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泄水建筑物消能池设计探析
添加时间:2019-08-13

  桥街水电站泄水建筑物消能方案研究与分析

  摘要:桥街水电站出口消能池受坝址区地形地质条件的限制, 横断面布置为不对称形。结合消能池结构布置, 就底流式消能中下挖式消能池和综合式消能池的消能效果展开对比研究, 选取了合理的消能方式。通过水力模型试验, 对所选消能池结构设计进行优化, 试验结果表明不对称的扩大断面形式带来的过流能力加大效应明显低于其因不对称带来的对水流的扰动效应, 池内自中部开始布设消能墩消能效果显着。无论从结构布置, 还是消能效果方面, 选用底流综合式消能池明显优于下挖式消能池。

  关键词:桥街水电站; 消能池; 消能方式; 水力模型试验; 消力墩;

  作者简介: 寇甲兵 (1984) , 男, 河北张家口人, 工程师, 主要从事水工结构设计相关工作。;

  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

  桥街水电站位于保山市腾冲县芒棒镇, 是龙江—瑞丽江干流龙江一级~腾龙桥河段龙头水库及相关梯级水电站开发方案中位于龙文桥电站下游的第二级电站, 电站装机容量2×22.5MW, 设计水头22m, 设计发电引用流量238.8m3/s, 是以发电为单一任务的径流引水式电站。

  桥街水电站总库容998.4×104m3, 工程等别为Ⅳ等, 工程规模为小 (1) 型, 主要建筑物按4级设计, 次要建筑物按5级设计。设计洪水标准为50a 1遇, 校核洪水标准为500a 1遇, 消能防冲标准为20a 1遇。电站主要建筑物由拦河坝挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物组成。

  拦河建筑物为常态混凝土重力坝, 泄水建筑物为双孔的泄洪平底闸孔, 厂房形式为河床式厂房、与取水口联合布置, 作为挡水建筑物的一部分, 坝顶高程1280.50m, 最大坝高48.5m (主厂房坝段) , 坝顶长180.25m, 大坝共分6个坝段, 编号从左至右排列, 依次为:第1号、2号坝段为左岸非溢流坝段, 第3号坝段为安装间坝段, 第4号坝段为取水发电坝段, 第5号坝段为泄洪冲沙孔坝段, 第6号坝段为右岸非溢流坝段。

  1 泄水建筑物消能池设计

  1.1 消能池布置

  根据桥街水电站坝址区的地形地质条件, 泄洪冲沙孔双孔布置于5号坝段, 出口消能设施的布置受两侧结构和地形的限制, 横断面布置为不对称形。其中, 顺水流向左侧受厂房坝段尾水边墙的限制, 需共用, 同时为尽量增大过流断面面积左边墙考虑为直墙形;顺水流向右侧为下游河道转弯处, 顺边坡开挖布置为梯形, 消能池标准横断面底宽为26m, 顶宽为40m, 左边墙铅直, 右边墙边坡自上而下分别为1∶1.2和1∶0.8, 过流面积较矩形断面明显增大。

  1.2 消能方式的选择

  目前, 常采用的泄水建筑物下游水流衔接与消能措施大致有以下3种形式, 底流式消能、挑流式消能和面流式消能[1]。本工程根据现场地形条件, 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跃产生的位置, 通过水跃发生的表面旋滚和强烈紊动来消能的一种方式。底流消能又区分为下挖式消能池、平底消能坎、综合式消能池[2] (由下挖式消能池和消能坎组合成的一种消能池形式) 。

  桥街水电站消能池的消能防冲标准为20a 1遇洪水, 下泄流量1780m3/s, 相应上游水位1276m, 下游水位1259.15m, 出口接河床位置的地面高程约在1249.2m附近。

 

  图1 底流式消能工不同消能方式示意图  

  受泄流量较大及地形条件的限制, 为在有限的地形条件下, 尽可能地提高消能效果、减少工程量, 本工程就底流式消能中下挖式消能池和综合式消能池的消能效果进行计算对比[3], 不同消能方式的示意图见图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时, 消能池的尺寸按下述过程进行计算。

  1) 确定池深。

  式中:σ——安全系数, 可取1.05~1.10;φ——消能池出流的流速系数, 一般取0.95;ht——消能池出口下游水深, ht=9.95m;——消能池中发生临界水跃时的跃后水深, m;Q——消能防冲流量, m3/s;b——消能池宽度, m;S——消能池池深, m。

  式中各项含义结合图1中 (下挖式消能池) 使用。

  计算得:消能防冲工况下hc=4.686m, 相应的跃后水深=12.129m, 池深S=1.8m。

  2) 确定池长。因Frc=2.155, 消能池池长按下式计算:

  自由水跃长度Lj为:Lj=9.5 (Frc-1) ×hc

  消能池池长Lk为:Lk=0.8Lj=42m

  经计算, 消能池采用底流下挖式消能池时, 池深取1.8m, 池长为42m。

  1.2.2 综合式消能池

  消能池型式采用底流综合式消能池时, 消能池的尺寸按下述过程进行计算。

  1) 确定坎高。使坎后形成临界水跃, 即=ht=9.95m, 求hc1:

  式中各项含义同下挖式消能池, 并结合图1中 (综合式消能池) 使用。

  计算得:坎后跃前水深hc1=6.02m, 坎前总水头H10=11.06m, 坎高c=2.27m。为安全起见, 坎高实际取值较计算值稍低, 使坎后形成稍有淹没的水跃, 坎高设计取值为2.1m。

  2) 确定池深。使池内形成稍有淹没的水跃, 则

  计算得:消能池池深为S=1.2m。

  3) 确定池长。因Frc=2.155, 消能池池长计算同下挖式消能池:即Lk=42m。

  经计算, 消能池采用底流综合式消能池, 池深取1.2m, 坎高取2.1m, 消能池池长为42m。

  通过两种消能方式的计算对比分析:采用下挖式消能池方式时, 所需最小池深为1.8m;采用综合式消能池方式时, 所需最小池深为1.2m, 即采用综合式消能池较采用下挖式消能池下挖深度减少0.6m, 为避免消能池开挖量过大, 本工程采用了底流综合式消能池, 池深1.2m, 坎高2.1m, 池长42m, 消能坎顶宽2.5m, 上游面铅直, 下游面正坡1∶0.5。

  1.3 消能池模型试验

  因桥街水电站泄洪能力较大, 相应消能池尺寸较大, 且过流断面布置为不对称形, 为复核泄洪流态及综合式消能池的消能效果, 按1∶50的模型比尺做了水力学模型试验。消能池模型下游视图见图2, 消能防冲工况下消能池的水流流态见图3。

  经模型试验对比验证, 得出如下结论:

  1) 不对称的扩大断面形式加大了电站的泄流能力, 且因不对称带来的对水流的扰动效应在可控范围内, 明显低于不对称所带来的过流能力加大效应。

  2) 出口消能坎上游侧布置为1∶1的斜坡形式, 与布置成铅直面相比, 消能效果更优。

 

  图2 消能池模型下游视图  

 

  图3 消能防冲工况消能池的水流流态  

  3) 消能池内布置消能墩[4]对缩短消能池池长、提高消能效果明显;且消能墩自消能池中部开始布设, 可以增大消力池上游端的水深, 减小流速, 对削减消能尾坎壅水过高, 降低护坦下游冲坑深度效果更优。

  通过模型试验[5], 对消能池结构进行了局部优化, 将消能坎上游侧调整为斜坡布置, 并从消能池中部起布设了3排消能墩, 其中第1、3排平行布置了3个;第2排布置了4个, 并与第1、3排交错布置。

  2 结论

  综合式消能池是底流消能的一种常用设施, 是由挖深式消能池和消能坎组合成的一种消能方式, 在单独使用导致消能池开挖量过大, 坎后难以形成淹没水跃时推荐采用。本工程就底流式消能池的布置方式进行了计算对比分析, 并通过水力学模型试验, 对消能池的具体布设进行了优化, 主要结论如下。

  1) 下游消能方式选用底流综合式消能池, 较底流下挖式消能方式, 有效降低了消能池池深, 减少了消能池开挖。

  2) 受地形条件限制, 消能池断面布置为不对称形, 较等宽布置过流能力加大, 经水力模型试验验证:不对称的扩大断面形式带来的过流能力加大效应明显低于其因不对称带来的对水流的扰动效应。

  3) 消能坎上游侧布置为斜坡式消能效果更优。

  4) 池内布置消能墩辅助消能, 且消能墩自消能池中部开始布设消能效果更优。

  本工程的消能池断面形式、综合式消能池的布置、出口消能坎的形式及增设消能墩的位置均经水力模型试验验证、综合对比确定。

  参考文献

  [1]黄朝煊.梯形断面消力池扩散型消能计算[J].水利水电科技进展.2016, 36 (05) :34-38.
  [2] 黄朝煊.综合式消力池坎高与池深组合消能计算研究[J].长江科学院院报, 2018 (01) :1-6.
  [3]杜泽金, 李蘅.晓街河水库溢洪洞消能设计与优化措施[J].水电与新能源, 2016 (07) :17-19.
  [4]张宇, 刘晓平, 苏天宇, 等.低水头枢纽消力墩位置对消能效果的影响[J].水运工程, 2016 (05) :88-91.
  [5]杨秀玲, 陈云良, 田静杰, 等.金王寺水库共用消力池水工模型试验[J].水电能源科学, 2015, 33 (04) :107-108

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