为50 m、48 m和45 m,入水宽度约46.2 m,相应其下游河道最大冲深为12.5 m,较无锥形体时减浅20%左右,由于水舌挑距加长,护坦末端无掏刷现象,并有5 m左右的不冲不淤段,坝基的安全得到了有效的保护。

右岸边冲刷深度由原方案的8.5 m减小为5.5 m,减小了35.2%,有利于右岸边坡的稳定和减小了右岸边坡防护工程量。

5 结 语

长塘水电站双曲拱坝下游河道狭窄,拱坝水流向心集中,对下游河床和右岸边造成严重冲刷。试验研究优化推荐的锥形体消能工挑流鼻坎,并采用消能工锥形体中表孔靠后,左、右表孔靠前的布置形式,充分发挥了锥形体鼻坎使下泄水流横向扩散的特点,也达到了控制水舌落点,使3个表孔横向扩散水流前后拉开,分散单位面积上流量的目的。解决了该工程存在的泄洪消能问题。长塘双曲拱坝溢流表孔锥形体消能工鼻坎布置方案可供同类工程借鉴。

[1] 肖兴斌.高坝泄洪消能研究应用新发展述评[J].四川水力发电,1995,(4):60-64.

[2] 武汉水利电力学院主编.水力计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,1980.

[3] 倪汉根.高效消能工[M].大连:大连理工大学出版社,2000年.

[4] 高季章.我国高水头大流量泄水建筑物采用新型消能工的运行实践[J].中国水利水电科学研究院学报,1998,(1):1-5.

[5] 花立峰,南晓红.河岸式溢洪道体型布置分析与优化研究[J].水利与建筑工程学报,2003,1(1):22-25.

[6] 纪志强,刘萍,梁宗祥.贵州省野纪河长塘水电站水工水力学整体模型试验报告[R].陕西杨凌:西北水利科学研究所,2007.

[7] 王国杰,崔华,梁宗祥.牛栏江象鼻岭水电站水工整体模型试验报告[R].陕西杨凌:西北水利科学研究所,2007.

[8] 水利水电泄水工程与高速水流信息网,水利部东北勘测设计科学研究院编.泄水工程与高速水流[M].吉林:吉林科学技术出版社,2000.