观音岩水电站泄水建筑物水力学关键技术问题

'水力发电第41卷第2期2015年2月观音岩水电站泄水建筑物水力学关键技术问题罗永钦，张绍春，杨家卫(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650033)摘要：结合观音岩水电站泄水建筑物的关键水力学问题，阐述了双泄中孔掺气减蚀试验、明渠溢流坝消力池体形优化试验、岸边溢洪道取消中隔墙试验的研究成果。研究结果表明：双泄中孑L泄槽底板掺气减蚀效果总体较好；明渠溢流坝新型跌坎渐扩式消力池消能充分，临底水力学参数较小，应加强底板关键区域的结构稳定设计；岸边溢洪道取消中隔墙后基本不影响下游河道的消能防冲效果，但是减弱了工程运行的灵活性，运行宜同时参照工程调度试验成果。关键词：水力学；岸边溢洪道；明渠溢洪道；双泄中孔；观音岩水电站StudyontheKeyHydraulicsProblemsofFloodDischargeSWuc~reofGuanyinyanHydropowerStationLUOYongqin，ZHANGShaochun，YANGJiawei(PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited，Kunming650033，Yunnan，China)Abstract：ThekeyhydraulicproblemsforthewaterdischargestructureofGuanyinyanHydropowerStationarestudiedbyexperiments，includingaerationandcavitationpreventiontestofdoubledischargemiddleoutlets，stillingbasinshapeoptimizationtestfortheopenchannelspillwayandcancelingmid-partitiontestforfiver-bankspillway．Theresultshowsthat,(a)theaerationeffectforcavitationpreventionofchutebottomofdoubledischargemiddleoutletsisgood；(b)thestillingbasinwithstep-downanddiffuserinthechannelspillwaycanfullydissipateenergy,thehydraulicparametersnearthebottomaresmaller,butthestructuralstabilitydesignofkeyareasinthefloorshouldbeimproved；and(C)thecancelingofmid-partitionforriver-bankspillwaynearlydoesnotaffecttheeffectofenergydissipationanderosionresistanceofdownstreamfiverchannel,buttheoperationflexibilityofstationwillbeweakenedwhichshouldbeoptimizedaccordingtooperationschedulingtestresults．KeyWords：hydraulics；fiver—bankspillway；openchannelspillway；doubledischargemiddleoutlet；GuanyinyanHydropowerStation中图分类号：TV135．1(274)文献标识码：B文章编号：0559—9342(2015)02—0090-04孔、双泄中孔、明渠溢洪道表孑L为主，左冲沙底孑L1工程概况主要承担枢纽排沙和施工后期渡汛任务，枢纽最大观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川I下泄流量为21139m3／s。该工程具有流量大、水头省攀枝花市交界的金沙江中游河段，为金沙江中游高、泄水建筑物多、运行组合方式灵活等特点：各河段规划八个梯级电站的最末一个梯级。工程由混泄水建筑物体形亦有典型代表性，双泄中孔100m凝土重力坝和心墙堆石坝组合而成．包括左岸非溢水头级泄槽小底坡掺气坎体形、明渠溢洪道跌坎消流坝段、河中坝后厂房坝段、右岸溢流坝段及右岸心墙堆石坝段，混合坝坝顶高程1139In，最大坝高收稿日期：2014—05—21159ITI。正常蓄水位为1134ITI，相应库容21．75亿m。．基金项目：中国水电工程顾问集团有限公司科技项目(GW—KJ调节库容5．55亿m。2013-13)泄水建筑物由岸边溢洪道、明渠溢洪道、双泄作者简介：罗永钦(1982一)，男，四川I中江人，高级工程师中孑L和左冲沙底孑L组成。枢纽泄洪以岸边溢洪道表博士，从事水力学研究． 第41卷第2期罗永钦，等：观音岩水电站泄水建筑物水力学关键技术问题左边孔右边孔图1双泄中孔掺气坎体形力池的泄洪安全研究倍受关注。闸墩中墩厚4m，边墩厚5ITI，下游堰面曲线为=0．0428537x，曲线下游与1：0．75的坝坡相切。坝2双泄中孔掺气减蚀试验研究⋯坡尾部设跌坎，跌坎顶高程1017．501TI。原设计方双泄中孔布置在电站进水口右侧，进口高程案入水角度采用水平方向，人池采用突扩形式，消1045．00m．分左右两孔．每孑L进口检修门尺寸为力池宽45m，长180ITI，池底高程1009．00113，尾5mX10m，坝后工作弧门尺寸5mX9Fn。进口中隔坎顶部高程1027．001TI。消力池底板厚4m。墩厚6m，边墙厚4．5In。工作弧门后紧接泄槽，底基于1：70的整体水工模型与1：35的单体水工坡为5％。泄槽末端设舌形挑坎，挑坎顶高程为模型试验成果表明．明渠溢洪道消力池在部分泄洪1043．00m．挑坎反弧半径为50m，挑角为35。工况下，消力池内为自由出流，未形成稳定水跃的4032。双泄中孔施工期兼作纵向围堰，运行期与底流消力池流态．同时闸墩后的水冠较大，有明显左冲沙底孑L联合，进行冲沙和参与大坝泄洪。水团射出边墙外。为此进行了消力池体形修改方案双泄中孔最大运行水头92．37ITI。泄槽最大流速试验，分别对消力池跌坎顶高程、尾坎体形、顶高近40m／s，泄槽掺气减蚀问题是研究重点。由于泄程及进口入水角度进行优化．得到最终推荐体形，槽底坡小(5％)，掺气坎易形成空腔回水，掺气如图2所示。推荐体形消力池进口顶高程1017．500m，坎体形优化是研究的难点。基于1：40单体水工模型底板高程1009．000In．尾坎顶高程1031．000m，消试验对双泄中孔掺气减蚀问题进行研究，通过采取力池进口设置向下俯冲角为6。。采用渐扩形式：坝掺气坎的坎下变坡、调整掺气挑坎体形及坡度等措面设置了“前置斜尾墩的多通道掺气设施”，以有效施，得到各级掺气设施的推荐体形(见图1)，解决减弱闸墩后水冠，在尾墩后形成掺气通道．保证坝了小底坡掺气坎的设置优化问题。面充分掺气。推荐体形在死水位以上工作闸门全开工况下，推荐方案在各运行工况下，斜尾墩后有较小水左右两孔突扩突跌部位、1、2号掺气槽均拥有稳定冠产生，水冠形态稳定。未溅出两侧边墙。消力池的掺气空腔形态：空腔长度20～30m，空腔负压内水跃稳定，消力池前半段水面波动较大，后部水0．35～3．53kPa，通气井最大风速10．44m／s，气水比体总体平顺。设计水位三孔闸门全开时，消力池内1．05％～2．09％．空腔无回水．能满足泄槽掺气减蚀最大临底流速为15．69m／s，底板最大脉动压力为的要求。各道掺气坎后保护范围约1001TI，符合相55．30kPa。底板板块四周止水全破坏后，板块下缝关规范要求．表明掺气槽布置位置、体形合理。隙脉动压力约为20kPa，与表面脉动压力相比，缝隙脉动压力有一定的衰减。水跃区缝隙脉动压力值3明渠溢洪道消力池体形优化试验研究大致为对应位置表面测点的1／4～1／2；水流平稳区缝明渠溢洪道由导流明渠改建而成，明渠溢洪道隙脉动压力值大致为对应位置的表面测点的0．7～1．0。段前缘总长45m，分两个坝段。表孔孔口为9mx消力池内单位面积最大时均上举力为10．0718m．孔数为3孔．堰顶高程为1116．00m。表孔kPa，最大上举力均方根为16．36kPa，位于脉动压WaterPowerVo1．41No．2幽 89高吉图2突跌渐扩式消力池体形(高程：m)力最大值后的板块(桩号0+160～0+180)。综合分析消力池实测水力参数，反弧段及消力池前部(桩号I0+120～0+180)水力参数变化梯度大、水力条件复杂，是泄洪安全结构设计应重点关注的部位。4岸边溢洪道取消中隔墙试验研究藿岸边溢洪道前缘总长75m，表孔孔口尺寸13mx21m(宽×高)，孔数为4孔，堰顶高程1113．00惶m，前部设检修闸门、后部设工作闸门。表孔闸墩中譬n+o蜷野墩厚5m，边墩厚4m，堰面曲线方程y=0．039183x--，曲线下游与1：0．75的坝坡相切，溢洪道泄槽底坡为7．5％。岸边溢洪道最大单宽流量达19o06m葛31+(oS蜒·髯m)．最大泄洪水头为103．8rn。泄槽原方案分为左右两槽，1号泄槽为1孔，总长538．601m，宽15m，主要宣泄小流量洪水；2号泄槽为3孔。总长566．240rn，宽51m，主要宣泄大流量洪水。此方案具有运行及检修灵活方便的特点，但中隔墙的存图3岸边溢洪遒挑流鼻坎体形(单位：m)在加大了_丁程造价，增大了结构稳定风险，从泄洪河道的泄洪消能效果消能角度来说，其存在的必要性有待进一步研究。岸边溢洪道有无中隔墙起止挑流量比较见表1基于1：70的整体水工模型试验，对岸边溢洪道从表1可知，取消中隔墙后，岸边溢洪道4孑L全开取消中隔墙方案进行了论证，取消中隔墙后，为达运行时起挑库水位为1124．390m，相应流量为到原双槽方案泄洪消能效果，对溢洪道出口挑流鼻3845m3／s；终挑库水位为1123．830m，相应流量为坎体形进行优化。经过比选试验，推荐鼻坎方案为3543m3／s，起止挑流量与设中隔墙方案相比偏大，正向斜鼻坎，左边墙扩散21。．右边墙以R390m向但均能在汛限水位1128．800以下起挑。从运行方式左岸收缩9。，最大挑角为26。，鼻坎末端最大高来看，设置中隔墙方案分左右两槽，左槽全开运行程1047．729rn，如图3所示。取消中隔墙后，百年时，在库水位1122．640m以上即能起挑，具有方频率洪水及其以下洪水频率时，下游河道冲坑最深便宣泄小洪水、运行灵活的优点，中隔墙的存在亦点普遍减小，对左岸岸坡的冲刷程度普遍减小．部可方便左、右两槽的检修。取消中隔墙基本不影响分工况对右岸岸坡淘刷程度有所增大，最大岸边流下游河道的消能防冲效果，减小了工程投资，应注速变化不大，推荐方案基本达到了原双槽方案下游意各洪水频率运行组合，避免出现最不利工况影响"{lwteTPo1t}erVot41No2 1口蒯0小认，寸：棚日t]，J＼埘J，，J＼蝠E~h"f4d／d＼／J于7驻仪／I＼ILuj甚表1岸边溢洪道有无中隔墙起止挑流量比较消能防冲效果，减小了工程投资，但影响了工程运行灵活性，宜参照调度试验优化泄洪建筑物运行方式。参考文献：[1]罗永钦．观音岩水电站招标设计阶段双泄中孔单体水工模型试验报告[R]．昆明：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，2011．[2]罗永钦．观音岩水电站施工详图设计阶段导流明渠溢流坝单体水工模型试验报告[RI．昆明：中国电建集团昆明勘测设计研究院工程泄洪安全。有限公司．2011．[3]罗永钦．观音岩水电站招标设计阶段枢纽整体水工模型试验研5结论究报告[R]．昆明：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，2011．基于金沙江观音岩水电站泄水建筑物的关键水[4]孙双科．我国高坝泄洪消能研究的最新进展[J]．中国水利水电力学问题，阐述了双泄中孔掺气减蚀试验、明渠溢科学研究院学报，2009，7(2)：249—255．洪道消力池体形优化试验、岸边溢洪道取消中隔墙[5]练继建．高坝泄洪安全关键技术研究[J]．水利水电技术，2009，试验的研究成果。结果表明：40(8)：80—88．(1)双泄中孔两孔泄槽掺气设施采用坎槽式组[6]孙永娟，孙双科．高水头大单宽流量底流消能技术研究成果综述合，结合坎下变坡的体形，底板掺气减蚀效果总体[J]．水力发电，2005，31(8)：70—72．较好。[7]罗永钦，何大明．“陡坡+跌坎”式消力池底板稳定性试验研究(2)明渠突扩渐扩式消力池消能充分且集中，[J]．应用基础与工程科学学报，2012，20(2)：228—236．临底水力学参数较小，应加强关键部位的结构稳定[8]练继建，杨敏．高坝泄洪工程[M]．北京：中国水利水电出版社，20O8设计。(3)岸边溢洪道取消中隔墙基本不影响下游河道(责任编辑焦雪梅)(上接第47页)的设施管理。风险防控和全寿命周国际领先水平。期管理的核心任务是为工程建设增值和为工程使用(4)我国超级高坝的建设面临复杂条件而可靠增值。基于全寿命周期管理的设计意味着在前期工性要求高，超高坝设计施工缺乏相应技术标准．超作阶段就要考虑项目规划、设计、建设和运行。直高坝的成套技术尚不够成熟．关键技术课题需要建至退役的全寿命历程的所有环节，以求所有相关因设各方联合协同攻关，风险防控和全寿命周期的有素在各个阶段都能得到综合规划和优化。系统研究效管理等方面的挑战。风险防控和全寿命周期设计技术在超高坝建设中显参考文献：得尤为迫切。[1]陈宗梁．世界超级高坝[M]．北京：中国电力出版社，1995．4结语[2]庞琼，王士军，倪小荣，等．世界已建高坝大库统计分析[J]．水利水电科技进展．2012(6)：34—37，59．(1)国外超级高坝建设起步较早，20世纪80[3]杨泽艳，赵全胜，方光达．我国水工技术发展与展望[J]．水力发年代达到高峰，近年建设数量虽有所减少，但仍然电，2012，38(10)：32—36．持续不断。我国超级高坝建设起步较晚，但发展较[4]杨泽艳，周建平．我国特高面板堆石坝的建设与技术展望[J]．水快，规划建设项目储备较多。力发电，2007，33(1)：67—71．(2)统计分析表明，国内外超级高坝的坝型主[5]谭靖夷．我国坝工技术的发展_J]．水力发电，2004，30(12)：7l_74．要集中在混凝土拱坝、混凝土重力坝、土心墙堆石[6]中国水力发电工程学会、中国水电工程顾问集团公司、中国水利坝和混凝土面板堆石坝等四种坝型上。国内外超级水电建设集团公司主编．中国水力发电科学技术发展报告『R]．北京：中国电力出版社。2013．高坝的坝型发展趋势基本一致。[7]李强，任青文，刘爽．基于突变理论的重力坝沿建基面失稳判据(3)国内外已建超级高坝都能安全可靠运行，研究[J]．力学季刊，2011，32(2)：83—88．但国外出现过的重大事故值得在后续建设中加以借[8]刘荣丽，杜效鹄．高坝工程抗震措施研究综述[J]．水力发电，鉴。我国已建混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝、面2013，39(12)：28—32．板堆石坝均是国内外最高的坝型．其筑坝技术处于(责任编辑焦雪梅)WaterPowerVo1．41No．2圜'