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(重慶渝浩水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 武隆，408500)

1 工程概況

角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內(nèi)忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第10級(jí)，上銜官莊電站，下接浩口電站。該工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主。

角木塘水電站為河床式電站，正常蓄水位為383.00m，死水位為381.00m，總庫(kù)容0.3259億m3，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)性能。電站總裝機(jī)容量70MW(2×35MW)，保證出力10.1MW，多年平均發(fā)電量2.51億kW·h，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要永久性建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要永久性建筑物按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩+壩身泄水孔+右岸河床式廠房等建筑物組成。

大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高55m，壩頂寬度為6.0m，壩頂高程388.0m。壩軸線總長(zhǎng)為153.07m，其中左岸非溢流壩段長(zhǎng)26.5m，右岸非溢流壩段長(zhǎng)47.07m，溢流壩段長(zhǎng)82.5m。表孔設(shè)5扇弧形工作閘門(mén)及1扇平面檢修鋼閘門(mén)，中墩厚3.5m(第2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，下游面375.72m高程以下閘墩厚4.875m)，邊墩厚3.0m，閘墩頂高程為389.0m。溢流壩段設(shè)置交通橋，布置于下游側(cè)閘墩上，橋面高程388.0m。大壩下游消力池?cái)嗝鏋榈固菪危Τ亻L(zhǎng)75.0m，底寬為43.86m，消力池內(nèi)設(shè)置7個(gè)消力墩，消力池末端設(shè)置反坡式尾坎，消力池與廠房尾水渠間在355m高程以下設(shè)置3m厚的隔墩。

擋水建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量為9610m3/s，500年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量為13600m3/s。下游泄洪消能防沖建筑物按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量為8790m3/s。

2 泄洪消能建筑物非完全寬尾墩研究

2.1 電站的特點(diǎn)及主要考慮因素

角木塘水電站由于工程壩址洪水量大，50年一遇設(shè)計(jì)洪水為9610m3/s，500年一遇校核洪水13600m3/s。在5孔溢流表孔壩段內(nèi)，受閘室束窄影響，行洪斷面設(shè)計(jì)最大單寬流量達(dá)近211m3/s·m，在下游消力池內(nèi)該值也接近170m3/s·m左右，而在各級(jí)洪水條件下，上下游水位差基本在20m以?xún)?nèi)，具有低水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)、底流消能率較低的特點(diǎn)，選定滿足要求的消能防沖布置方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)難度均較大。

在大單寬流量(200m3/s·m)、超低佛氏數(shù)(Fr=1～2)，上下游水位落差小的消力池內(nèi)消能率極低，尾坎處水面嚴(yán)重雍高，出池水流形成二次水躍，下游很遠(yuǎn)范圍內(nèi)水面波動(dòng)較大，河床和兩岸邊坡沖刷嚴(yán)重。初步設(shè)計(jì)方案中，在消力池內(nèi)布設(shè)中墩和T型墩等輔助消能工后，由于下游水深較大，輔助消能工作用不明顯。在溢流堰尾部增設(shè)趾墩后，能迫使入池主流下潛，增大水流水深方向的流速梯度，增強(qiáng)水流水深方向的剪切摻混作用，提高消力池的消能率，但一方面趾墩處存在流速大，趾墩兩側(cè)面壓力小，水流易出現(xiàn)空化空蝕的問(wèn)題，同時(shí)，另一方面中墩兩側(cè)流速高達(dá)15m/s，超過(guò)中墩規(guī)范允許值，兩側(cè)及頂部動(dòng)水壓力小，容易發(fā)生空化空蝕破壞。

2.2 泄洪建筑物表孔布置設(shè)計(jì)方案

河床式廠房布置于右岸，為了盡量降低廠區(qū)邊坡高度，并綜合考慮閘孔布置，溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流壩段長(zhǎng)82.5m，溢流凈寬5m×12.5m，堰頂高程364.50m，堰頂位置設(shè)5扇12.5m×19.6m弧形工作閘門(mén)和一扇12.5m×19.75m共用檢修閘門(mén)，工作閘門(mén)采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，檢修閘門(mén)采用單向門(mén)式啟閉機(jī)啟閉。溢流堰中部設(shè)置閘墩，閘墩凈距12.5m，閘墩墩長(zhǎng)38.08m，邊墩及導(dǎo)墻厚3m，中墩厚3.5m，墩頭為橢圓形，墩尾為半徑1.75m的半圓形，在第2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，寬尾墩折角為22.247°，折點(diǎn)離閘墩下游面7.64m，下游面375.72m高程以下閘墩厚4.875m，該位置閘孔凈寬6.25m。弧門(mén)支座牛腿寬5.2m，支座高度h為5.0m，支座外緣高度h1為2.2m，弧門(mén)推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離a為1.0m，弧門(mén)支座推力對(duì)閘墩厚度中心線的偏心距e0為2.75m/2.5m。壩頂交通橋設(shè)在下游閘墩上，橋面寬6.0m，橋面高程388m。溢流堰采用有較大泄流能力的WES實(shí)用堰，其上游堰面曲線采用三圓弧線，其半徑分別為9.577m、3.831m、0.766m，下游面采用冪曲線，曲線方程為y=0.0406x1.85，采用1∶1的斜坡與下游鉛直壩面相交。緊接邊墩設(shè)置導(dǎo)墻延伸至泄槽末端(壩縱0+044.548)，左岸導(dǎo)墻(壩縱0+033.920～0+044.548)頂部為1∶1的斜坡。

根據(jù)溢流壩面流速成果可知，各級(jí)洪量下泄時(shí)，溢流壩面流速不大，僅在常遇洪水(P=10%)工況時(shí)，表孔局部(壩縱0+022.896位置)流速較大(達(dá)18.28m3/s)，懸移質(zhì)泥沙含量較小，多年平均含沙0.506kg/m3，溢流面混凝土抗沖耐磨要求不高，溢流面考慮采用C35常態(tài)混凝土。由于弧門(mén)推力較大(達(dá)25280kN)，故閘墩考慮采用C35預(yù)應(yīng)力混凝土，每個(gè)中墩布置4排共計(jì)28根300t級(jí)預(yù)應(yīng)力主錨索，3排共計(jì)15根150t級(jí)預(yù)應(yīng)力次錨索；每個(gè)邊墩布置3排共計(jì)21根260t級(jí)預(yù)應(yīng)力主錨索，3排共計(jì)15根150t預(yù)應(yīng)力次錨索。支座牛腿采用C45混凝土，溢流壩段交通橋板、梁采用C25混凝土。

表孔平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 泄水消能建筑物平面布置

2.3 泄洪表孔泄流能力

角木塘水電站溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流壩段長(zhǎng)82.5m。溢流堰采用有較大泄流能力的WES實(shí)用堰。

表1 表孔泄流能力計(jì)算成果

各工況泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 消能型式分析

為考察在溢流表孔2#、4#孔上布置寬尾墩后對(duì)整體泄流水平是否有影響，對(duì)泄流能力進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，對(duì)比無(wú)寬尾墩體型下的泄流能力成果，分析該寬尾墩布置型式對(duì)泄流能力的影響。

通過(guò)選取典型工況，采用典型的閘門(mén)組合方式，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案中已測(cè)得的閘門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)流量，使得上游水位達(dá)到設(shè)定值(正常蓄水位383.0m))，而對(duì)于閘門(mén)全開(kāi)的工況，如P=2%流量及大于該流量的工況，調(diào)節(jié)泄流量，使得上游水位達(dá)到設(shè)定值。通過(guò)試驗(yàn)分析各工況下泄流能力和有無(wú)寬尾墩對(duì)比見(jiàn)表2和圖2。

表2 泄流能力對(duì)比列

圖2 各工況下有無(wú)寬尾墩的泄流能力對(duì)比

對(duì)比原始方案和加非完全寬尾墩聯(lián)合消能方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力結(jié)果，在相同閘門(mén)開(kāi)度和上游水位的條件下，閘門(mén)過(guò)流量有所差別，流量越大差別越小，流量越小差別越大。分析認(rèn)為：大流量情況下，上下游水位差小，寬尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情況下，寬尾墩對(duì)水流的阻礙作用很明顯；在P=50%工況下，相比無(wú)寬尾墩的情況，其泄流能力降低了14.68%；在P=0.2%工況下，相比無(wú)寬尾墩的情況，過(guò)流能力基本一致。各個(gè)工況下，泄流能力均滿足設(shè)計(jì)流量要求。

3 非完全寬尾墩方案分析

3.1 非完全寬尾墩方案特點(diǎn)和適用性分析

為了驗(yàn)證寬尾墩+消力池新型消能工在本工程的適用性，通過(guò)查閱設(shè)計(jì)規(guī)范，本工程寬尾墩僅在P=50%工況接近應(yīng)用要求(具體見(jiàn)表3)。

表3 各工況下參數(shù)hd/Pd情況表

非完全寬尾墩僅在2#、4#孔增加寬尾墩，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，P=50%工況采用2#、4#閘孔均勻開(kāi)啟方式最優(yōu)，且2#、4#孔布置寬尾墩能讓水流在水平方向最大程度的對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散，水流受到寬尾墩的水平束窄，射流的厚度大幅增加，使水流沿水深方向得到顯著擴(kuò)散，一方面向下擴(kuò)散的主流潛入池底與中墩充分撞擊后在縱向形成流速梯度，在池內(nèi)形成橫軸旋滾，另一方面向上擴(kuò)散的主流抬高水面高程迫使出閘水流在消力池首部形成水躍。再者2#、4#閘孔水流受寬尾墩的束窄，水流出了閘墩后在水平方向向兩側(cè)擴(kuò)散，一方面表層擴(kuò)散水流在3#孔閘墩后40m左右處撞擊，強(qiáng)烈紊動(dòng)摻氣，形成一個(gè)明顯的“V”字，另一方面向1#、5#閘孔擴(kuò)散的水流，撞擊邊壁后在消力池首部形成兩個(gè)大的立軸旋滾，特別是在常遇流量下，由于下游水位較低，強(qiáng)烈的橫軸旋滾和立軸旋滾基本使得中墩前全部水流強(qiáng)烈紊動(dòng)消能，摻氣非常明顯。中墩后水流經(jīng)過(guò)消力池尾部的調(diào)整后穩(wěn)定流入下游河道，在尾坎處基本沒(méi)有形成壅水。

3.2 消能效果分析

在消能效果方面，各個(gè)工況下消能率如下表4。

表4 各個(gè)工況下消能率情況

從上表可以看出，非完全寬尾墩聯(lián)合消力池的消能型式使消能率進(jìn)一步得到改善，P=50%工況下消能率甚至可以達(dá)到49%。

3.3 消力池內(nèi)水面線分析

大壩閘室內(nèi)布置有非完全寬尾墩和無(wú)寬尾墩，通過(guò)試驗(yàn)主要觀測(cè)P=2%、3.33%和10%三個(gè)工況下水位與水面線對(duì)比(如下圖3～圖5)。

圖3 P=2%工況下消力池內(nèi)水面線對(duì)比

圖4 P=3.33%工況下消力池內(nèi)水面線對(duì)比

圖5 P=10.0%工況下消力池內(nèi)水面線對(duì)比

閘室內(nèi)布置了寬尾墩后，消力池內(nèi)水面高程明顯要比沒(méi)有布置寬尾墩時(shí)高，寬尾墩的束窄作用使得水流在縱向更充分的拉伸，向上擴(kuò)散的水流抬高了消力池的水面高程。

3.4 泄流能力分析

為研究大壩溢流表孔上布置非完全寬尾墩后對(duì)整體泄流能力是否有影響，通過(guò)對(duì)泄流能力重新進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，對(duì)比無(wú)寬尾墩體型下的泄流能力成果。按有閘門(mén)調(diào)度需求的工況，如P=3.33%流量及小于該流量的工況，采用典型的閘門(mén)組合方式，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案中已測(cè)得的閘門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)流量，上游水位達(dá)到設(shè)定值(正常蓄水位383.0m)，各工況泄流能力對(duì)比見(jiàn)表5和圖6。

表5 泄流能力對(duì)比

圖6 各工況下的泄流能力對(duì)比

對(duì)比未加寬尾墩和加非完全寬尾墩方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力結(jié)果，在相同閘門(mén)開(kāi)度和上游水位的條件下，閘門(mén)過(guò)流量有所差別，流量越大差別越小，流量越小差別越大。分析認(rèn)為：大流量情況下，上下游水位差小，寬尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情況下，寬尾墩對(duì)水流的阻礙作用顯得很明顯；在P=50%工況下，相比未加寬尾墩的溢流堰，其泄流能力降低了8.7%；在P=0.2%工況下，相比未加寬尾墩的溢流堰，過(guò)流能力基本一致。

對(duì)比未加寬尾墩方案的泄流能力結(jié)果，泄流能力在P=50%和P=10%工況下有一定的變化，這也說(shuō)明本工程不適宜于布置五孔寬尾墩。

3.5 非完全寬尾墩聯(lián)合消能工應(yīng)用綜合分析

通過(guò)水工模型試驗(yàn)成果顯示，在未設(shè)置非完全寬尾墩的條件下，低佛氏數(shù)、大單寬流量的水流入池流速均較大，可能會(huì)超過(guò)規(guī)范中中墩允許的最大流速15m/s，且中墩處容易產(chǎn)生脈動(dòng)負(fù)壓，發(fā)生空蝕破壞，布置非完全寬尾墩后，增加了水流的橫軸和立軸旋滾，使水流運(yùn)動(dòng)機(jī)制不規(guī)則，提高了中墩的動(dòng)水壓力以及脈動(dòng)的最小值，同時(shí)降低中墩附近水流的流速，降低了中墩發(fā)生空蝕破壞的可能性。

采用非完全寬尾墩聯(lián)合消能工結(jié)構(gòu)，即在滿足運(yùn)行條件2#、4#閘孔布置寬尾墩，在斜坡消力池中部設(shè)置中墩消能工。部分孔布設(shè)寬尾墩相對(duì)于全部孔布置寬尾墩，一方面減小了寬尾墩對(duì)泄水建筑物泄流能力的影響；另一方面增大了水流橫向擴(kuò)散的空間，增強(qiáng)了消力池首部水流的立軸旋滾。同時(shí)，由于寬尾墩的橫向束窄作用，水流豎向被拉伸，主流與中墩充分接觸，加強(qiáng)了水流的橫軸旋滾；由于水流的三維不規(guī)則紊動(dòng)，消除了中墩處流速大、壓力小、易空蝕的問(wèn)題。同時(shí)有效將水流消能任務(wù)控制在消力池首部，降低了尾坎處的消能任務(wù)。

綜上所述，在保證運(yùn)行安全的前提下，為節(jié)省工程量和投資，角木塘水電站采用非完全寬尾墩、斜坡消力池、中墩三者聯(lián)合泄洪消能結(jié)構(gòu)布置方式最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)創(chuàng)新采用非完全寬尾墩、斜坡消力池、中墩三者聯(lián)合泄洪消能結(jié)構(gòu)，有效解決了角木塘水電站低水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)底流消能難題，消能率穩(wěn)定，能穩(wěn)定地控制出池水流的流速及流態(tài)，減小對(duì)下游河道的沖刷；提高了中墩的工作條件，降低了中墩發(fā)生破壞的可能性；有效將水流消能任務(wù)控制在消力池首部，降低了尾坎處的消能任務(wù)，對(duì)泄水建筑物的泄流能力影響小，縮短消力池長(zhǎng)度、降低工程建造成本，為工程項(xiàng)目創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。