熊建寧 張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,重慶 400020)

1 概述

中壩子水電站位于重慶市城口縣境內(nèi)任河右岸一級(jí)支流畔河中下游。壩址距城口縣城約 10.8km,距陜西嵐皋縣約 40km,主要功能為發(fā)電、供水和防洪。建筑物主要由攔河壩、泄水建筑物、引水隧洞、調(diào)壓井及發(fā)電廠房組成。大壩建筑物為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程 954.00m,壩頂寬 4.00m,設(shè)計(jì)最大壩高 81.00m。大壩主要采用三孔溢流表孔泄流,溢流表孔為 WE S曲線堰,溢流堰頂高程942.00m,每個(gè)溢流表孔寬 7.0m。設(shè)計(jì)下泄流量為 Qp=2%=924m3/s,校核流量 Qp=0.2%=1360m3/s,消能防沖流量 Qp=3.33%=834m3/s;水電站裝機(jī)容量25M W。原設(shè)計(jì)采用平尾墩差動(dòng)布置方式,中孔溢流面采用折線連接,溢流高程為 934.50m,兩側(cè)孔采用反弧連接,溢流高程為 936.00m。

壩址位于河流 “幾”字形凸起的頂部河段上,壩址處河谷狹窄,河床底寬 20～50m,高程 881～887m。壩址相對(duì)高差大于 1000m,屬構(gòu)造剝蝕—侵蝕中山峽谷地形。壩址河谷走向與巖層走向斜交,為斜向谷,河谷剖面形態(tài)為基本對(duì)稱 V形;壩軸線 950m高程河谷寬約 110m,寬高比值 1.8。壩址出 (揭)露地層為青白口系龍?zhí)逗咏M (Q b21)[原前震旦系躍嶺河群 (Z1ayL)]下部層凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖,基巖抗沖系數(shù):弱風(fēng)化 1.3～1.4,微風(fēng)化 1.1～1.2,在河床及兩岸斜坡分布有第四系全新統(tǒng) (Q4)河流沖積、崩、殘坡積層。

文獻(xiàn)研究表明有些百米左右的雙曲拱壩工程最大泄洪流量已達(dá)到或超過 4000～5000m3/s,從控制工程總投資的角度出發(fā),其下游河道未設(shè)消力池 (或水墊塘)。由于本工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差,為節(jié)省投資,擬取消水墊塘。但受河道狹窄地形的限制,可供表孔使用的溢流前緣寬度比較小,采用表孔泄洪,必將導(dǎo)致河道沖淤問題嚴(yán)重。如何對(duì)泄流表孔進(jìn)行體形設(shè)計(jì),是一個(gè)非常值得探索研究的課題。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)結(jié)果

城口中壩子水電站泄流表孔原設(shè)計(jì)布置見圖 1和圖 2。表孔單孔寬度 7.0m,最大單寬過流量為64.8m2/s,采用連續(xù)挑坎時(shí),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)挑坎末端水深為 3.9m,流速 16.8m/s,依此計(jì)算水流弗勞德數(shù) F r=2.7。較小的弗勞德數(shù)與拱壩泄洪向心集中問題疊加,對(duì)水流挑距與入水時(shí)的能量分散必然產(chǎn)生一定影響。原設(shè)計(jì)方案的水舌流態(tài)見圖 3,三孔水流呈 “品”字形落入下游河道,兩側(cè)孔由于有挑坎而挑距較大,落水點(diǎn)位于壩趾下游 38.7～44.2m范圍,而中孔挑距在壩趾下游 31.95～34.0m范圍內(nèi)?？罩兴喑蕦挶庑?兩邊孔水流在空中交匯,邊孔水舌易沖砸下游岸坡,水舌落點(diǎn)集中。原設(shè)計(jì)方案時(shí)不同洪水的河道沖淤溢流中心地形剖面線見圖 4。從圖 4中可以看出,沖坑深度達(dá)21.3m,最深點(diǎn)距離壩腳不足 45m,坑深與壩腳距離之比為 1∶2.11,對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響。

圖1 原設(shè)計(jì)表孔體型平面布置

圖2 原設(shè)計(jì)表孔體型剖面

通過試驗(yàn)結(jié)果表明,原設(shè)計(jì)表孔體型的不足之處主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

圖3 溢流流態(tài) (設(shè)計(jì)流量)

圖4 下游沖刷剖面

(1)采用連續(xù)挑坎或橫向擴(kuò)散的挑流鼻坎可以滿足中小洪水消能防沖的設(shè)計(jì)要求,但大洪水泄洪時(shí),單寬流量與出口水深比較大,水流 F r數(shù)偏小,水舌挑距短,落點(diǎn)距離壩腳比較近,水流入水后形成的集中沖刷坑比較深。

(2)下游河道比較窄,不足 20m,原設(shè)計(jì)的三表孔方案的溢流前緣寬度超過 29m,兩邊孔水舌沖砸岸坡問題較嚴(yán)重。

2.2 修改體型試驗(yàn)結(jié)果

寬尾墩是我國首創(chuàng)的新型消能工,已在許多工程中得到廣泛應(yīng)用,它和挑流、底流、戽流、壩面臺(tái)階消能等多種消能方式聯(lián)合運(yùn)用,解決了大量常規(guī)消能工難以解決的消能防沖問題[1～6],由于寬尾墩可以獲得豎向及縱向充分?jǐn)U散的窄而高且長的水流,大為減小溢流前緣寬度,避免邊孔下泄水位沖砸下游岸坡,根據(jù)參考文獻(xiàn) [2],將兩邊修改為寬尾墩,中間仍為平尾墩,修改體形見圖5和圖6。水舌流態(tài)見圖 7。從圖 4中可以看出,消能防沖洪水時(shí),沖坑深度減小至 18.8m,最深點(diǎn)距離壩腳不足45.5m,坑深與壩腳距離之比為1∶2.42。

圖5 修改表孔體形平面布置

圖6 修改表孔體形剖面

圖7 水舌流態(tài) (修改體型)

2.3 推薦體型試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步減小下游沖刷,把修改方案中的中孔平尾墩改為寬尾墩,墩尾折角 10°,收縮比值為0.57,具體平面布置見圖 8,剖面見圖 6,水舌流態(tài)見圖 9。三股水流縱向拉伸并且平行分散入水,落水點(diǎn)在壩趾下游 45m左右,各閘孔水翅較小,中孔流態(tài)好于兩側(cè)孔,主要因?yàn)橹锌走M(jìn)流條件更對(duì)稱,兩側(cè)孔有較小程度游蕩性水翅。由于縱向拉伸,所以兩側(cè)入水水舌離兩岸邊距離相對(duì)較遠(yuǎn),在岸邊處產(chǎn)生有一定程度的涌浪,在水舌入水處水流紊動(dòng)劇烈,經(jīng)過壩趾下游 350m河段調(diào)整后,水流歸槽較好,從圖 4中可以看出,消能防沖洪水時(shí),沖坑深度已減小至 15.5m,比原設(shè)計(jì)體形減小了27.2%,最深點(diǎn)距離壩腳 46m,坑深與壩腳距離之比為 1∶2.97,可以保障大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

在上述特征洪水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,又對(duì)閘門不同開度及不同開啟方式的多種洪水泄洪工況進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,該消能工體形完全能滿足工程泄洪消能的要求。

圖8 推薦表孔體型平面布置

圖9 水舌流態(tài) (推薦體型)

3 結(jié)論

系列試驗(yàn)研究表明,在中小型拱壩表孔泄洪建筑物體形設(shè)計(jì)時(shí),若采用寬尾墩縱向拉開的聯(lián)合布置形式,泄洪消能的效果較好,消能率有較大提高,下游河床沖坑深度減小,且位置遠(yuǎn)離壩腳,保證了大壩的安全運(yùn)行。中壩子工程泄洪建筑物推薦方案體型,為中小型拱壩表孔布置方案提供了一種比較合理的消能工思路和體型布置方式,這一思路在節(jié)約工程投資的同時(shí),縮短了工期,可供同類工程參考借鑒。

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