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泄水建筑物消能池設計探析
添加時間:2019-08-13

  橋街水電站泄水建筑物消能方案研究與分析

  摘要:橋街水電站出口消能池受壩址區地形地質條件的限制, 橫斷面布置為不對稱形。結合消能池結構布置, 就底流式消能中下挖式消能池和綜合式消能池的消能效果展開對比研究, 選取了合理的消能方式。通過水力模型試驗, 對所選消能池結構設計進行優化, 試驗結果表明不對稱的擴大斷面形式帶來的過流能力加大效應明顯低于其因不對稱帶來的對水流的擾動效應, 池內自中部開始布設消能墩消能效果顯著。無論從結構布置, 還是消能效果方面, 選用底流綜合式消能池明顯優于下挖式消能池。

  關鍵詞:橋街水電站; 消能池; 消能方式; 水力模型試驗; 消力墩;

  作者簡介: 寇甲兵 (1984) , 男, 河北張家口人, 工程師, 主要從事水工結構設計相關工作。;

  收稿日期:2018-03-26

  Study and Analysis of Energy Dissipation Scheme for Sluice Structure of Qiaojie Hydropower Station

  KOU Jia-bing MI Yan-fang

  Yunnan provincial survey and design institute of water conservancy and hydropower

  Abstract:The energy dissipation pool at the outlet of Qiaojie Hydropower Station is confined by the topographic and geological conditions of the dam site area. Combined with the structure layout of energy dissipation pool, the energy dissipation effect of undercutting energy dissipation pool and comprehensive energy dissipation pool in the bottom flow energy dissipation is compared and studied, and a reasonable energy dissipation method is selected.Based on the hydraulic model test, the structure design of the selected energy dissipation pool is optimized.The test results show that the effect of increasing the flow capacity caused by asymmetric enlarged section is significantly lower than the disturbance effect. The energy dissipation effect of installing energy dissipation piers in the middle of the pool is remarkable. In terms of structure layout and energy dissipation effect, the bottom-flow comprehensive energy dissipation pool is obviously superior to the bottom-dig energy dissipation pool.

  Keyword:Qiajie hydropower station; energy dissipation pool; energy dissipation mode; hydraulic model test; baffle block;

  Received: 2018-03-26

  0 引言

  橋街水電站位于保山市騰沖縣芒棒鎮, 是龍江—瑞麗江干流龍江一級~騰龍橋河段龍頭水庫及相關梯級水電站開發方案中位于龍文橋電站下游的第二級電站, 電站裝機容量2×22。5MW, 設計水頭22m, 設計發電引用流量238。8m3/s, 是以發電為單一任務的徑流引水式電站。

  橋街水電站總庫容998.4×104m3, 工程等別為Ⅳ等, 工程規模為小 (1) 型, 主要建筑物按4級設計, 次要建筑物按5級設計。設計洪水標準為50a 1遇, 校核洪水標準為500a 1遇, 消能防沖標準為20a 1遇。電站主要建筑物由攔河壩擋水建筑物、泄水建筑物、發電建筑物組成。

  攔河建筑物為常態混凝土重力壩, 泄水建筑物為雙孔的泄洪平底閘孔, 廠房形式為河床式廠房、與取水口聯合布置, 作為擋水建筑物的一部分, 壩頂高程1280.50m, 最大壩高48.5m (主廠房壩段) , 壩頂長180.25m, 大壩共分6個壩段, 編號從左至右排列, 依次為:第1號、2號壩段為左岸非溢流壩段, 第3號壩段為安裝間壩段, 第4號壩段為取水發電壩段, 第5號壩段為泄洪沖沙孔壩段, 第6號壩段為右岸非溢流壩段。

  1 泄水建筑物消能池設計

  1.1 消能池布置

  根據橋街水電站壩址區的地形地質條件, 泄洪沖沙孔雙孔布置于5號壩段, 出口消能設施的布置受兩側結構和地形的限制, 橫斷面布置為不對稱形。其中, 順水流向左側受廠房壩段尾水邊墻的限制, 需共用, 同時為盡量增大過流斷面面積左邊墻考慮為直墻形;順水流向右側為下游河道轉彎處, 順邊坡開挖布置為梯形, 消能池標準橫斷面底寬為26m, 頂寬為40m, 左邊墻鉛直, 右邊墻邊坡自上而下分別為1∶1.2和1∶0.8, 過流面積較矩形斷面明顯增大。

  1。2 消能方式的選擇

  目前, 常采用的泄水建筑物下游水流銜接與消能措施大致有以下3種形式, 底流式消能、挑流式消能和面流式消能[1]。本工程根據現場地形條件, 布置采用底流式消能方式。底流消能是借助一定的工程措施控制水躍產生的位置, 通過水躍發生的表面旋滾和強烈紊動來消能的一種方式。底流消能又區分為下挖式消能池、平底消能坎、綜合式消能池[2] (由下挖式消能池和消能坎組合成的一種消能池形式) 。

  橋街水電站消能池的消能防沖標準為20a 1遇洪水, 下泄流量1780m3/s, 相應上游水位1276m, 下游水位1259.15m, 出口接河床位置的地面高程約在1249.2m附近。

 

  圖1 底流式消能工不同消能方式示意圖  

  受泄流量較大及地形條件的限制, 為在有限的地形條件下, 盡可能地提高消能效果、減少工程量, 本工程就底流式消能中下挖式消能池和綜合式消能池的消能效果進行計算對比[3], 不同消能方式的示意圖見圖1。

  1.2.1 下挖式消能池

  消能池型式采用底流下挖式消能池時, 消能池的尺寸按下述過程進行計算。

  1) 確定池深。

  式中:σ——安全系數, 可取1.05~1.10;φ——消能池出流的流速系數, 一般取0.95;ht——消能池出口下游水深, ht=9.95m;——消能池中發生臨界水躍時的躍后水深, m;Q——消能防沖流量, m3/s;b——消能池寬度, m;S——消能池池深, m。

  式中各項含義結合圖1中 (下挖式消能池) 使用。

  計算得:消能防沖工況下hc=4。686m, 相應的躍后水深=12。129m, 池深S=1。8m。

  2) 確定池長。因Frc=2。155, 消能池池長按下式計算:

  自由水躍長度Lj為:Lj=9。5 (Frc-1) ×hc

  消能池池長Lk為:Lk=0.8Lj=42m

  經計算, 消能池采用底流下挖式消能池時, 池深取1.8m, 池長為42m。

  1.2.2 綜合式消能池

  消能池型式采用底流綜合式消能池時, 消能池的尺寸按下述過程進行計算。

  1) 確定坎高。使坎后形成臨界水躍, 即=ht=9.95m, 求hc1:

  式中各項含義同下挖式消能池, 并結合圖1中 (綜合式消能池) 使用。

  計算得:坎后躍前水深hc1=6.02m, 坎前總水頭H10=11.06m, 坎高c=2.27m。為安全起見, 坎高實際取值較計算值稍低, 使坎后形成稍有淹沒的水躍, 坎高設計取值為2.1m。

  2) 確定池深。使池內形成稍有淹沒的水躍, 則

  計算得:消能池池深為S=1。2m。

  3) 確定池長。因Frc=2.155, 消能池池長計算同下挖式消能池:即Lk=42m。

  經計算, 消能池采用底流綜合式消能池, 池深取1.2m, 坎高取2.1m, 消能池池長為42m。

  通過兩種消能方式的計算對比分析:采用下挖式消能池方式時, 所需最小池深為1。8m;采用綜合式消能池方式時, 所需最小池深為1。2m, 即采用綜合式消能池較采用下挖式消能池下挖深度減少0。6m, 為避免消能池開挖量過大, 本工程采用了底流綜合式消能池, 池深1。2m, 坎高2。1m, 池長42m, 消能坎頂寬2。5m, 上游面鉛直, 下游面正坡1∶0。5。

  1.3 消能池模型試驗

  因橋街水電站泄洪能力較大, 相應消能池尺寸較大, 且過流斷面布置為不對稱形, 為復核泄洪流態及綜合式消能池的消能效果, 按1∶50的模型比尺做了水力學模型試驗。消能池模型下游視圖見圖2, 消能防沖工況下消能池的水流流態見圖3。

  經模型試驗對比驗證, 得出如下結論:

  1) 不對稱的擴大斷面形式加大了電站的泄流能力, 且因不對稱帶來的對水流的擾動效應在可控范圍內, 明顯低于不對稱所帶來的過流能力加大效應。

  2) 出口消能坎上游側布置為1∶1的斜坡形式, 與布置成鉛直面相比, 消能效果更優。

 

  圖2 消能池模型下游視圖  

 

  圖3 消能防沖工況消能池的水流流態  

  3) 消能池內布置消能墩[4]對縮短消能池池長、提高消能效果明顯;且消能墩自消能池中部開始布設, 可以增大消力池上游端的水深, 減小流速, 對削減消能尾坎壅水過高, 降低護坦下游沖坑深度效果更優。

  通過模型試驗[5], 對消能池結構進行了局部優化, 將消能坎上游側調整為斜坡布置, 并從消能池中部起布設了3排消能墩, 其中第1、3排平行布置了3個;第2排布置了4個, 并與第1、3排交錯布置。

  2 結論

  綜合式消能池是底流消能的一種常用設施, 是由挖深式消能池和消能坎組合成的一種消能方式, 在單獨使用導致消能池開挖量過大, 坎后難以形成淹沒水躍時推薦采用。本工程就底流式消能池的布置方式進行了計算對比分析, 并通過水力學模型試驗, 對消能池的具體布設進行了優化, 主要結論如下。

  1) 下游消能方式選用底流綜合式消能池, 較底流下挖式消能方式, 有效降低了消能池池深, 減少了消能池開挖。

  2) 受地形條件限制, 消能池斷面布置為不對稱形, 較等寬布置過流能力加大, 經水力模型試驗驗證:不對稱的擴大斷面形式帶來的過流能力加大效應明顯低于其因不對稱帶來的對水流的擾動效應。

  3) 消能坎上游側布置為斜坡式消能效果更優。

  4) 池內布置消能墩輔助消能, 且消能墩自消能池中部開始布設消能效果更優。

  本工程的消能池斷面形式、綜合式消能池的布置、出口消能坎的形式及增設消能墩的位置均經水力模型試驗驗證、綜合對比確定。

  參考文獻

  [1]黃朝煊.梯形斷面消力池擴散型消能計算[J].水利水電科技進展.2016, 36 (05) :34-38.
  [2] 黃朝煊.綜合式消力池坎高與池深組合消能計算研究[J].長江科學院院報, 2018 (01) :1-6.
  [3]杜澤金, 李蘅.曉街河水庫溢洪洞消能設計與優化措施[J].水電與新能源, 2016 (07) :17-19.
  [4]張宇, 劉曉平, 蘇天宇, 等.低水頭樞紐消力墩位置對消能效果的影響[J].水運工程, 2016 (05) :88-91.
  [5]楊秀玲, 陳云良, 田靜杰, 等.金王寺水庫共用消力池水工模型試驗[J].水電能源科學, 2015, 33 (04) :107-108

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