双层多股水平射流新型消能工安全运行方式研究
2020-03-12张苾萃潘江洋曾少岳苗宝广张永涛戴晓兵
张苾萃，潘江洋，曾少岳，苗宝广，张永涛，戴晓兵，顾 莉
(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)
1 研究背景
高低跌坎式新型消能工首次应用于向家坝水电站[1]。向家坝水电站枢纽由挡水建筑物、泄洪排沙建筑物、通航建筑物、左岸坝后厂房、泄水建筑物和右岸地下厂房等组成。电站最大坝高162 m，正常蓄水位380.00 m，汛期限制水位370.00 m。最大泄量48 680 m3/s，最大泄洪功率达40 000 MW。电站泄洪水头高，单宽流量大，表孔最大单宽流量296.24 m3/(s·m)，中孔最大单宽流量达343.34 m3/(s·m)。消力池入池流速约40 m/s，单宽流量225 m3/(s·m)。电站下游河床覆盖层深厚，右岸下游紧邻生活区以及天然气化工厂，左岸下游紧邻升船机。因此，电站泄洪消能工必须满足高水头大单宽流量泄洪安全，消能效果优，雾化程度低，泄洪尾水流态平稳、流速小。采用传统的挑流消能、底流消能和面流消能均不合适，经过多家机构研究、比较和论证，最终决定采用高低跌坎式消力池进行消能。其泄水坝段由两个消力池分隔成两部分，每个消力池池宽均为108 m，各由5个中孔和6个表孔间隔布置而成，中孔进口高程305.00 m，出口高程253.00 m，等宽布置，弧门尺寸6 m×11.24 m；表孔堰顶高程354.00 m，出口高程261.00 m，中间4孔出口对称收缩成6 m，边孔仅内侧收缩，收缩坡比1∶20，弧门尺寸8 m×26 m，如图1所示[1]。
图1 向家坝水电站中孔、表孔剖面布置(单位：m)
向家坝水电站泄洪消能研究成果表明，新型消能工使高速水流以双层多股的方式进入消力池水体中部，形成水平淹没射流，各股水流紊动掺混剧烈，消能效果好；高速水流的主流脱离消力池底部，临底流速大幅度降低；出池水流平顺，泄洪雾化影响范围显著减小；下游河床冲刷轻微[2-7]。但向家坝水电站泄洪孔口多达22个，入池水流扩散空间大，平面流态稳定性与泄洪孔口布置格局、闸门开启方式、单孔泄量等均有关系，影响因素多，情况极为复杂，且无运行先例，故特对闸门开启方式进行了系统研究，了解闸门不同开启方式下消力池的水力特性，制定合适的闸门调度方式，为电站科学运行提供技术支持，也为该新型消能工的应用积累经验。
2 研究思路
依托向家坝工程，利用1∶100水工整体模型，对库水位354、370 m和380 m下，中孔单独开启、表孔单独开启、中表孔联合开启，孔口开度从2 m到全开的各种运行组合进行了系统研究。
初期拟定调度原则：①先发电后弃水，即电站可发电的机组满发后才泄洪。②考虑中孔闸门运行水头高，启闭检修不方便，正常运行期中孔闸门只允许全开运行；蓄水初期只有中孔可运行，考虑通航非恒定流控制的要求，允许中孔局部开启运行。③考虑表孔可以局部开启，运行方便，拟定先表孔后中孔运行。④闸门孔口多，运行调度极为复杂，为简化运行调度，闸门原则上对称均匀开启。⑤左池出流较平顺，利于下游通航，故采取先左池后右池运行。⑥小流量运行时，底板荷载较小，故重点关注消力池导墙安全和下游通航条件，即控制流态、出池流速和水面波动。⑦闸门分序分级开启，控制下游水位小时变幅。⑧向家坝电站每年行洪时间长达3个月以上，泄水建筑物运行频繁，故应力求简化调度，减少闸门启闭次数。
因此，针对左池表孔单独均匀对称开启，研究表孔不同开启组合下运行时合适的开度区间。再根据水力学指标确定何时启用右池表孔和左右池中孔。研究表孔单独运行和表中孔联合运行的闸门调度方式。
3 研究成果
3.1 基于泄洪安全的闸门调度方式研究
3.1.1水力指标
高低跌坎式消力池，双层多股水流分散射入消力池水体中，主流与周围水体相互剪切摩擦，形成复杂的三元水跃流态。流态与泄量和主流的淹没度密切相关，其平面稳定性与主流的扩散空间和淹没度有关，闸门的开启方式直接影响消力池的各项水力学指标。流态的稳定性直接关系到其他水力学指标，是决定消力池结构安全的关键指标。临底流速是决定消力池底板安全的重要指标。消力池尾坎水面波动影响下游通航。出池流速的大小影响下游河道冲刷、通航以及江岸稳定。
流态试验成果显示，表孔单独泄流，从侧面看，随着泄量增大，流态从自由射流过渡到淹没射流。单池部分孔口开启时，为自由射流(主流在表面)；6个表孔全开，消力池流态为半潜射流(池首部分主流出露)；双池所有表孔均匀开启，单孔泄量1 300 m3/s以上时才为淹没射流。中孔单独泄流和表中孔联合泄流，消力池流态为淹没射流。从平面上看，单池内2孔对称运行，单孔泄量在700 m3/s以下时，流态较稳定，两个间距最大的泄流孔之间形成平面弱回流，尾坎流速和水面波动均较小；单孔泄量大于700 m3/s时，主流行程逐渐增长，并逐渐冲击尾坎，回流增强，尾坎流速和水面波动逐渐增大，指标不理想，其中，③④孔开启时流态摇摆不定，直至冲击尾坎后才稳定地偏向一侧。单池4孔对称运行，单孔泄量在500 m3/s以下时，流态相对稳定，中间2～4孔开启运行，扩散空间较大时，主流间歇性摆动，尾坎流速和水面波动均较小；单孔泄量大于500 m3/s时，主流逐渐冲击尾坎，流态摇摆频率加快，尾坎流速和水面波动逐渐增大，指标不理想。中间4孔运行时，适当增大②⑤孔泄量可增加流态的稳定性，但泄量差应小于50%。单池6个表孔开启运行时，流态稳定，但单孔泄量大于1 000 m3/s时，尾坎水面波动超过3 m。6孔运行，两边孔单孔泄量与中间4孔不同时，边孔与中间单孔的泄量差应小于50%。
中孔单独运行，单孔泄量小于350 m3/s时，1～2孔对称开启流态均稳定。单池内3孔间隔对称均匀开启和4孔对称开启流态稳定。5孔对称开启，单孔泄量在700 m3/s以下时，闸门均匀开启消力池流态对称稳定；单孔泄量大于700 m3/s时，闸门均匀开启消力池流态不稳定，两边孔泄量大于相邻中间孔，有利于消力池流态稳定。
中、表孔联合泄流，下泄中小流量时消力池内形成淹没射流。单池内所有表孔与部分或全部中孔联合运行，或单池内所有中孔与边表孔或者全部表孔联合运行，流态稳定。
试验成果显示，表孔单独运行，流态稳定的工况，临底流速最大仅为7.74 m/s，出池流速最大7.93 m/s，消力池尾坎最大水面波动3.10 m。中孔单独运行时，临底流速最大为12.54 m/s，出池流速最大为6.69 m/s，消力池尾坎水面波动最大为4.10 m。中、表孔联合运行时，临底流速最大为14.23 m/s，出池流速最大为6.64 m/s，消力池尾坎水面波动最大为4.80 m。表孔单独运行指标较优。
3.1.2闸门调度方式
根据试验成果，结合调度原则，考虑减小闸门启闭次数，兼顾下游通航，初拟库水位370～380 m时闸门运行方式为：小流量泄洪时，先对称均匀开启左池表孔运行。2个表孔运行时，单孔泄量不大于700 m3/s；4个表孔开启运行时，单孔泄量宜不大于500 m3/s，中间4个表孔开启时， ②⑤孔泄量可适当增大到700 m3/s；6孔均匀开启，单池运行时单孔泄量不宜大于1 000 m3/s。单孔泄量大于1 000 m3/s时，开启右池表孔泄流。表孔全开后，中孔再参与运行。闸门开启顺序为：依次分批开启②⑤表孔、③④表孔、①⑥表孔、⑧表孔、⑨⑩表孔、⑦表孔、③中孔、①⑤中孔、②④中孔、⑧中孔、⑥⑩中孔、⑦⑨中孔，其中，闸孔编号从左到右递增。闸门关闭的顺序相反。
蓄水初期库水位354.00 m，只能由中孔单独对称均匀开启运行，依次分批开启③中孔、①⑤中孔、⑥⑩中孔、⑧中孔、②④中孔、⑦⑨中孔。部分闸孔开启运行时，单孔泄量不超过300 m3/s。当中孔全开泄流，库水位超过354.00 m时，表孔参与敞泄。
3.1.3实施效果
向家坝水电站于2012年10月下闸蓄水，随后中孔开闸泄洪，原型观测成果显示，各项水力学参数与模型试验成果相似，抽水检查发现消力池完好，仅有局部磨损，表明新型消能工消能效果良好，泄洪安全，闸门运行方式是合适的。
3.2 兼顾减振要求的闸门调度方式研究
3.2.1振动与泄洪的关系
电站下闸蓄水初期，中孔开闸泄洪后，水富县城局部地区发现有门窗振动现象，育才路5栋7楼振动最大，最大加速度峰值0.030 4g。泄洪引发的场地振动一直存在，因其他工程多远离生活区，故未引起人们关注。发现振动现象后，多家院校和机构立即开展研究，成果显示，振动与泄洪有关，相同下泄流量泄水孔口调度方式对振动大小影响较大。
为探明振动与泄洪之间存在的关系，2013年～2015年进行了原型闸门调度试验和运行监测，成果[8]显示：①振动量与孔口下泄流量正相关。②多孔、小开度、表孔中孔联合泄洪可有效减小振动，最优减振调度方式为，当Q孔≤1 500 m3/s时，单池中孔运行；1 500 m3/s
3.2.2闸门调度方式优化
根据原型观测成果，结合减振要求，对闸门调度方式进行优化：①中孔改为可以局部开启；②提前开启中孔与表孔联合运行；③提前从单池运行过渡到双池运行；④尽量使表、中孔泄量均衡和左右池泄量均衡。
同时考虑闸门操作方便性和运行可靠性，调整闸门调度方式为：Q孔≤1 500 m3/s时，左池表孔运行；Q孔=1 500～4 500 m3/s时，左池中、表孔联合运行；Q孔>4 500 m3/s时，双池中、表孔联合运行。
3.2.3运行结果
(1)中、表孔联合泄流消力池流态稳定。
(2)左消力池底板临底最大顺水流方向流速8.7 m/s，最大逆水流方向流速8.8 m/s。尾坎坎顶平均流速8.8 m/s。
(3)消力池底板压强基本服从静压分布。
(4)消力池导墙、底板及坝面中隔墙的低频振动位移很小，均处于正常运行状态。
(5)2014年～2018年正常泄洪工况下水富县最大振动加速度峰值基本控制在0.015g以下；仅在孔口流量为4 700～5 100 m3/s时，由左池6个表孔均开5 m、5个中孔均开3 m运行，转到增加右池⑧表孔均开2 m运行时振动较大，最大加速度峰值0.016 2g。进一步减小左池单独运行的泄量至4 000 m3/s，并增加右池表孔起始开启孔数到4孔，即均衡两池的下泄流量，之后未见振动加速度超过0.015g，为人体无感的振动。原型监测表明，工程运行至今，振动对房屋结构安全和人体舒适性的影响均在国家相关标准限值之内。
4 结 语
通过对向家坝电站泄水建筑物闸门运行方式的不断深化研究，将双层多股水平射流新型消能工最优运行方式概括为如下12个字：对称均匀、先表后中、分散均衡。对称均匀即闸门应对称均匀开启；先表后中是考虑便于闸门启闭和减小消力池底板荷载；分散指多层多孔小开度分散泄流，即水流分多层多股均匀分散进入消力池水体，减小单孔泄量，增加与周围水体的剪切掺混，提高消能率；均衡是指中孔表孔均衡泄流和左池右池均衡泄流，中孔和表孔均衡泄流，使各股主流能量相当，以保持主流稳定，双池均衡泄流，泄洪能量由左右消力池均衡分担，降低单个消力池底板的荷载极值，提高消力池运行的安全度。
场地振动与泄洪消能孔口调度方式相关，消力池流态越平稳，边壁荷载越小，消能越充分，下游场地振动也越小。
