中图分类号:TV653+.3 文献标识码:A 文章编号:1007-2284(2011) 02-0084-04
Experimental Research on Shape Optimization of Flood Discharge and Energy Dissipation Structures of Hydropower Stations on TurNIng Channel
REN Cheng-yao，ZHANG Jian-min，LI Zhong
Abstract: There is a contrastive experiment for two arrangements of shape and hydraulic characteristics of flood discharge and dissipation structures. In order to investigate the problems of turning and flow returning channel of downstream channel of stilling basin when trajectory energy dissipation is used . Trajecory nappe forms，flow patterns in stilling basin and connection of o ut-flow and a suggested scheme satisfying the design requirement are gained. The disadvantageous hydraulic conditions of the worse connection of out-flow and downstream channel and the big water-level fluctuation of river are eliminated.
Key words: hydropower station on turning channel; shape optimization; energy dissipation by trajectory jet
我国水能资源多位于西部高山峡谷地区。近20 年来我国一大批接近300 m或超过300 m的高坝或超高坝都要相继开始建设。这些工程在泄洪消能方面的共同特点是“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”，其泄洪流速可达50 m/s、最大单宽流量均超过200 m3 / (s·m ) 、单宽消能功率达300 MW/ m、单位水体消能率达10~ 30 kW/ m3，泄洪消能问题十分突出，已成为水利水电工程设计和运行安全的控制因素之一[1，2] 。所以对泄洪建筑物做了大量的工作。目前国内对一些新型的消能工作了大量的研究和推广，可分为3 大类，即收缩式(窄缝挑坎和宽尾墩)，扩散式(大差动挑坎、斜切挑坎及舌型挑坎、短边墙扩散挑坎)，水舌碰撞式、水舌分层跌落式及与水垫塘配合使用[3] 。
某水电站位于云南省怒江州内，在澜沧江上游河段。该电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等综合效益的大型水利水电工程。其正常蓄水位为1 619. 00 m，相应库容为14. 18 亿m3，校核洪水位为1 621. 97 m，调节库容为4. 41亿m3，相应库容为15. 00 亿m3，水库具有季调节性能。枢纽布置代表方案最大坝高为204 m，装机容量1 900 M W (4×475 MW) 。工程等级为一等。枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、放空底孔、左岸折线坝身进水口及地下引水发电系统组成。该工程属于大型高坝水电站，能量大，故泄洪消能尤为重要，所以提出两种泄洪消能体型布置方案以供选择。
1 模型制作
实验在四川大学水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室进行。模型为整体、正态模型，模型比尺为1：50。河道模拟总长度为2 000 m，包括坝轴线上游700 m至坝轴线下游1 300 m，库区1 630 m 高程以下，下游1 520 m 高程以下。因此，能保证上游流态和下游流态以及冲坑的相似性。模型采用有机玻璃制作，加工精度控制在±0. 2 mm 以内，安装的垂向精度控制在±0. 3 mm 以内，平面精度控制在±0. 5 mm 以内。
原设计方案泄洪建筑物由4 孔溢流表孔(4×13= 42 m) 和2 个放空底孔(5 m×8 m) 组成。2 个边孔泄槽末端设置窄缝坎，中间2 孔采用略微扩散的连续挑坎。放空底孔出口设窄缝鼻坎挑流消能，与溢流表孔共用一个消力池。下游消力池底宽114 m，采用复式梯形断面，消力池出口接转弯角为23°的转弯河道。消力池出口下游约200 m为发电尾水出口。本文提出2种推选方案(都已针对冲刷问题进行优化)，对比其水力学条件。一种方案由3 个溢流表孔(3×15= 45 m) 和2 个泄洪放空洞及1 条非常泄洪洞组成，以下简称3+ 2+ 1 方案(B方案) 。3+ 2+ 1 方案具体平面布置图及剖视图见图1、图2。泄洪洞一般在较大洪水时才参与泄洪。另一种方案泄洪建筑物由4 个溢流表孔(4×13= 42 m) 和2 个泄洪放空洞组成，以下简称4+2方案(A方案) 。该方案体型平面布置图见图3，泄洪建筑物剖视图参照3+ 2+ 1 方案图2，不同的是2 号、3 号溢流表孔出底口高程为1 488 m，2 放空底孔出口采用窄缝并且扭曲斜切挑坎，出口底高程为1 541. 4 m。
图1 B方案平面布置图
Fig. 1 Plane layout of case B
图2 B方案剖视图
Fig. 2 Cutaway view of case B
图3 A方案平面布置图
Fig. 3 Plane layout of case A
2 试验结果分析
2. 1 流态
2 放空底孔出口挑坎形式优化后，挑流水舌形态和入水范围得到调整，改善了消力池的消能效果和水流衔接。2 方案消力池底宽均由114 m缩窄至84 m，A、B 方案落水区分别见图3、图1。试验表明，各级流量不同运行方式下，消力池消能充分，出池水流衔接平顺，出池后右岸流速略大于左岸流速，水面波动较小。2 方案的水面波动具体数据见表1。
表1 岸边水面波动对比
Tab.1 Contrast of undulation by the river bank
由表1 可以看出，B 方案水面波浪涌高较A 方案小，比较稳定。2 岸边水面线最大波动值多出现在消力池出口处(桩号为0+ 229. 57) 。大流量下可达到±2. 18 m，出池后水面越来越平顺。流量越大，水面波动越剧烈。值得注意的是，在相同流量下开启方式的不同，将影响水面波动最大值的位置。
2. 2 流速
岸边流速及其分布是判断体型是否合理优化的重要水力学参数。若岸边流速过大，则易对岸坡造成破坏，使岸坡不稳定。故体型优化过程中，尽量使主流区居于河道中部。岸边流速实测值对比见表2。
表2 岸边流速实测值对比
Tab. 2 Contrast of velocity of flow by the river bank
从表2 可以看出，A 方案在小流量时，岸边流速均不超过5m/s，左右两岸流速大小差不多，岸边流速最大值出现在消力池出口附近; 在大流量时则超过5 m/s，最大值能达到8 m/s 以上，对岸坡有一定的影响。B 方案中，小流量下的左右岸边流速最大值大多在5 m/s 左右，而流量在9 160 m3/s 及其以上时，各岸边流速最大值均在6 m/s 左右，右岸边流速最大值比左岸大，这是由于河道转弯所致。经测量发现，A、B 2 方案中,岸边流速较大值(> 5 m/s) 出现的岸边范围较小，在50 m以内，其下游很长一段的岸边流速都不大于4 m/s(大流量下) 。在相同大流量下，对比A、B 2 方案，由于B 方案有泄洪洞参与泄洪，则溢流表孔及放空底孔的泄洪压力减小，使消力池内水体所含能量降低，经消力池紊动消能后出流流速较A 方案小。所以，从流速指标看，B 方案比A 方案较为优越。
2. 3 冲刷特征
挑流和自由跌落射流是水利工程中广泛采用的消能方式,其携带的巨大能量，主要是在水垫塘的紊动扩散过程中被消散[9] 。因此，冲刷是泄洪消能中要考虑的重点。本工程中建有护坡不护底的消力池，基岩高程为1 435 m，下游河床高程为1 468 m(覆盖层较深)，并以此高程作为计算冲坑深度与堆丘高度的基准高程。经过试验发现原设计方案消力池已经见底，可见冲刷深度已经超过其覆盖层厚度，所以需要对其进行优化。
将溢流表孔出口扩宽减小其出口单宽流量，可减弱冲刷。本文对2 方案的连续坎都进行了扩宽。A 方案1 号、3 号出口由15 m扩宽为24 m，2 号出口由7 m缩窄为4 m。图4 为射流在冲坑内流速分布图[4]，速度V 随着水舌入水长度L 的增加而减小，当减小到与河床底部冲流速一致时则达到平衡状态，冲坑不再变深。图4 中水舌表示作用在消塘内向水体上的水舌。根据能量守恒原则，1 号、3 号出口横向加宽，则水舌变薄，水舌入水后流速衰减加剧，衰减长度L 变短，冲坑深度随之变浅。在1963 年陈椿庭就提出冲刷计算公式[5] :
T = k q0.5z0.25
式中: k 表示岩体的抗冲刷系数; q 为单宽流量。
可见单宽流量对冲坑深度的影响最大。但通过许多学者研究发现冲刷深度还与水舌入水角度，掺气浓度有关。而且单宽流量不再是狭隘的二维，已经发展到三维。冲刷可用公式表示为:
T a + Ts = f (c,β，k) q0.5 z0.25
式中: Ta 表示冲坑深度; Ts 表示水垫深度; f (c,β，k) 表示关于掺气浓度c、水舌入水角β、岩体抗冲系数k 的相关函数。对于缩窄后的2 号溢流表孔，水舌在纵向上被拉伸，单宽流量减小,并且水体在空中的时间变长，掺气更充分。有学者曾系统地研究过掺气对射流冲击水垫塘动水压强的影响[8]，结果表明: 射流掺气使塘底的时均压强明显减小，脉动压强明显减弱。
图4 射流在冲坑中扩散流速分布
Fig. 4 Spread of velocity of jet current in scour hole
图5 A方案与B 方案在消能防冲洪水下消力池中轴线冲刷示意图(单位: m)
Fig. 5 Scour of case A and B on flood of energy dissipating and anti-cour
图5为2推荐方案在消能防冲洪水下消力池内中轴线上冲刷示意图。A 方案显示的是连续坎的出流水舌形态，连续坎出流水体在横向上得到拉伸; B方案显示的是窄缝式的出流水舌形态，它在纵向上拉伸。2 推荐方案冲刷实测值对比见表3。从试验数据可以看出B方案的冲刷没有A 方案的严重，在流量为11 500 m3/s 时，B 方案比A方案冲坑深小2 m，在未冲刷到基岩高程时临底流速与抗冲流速相等，冲刷就达到平衡，比A方案好。
3 结语
(1) 从泄洪消能建筑物总体布置特点来看，有泄洪洞参与,泄洪运行方式灵活多样，可以满足实际运行要求。
表3 冲刷实测值对比
Tab. 3 Contrast of scour
(2) B 方案取消消力池下游右岸的丁坝，右岸边流速由4. 8m/s 增大到6. 0 m/s，但仍在允许范围内。且丁坝不易与岸坡牢固结合，所以B 方案比A 方案更易于施工。
(3) B 方案冲刷情况比A 方案好得多，不会使水体冲击到基岩，很好地保护消力塘。
(4) B 方案岸边水面波动明显降低(3 m 以内)，归槽水流能平顺衔接。
综上所述B 方案优于A 方案，建议设计采用该方案。
参考文献:
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作者简介: 任成瑶(1986- )，女，硕士研究生，研究方向: 水工水力学。
