金安桥水电站表孔泄流及底流消能研究

水力发电　第３７卷第１期　２０１１年１月　金安桥水电玷表孔被琉及底琉消能研究　李双宝，马　俊，邓良军　（中国水电顾问集团昆明勘ｊ贝４设计研究院，云南　昆明６５００５１）　摘要：介绍了金安桥水电站泄洪消能方案的选择，以及泄洪消能建筑物布置及水力学计算，重点对消能进行了较　为详尽的分析研究，同时也简要介绍了水力模型试验，进一步验证了理论分析的成果，从而为该工程泄洪消能结构　形式的确定提供了理论及试验依据。　关键词：泄洪；消能；理论分析；模型试验；金安桥水电站　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｂｏｔｔｏｍ－—ｆｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｊｉｎ＂ａｎｑｉａｏ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｌｉ　Ｓｈｕａｎｇｂａｏ，Ｍａ　Ｊｕｎ，Ｄｅｎｇ　Ｌｉａｎｇｊｕｎ　（ＨｙｄｒｏＣｈｉｎａ　Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００５　１，Ｙｕｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｐｉｌｌｗａｙ　ｏｆ　Ｊｉｎ＇ａｎｑｉａｏ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂｏｔｔｏｍ－ｆｌｏｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ．Ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐｉｌｌｗａｙ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｖｅｒｉｉｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｔｅｓｔ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏｏｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ；Ｊｉｎ＇ａｎｑｉａｏ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　中图分类号：ＴＶ１３５．２（２７４）　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１１）０１－００３８—０４　金安桥水电站工程为一等大（１）型工程。枢纽　布置从左至右依次为：左岸非溢流坝段、左冲沙底　孔坝段、引水发电坝段（后接坝后式明厂房）、右泄　洪冲沙底孑Ｌ坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段。　威胁。因此．多方研究最终选定了溢流表孔底流消　能的泄洪消能方式ｌｌｌ。　１＿２泄洪消能建筑物布置　泄洪消能建筑物由左、右底孔及其泄槽，溢流　坝段、泄槽、消力池及海漫组成。其中，左、右底　其中，溢流坝段共设５孔泄流表孔，后接泄槽和　消力池。　孔分别布置在厂房坝段左、右侧，其主要功能为泄　１　消能方案选择及泄洪建筑物布置　１．１　泄洪消能方案选择　枢纽区左岸边坡受地形和地层岩性、地质构造　洪、冲沙保库、保障电站进水口“门前清”、降低坝　前淤沙高程．在施工后期参与导流、导流洞下闸封　堵后向下游河道供水等。　根据调洪及泄流能力初步计算以及地形地质条　件，溢流坝段、泄槽及消力池布置于右岸天然台地　上。泄洪建筑物共设５孑Ｌ　１３　ｒｅｘ２０　ｍ开敞式表孔，　边墩厚度为４　１ＴＩ，中墩厚度５　１ＴＩ，溢流坝段前沿总宽　为９３．０　ＩＴＩ：孔口设有检修平板门和弧形工作门，分　等多方面因素的影响，曾发生过崩塌，并形成了一　些崩塌堆积体。这些崩塌堆积体的组成物质为碎　石、块石夹粘质粉、砂土，中等密实，部分较松　散，天然状态下均处于稳定状态；但在开挖切角、　爆破、泄洪雾化等不利因素影响下，存在坍滑失稳　别采用门机和液压启闭机控制，操作平台与坝顶同　高程均为１　４２４　ｍ。闸墩前缘呈尖圆流线形，悬出　的可能。其中，Ｂ加崩塌堆积体规模最大，体积约　２２６万ｍ　．且位于厂房尾水渠及泄洪消能建筑物泄　洪雾化影响区。　上游坝面５　ｍ：溢流坝堰顶高程为１　３９８　Ｉｎ，设计定　型水头　＝０．８５８Ｈ．￣＝１９．７３２　Ｉｎ，堰面为ＷＥＳ曲线，　在可研阶段，曾考虑挑流方案；但由于表孔挑　流泄洪量大、运行频繁，所产生的雾化对Ｂ加的影　响难以定量分析：又根据已建工程的经验，泄洪雾　化对Ｂ　崩塌堆积体的不利影响是一个巨大的潜在　收稿日期：２０１０—１１—０５　作者简介：李双宝（１９７６一），男，云南建水人，工程师，主要从　事水电站的设计工作．　圈ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３７Ｎｏ．，　弟３７卷弟１别　字从玉，号手：盂女竹ｒ小电　衣　）　』　刀兀，日日已　九　方程为Ｙ：０．０３９　６３４Ｘ　，原点上游为ｉ段圆弧组　成。曲线末端接１：０．７５直线段和半径Ｒ＝５５　ｍ的反　弧段：溢流坝后接长约２００．０　Ｉｌｌ的泄槽及长约１７０．０　ｍ的消力池．消力池后设海漫＿Ｌｊ原河床平顺连接。　根据河床地形地质条件，消力池后海漫高程　确定为１　２９８．０　ｍ。为避免池后出现远驱式水跃，在　此海漫高程下对消力池末端设消能坎和下挖成池方　案进行综合比较。由于跌坎方案坎后水流落差较大，　需二次消能：故，消力池选定为下挖式。　２泄洪消能理论分析　２．１　泄洪标准　根据枢纽建筑物等级ｌ】Ｉ，泄洪设计标准为５００年　一遇．校核标准为５　０００年一遇，下游消能防冲建　筑物设计标准为１００年一遇。　泄洪与消能计算时，选取了以下４种典型丁况　（括号中流量为经水库调洪后的下泄总流量）进行　计算：校核洪水（９＝１７　６５３　ｍ３／ｓ，Ｐ＝Ｏ．０２％）；设计　洪水（ｐ＝１４　７００　ｍ３／ｓ，Ｐ＝Ｏ．２％）；百年洪水（ｐ＝１２　４００　ｍ３／ｓ，Ｐ＿１％）；十年洪水（Ｑ＝８　８８０ｍ３１ｓ，Ｐ＝１０％）。　２－２泄流能力计算　开敞式表孔为主要的泄洪通道，其泄流能力（）　根据ＳＬ２５３－－２０００《溢洪道设计规范　Ｉ按ｐ＝ｓ・ｍ・ｎ・　ｂ　Ｖ＇２ｇ・ｈ　进行计算。式中，ｈ为堰上作用水头，　库一　堰＝　库一ｌ　３９８．０　ｍ；ｂ为表孔每孔净宽，　６＝ｌ３．０　ｍ；ｎ为表孔孑Ｌ数，ｎ＝５；ｍ为流量系数，按　规范有关规定计算选用：　为侧收缩系数，为简化　计算，计算中取ｓ＝０．９０。　根据上述公式及参数，在不同水位下计算得相　应泄流量．见表１　表１　溢流坝表孔泄流库水位一流置关系曲线　２．３消力池消能计算　２．３．１　消能计算原理　泄洪水流由溢流表孔下泄，经泄槽进入消力池　并存池内发生水跃而消能。为保证各级洪水在池内　均能发生稍有淹没的水跃，提高消能效率，同时使　消力池尽可能经济合理，需要对消力池结构尺寸及　体形参数进行理论计算与分析。　先按式（１）　判别收缩断面处的水流自然衔接形　式以确定是否修建消力池　Ｅｏ＝ｈ　＋　（１）　２ｇｈ　１　ｃ　＝—　－（、／Ｔ　ｒ一１）　（２）　式中，　为弗劳德数，Ｆｒ＝—鲁　；Ｅｏ为收缩断面　Ｖ　处的上、下游能量差。　计算分析表明，在各级洪水时均需修建消力池。　在上述分析基础上，分别对库前水位、池前、　池末写能量方程．可得　一Ｚｏ＋ｓ＝ｈ　４－—　—了　（３）　ｒ＋嘉一２　ｇｈ　ｚ（＼　ｈｔ＋一ｇ－ｑ．）２＂ｔｉＰ，ｃ　）／　　ｃ４　根据水跃方程．可得　。　等）　㈣　式中，ｑ为消力池内单宽流量；　为上游库水位；　为消力池后海漫高程；ｈ　为下游水深，为池后水位　与海漫高程之差，即ｈ，＝五一　；　为消力池下挖深　度即池深；ｈ。为收缩断面水深亦即跃前水深；ｈ　为　使消力池内发生稍有淹没的水跃，一般取ｈｒ＝ｃｒｈ　１．　０５　；　为消力池末端流速系数，计算中取　＝０．９５；ｈ　为坝上作用水头；Ｐ为溢流坝高度。　在消能计算时（见图１），由于ｓ，ｈ　、ｈ　为未　知量，其余均为已知量，故联立求解式（３）（４）（５）可　得该３个未知量。　消力池长度计算经验公式　Ｌ＝Ｏ．７５ｘ６．９（　一　）＿５．１７５（　一ｈ）　（６）　２．３．２消能计算参数　首先，确定南溢流坝表孔下泄流经泄槽进入消　力池内的各级流量及相应单宽流量ｑ。考虑到校核　洪水时（此时不再发电），右底孑Ｌ参与泄洪，泄洪量　Ｑ＝２　６９９．０　１１１　／ｓ，进入消力池的流量则为校核洪水流　量减去底孔流量。对于设计洪水标准以下洪水．仅　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．　回　小／Ｊ仅电　２０１１年１月　图１　消力池消能计算示意　考虑表孔泄流量而不计入右底孔泄流量，但需扣除　部分电站引用流量才是进入消力池的流量。因泄洪　时，电站未必全部机组均发电；故，偏安全地考虑　一２．３．３消能计算结果及分析　南前所述消能计算原理及计算参数，利用程序　进行计算，最终得结果如表４所示。　消能防冲洪水标准为百年一遇洪水，故选定消　力池底板高程为１　２８２．５ｉｎ，即下挖深度　＝１５．５　ｍ：　而池长则结合地形地质条件并综合考虑各级洪水工　况，最后选定为Ｌ＝１７０　ｍ，并按此结构尺寸开展模　型试验研究　半的引用流量，即ｐ＝１　２１０　ｍ３／ｓ，则进入消力池　的各级流量如表２所示　表２消力池消能流量计算表　３模型试验研究　３．１　泄流能力　昆明理工大学及武汉大学两家科研单位对溢流　表孑Ｌ的泄流能力进行了量测ｌ２Ｉ，分析整理后与计算结　果进行了比较（见表５）。　表５泄流能力计算成果比较　其次．根据下泄总流量。在坝址区水位～流量关　系曲线上插值查取下游水位。下游水位与池后海漫　高程　＝１　２９８．Ｏｍ之差，即为消能计算时所需的下　游水深ｈ　Ｚ＿Ｆ—Ｚｏ。　综上所述，得各级流量下消能计算参数３）。　表３消力池消能参数计算　（见表　山表５中可以看出，理论计算与两单位实测数　据基本吻合，满足设计要求。　表４消能计算成果　阿Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．　第３７卷第１期　孚　，寺：置女价ｚＫ电蚰衣扎　Ｊ　况　目Ｂ￣ｆＹ＇ｔ３　图２金安桥水电站泄洪消能建筑物剖面布置　３．２模型试验　从模型试验的成果来看，常规平底水跃消力池　底流速１３．９５　ｍ／ｓ，对高流速段均应进行抗冲耐磨　设计。　入口处在设计１　况下临底流速高达４０．１９　ｍ／ｓ，实属　困内外罕见。常规钢筋混凝土结构难以承受如此高　流速大流量的水流，因此临底流速问题成了制约底　流消能方案成立的决定性冈素。根据郭子中先生关　于混合流消能的理论，以及前苏联萨扬舒申斯克　（Ｓａｙａｎｏ—Ｓｈｕｓｈｅｎｓｋａｙａ）水电站工程的实践经验，参　经理论分析及试验研究，最终选定的泄洪消能　建筑物剖面布置如图２所示。　４结语　水力学理论计算和模型试验验证的结果表明，　金安桥水电站溢流表孑Ｌ的泄流能力能够满足设计的　要求。　在泄洪消能方案的选择中，由于受地形地质条　件的制约，溢流表孔选用了底流消能的消能方式。　但表孑Ｌ泄洪水头高达１４５　ｍ，最大泄洪流量１４　９５４．２　ｉｎ３／ｓ．考国内在建相似工程的模型试验成果，若通过在收　缩断面处没置一定高度、具有一定挑射角的跌坎，　使高速水流不直接作用于消力池底板上，可大幅降　低临底流速。多方案试验研究表明，将本工程消力　池前端底板高程降底６．０　ＩＩ１后，临底流速有大幅度　的降低。　在消力池前端底板降低６．０　Ｉｌｌ的跌坎式底流消　能模型试验的所有：Ｉ　况中，有７种工况为溢洪道泄　泄槽末收缩断面处试验流速高达４０．１９　ｍ／ｓ　（设计工况），传统的平底板底流消能难以解决底板　在高速水流作用下的抗冲耐磨及结构问题，因此能　否降低临底流速，是制约本工程泄洪消能成功与否　槽消力池单独运行Ｔ况。在这７种工况下，整个流　的关健。经过近两年的理论分析研究，以及有关科　研单位的多个模型试验，通过在收缩断面处设一跌　坎的措施，成功降低了临底流速．使得本１：程的泄　洪消能方案得以顺利实施。　道流态基本相似，库　水面平稳，溢流表孔堰前、　堰面和泄槽段的流态良好：消力池内均能形成淹没　式水跃，随着流量的增大，消力池内水跃跃首的位　置逐渐向下游推移；水跃充分发展区的位置基本不　变。经过模型试验研究和分析．可以得出如下结论　与建议［２１：　参考文献：　［１］巾国水电顾问集团昆明勘测设计‘研究院．金安桥水电站可行性　（１）枢纽总体布局设计方案基本合理。　（２）泄流建筑物泄洪能力可以满足设计要求　（３）在宣泄校核及设计洪水时，消力池内水流　紊动较为剧烈；但出池水流平稳，孑Ｆ泄　年以下洪　水时，出池流速均较小，消能效果较好；池后水力　衔接、归槽均较平顺　研究报告［Ｒ］．昆明：巾国水电顾问集团昆明勘测设汁研究院，　２００５．　［２］昆明理＿Ｉ　大学，武汉大学，中同水电顾问集团昆明勘测设汁研　究院．金安桥水电站整体水Ｔ模型试验研究报告［Ｒ］．昆明：中　国水电顾问集团昆明勘测设计研究院．２００５．　［３］ＳＬ２５３　２０００溢洪道设计规范［Ｓ］．　［４　武汉水利电力大学．水力学试用教材（上、下册）［Ｍ］．北京：　（４）动水　力分布正常，符合一般规律。　（５）泄槽段最大流速４３．６８　ｍ／ｓ，消力池最大临　高等教育　版社，１９８５．　（责任编辑　陈　萍）