沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究

沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究

第44卷第8期人民长江Vo1．44．No．82013年4月YangtzeRiverApr．，2013文章编号-1001—4179(2013)08—0090—04沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究王辉，刘晖，罗进红(长江勘测规划设计研究有限责任公司枢纽设计处，湖北武汉430010)摘要：沐若水电站大坝地处热带雨林，洪水对降雨响应快，且坝址所在河谷狭窄，纵坡较陡，坝后地质条件较差，不利于泄洪消能设施布置。通过对水库泄水运用方式、泄洪和消能形式选择等分析，并经水工模型试验论证，设计最终采用宽尾墩+前置掺气挑坎+台阶坝面的消能方式。水工模型试验表明，台阶式坝面流态平稳，消能效果良好，可大大减轻下游河道的消能防冲难度，减少工程量。关键词：重力坝；台阶消能；宽尾墩；掺气挑坎；沐若水电站中图法分类号：TV642文献标志码：A马来西亚沐若水电站坝址所在河谷狭窄，纵坡较亿m，对应的水库面积为245km；正常蓄水位陡，坝后为一砂岩与页岩、泥岩的复杂岩石组合体，其540．00m与死水位515．00m之间的有效调节库容为允许抗冲流速在3．5m／s以下，地质条件较差，对大坝54．75亿m。库容和水库面积大，具有较强的蓄水能消能防冲不利。若大坝消能防冲设计不当，将对坝趾力和滞洪能力。沐若水库调洪起始水位为正常蓄水岩体造成冲刷，影响大坝的稳定与安全，因此消能防冲位，并采用敞泄方式进行洪水调节。设计是大坝设计的重点。2．2泄洪形式选择1洪水设计标准由于下泄流量不大，对下游冲刷较小，适合布置坝身泄洪设施。考虑到表孔具有对碾压混凝土施工影响根据《水电水利工程等级划分及设计安全标准》小，运行维护简单，工程投资省等优点，泄洪建筑物推(DL5180—2003)，大坝设计洪水重现期为1000a，校荐采用无闸门控制的溢流表孑L形式。核洪水重现期为5000a，按PMF进行保坝复核。表孔布置在河床中间的3个溢流坝段。堰顶高程各洪水标准对应的水库特征水位及流量见表1。同正常蓄水位540m，两侧边墙厚2m，在堰顶距上游表1特征水位及流量面10m范围沿坝轴线方向设3个桥墩，桥墩厚0．86m，桥墩净距为13．5m，溢流堰净宽54．00m。2．3消能形式选择沐若大坝河谷狭窄，河谷底宽仅50111左右，尾水位较浅，加之大坝较高，导致下泄洪水具有较大的能量，下泄水流直接冲击河床及两岸，将造成严重冲刷，不适合采用面流消能。坝址所在河谷河床纵坡较陡，2泄洪消能形式选择达26％o，若采用底流消能，须将河床进行较大范围的开挖，开挖深度达7m，还须设置70m长的综合式消2．1泄水运用方式力池，工程量较大。水库在正常蓄水位540．00m时的库容为120．43坝址所在沐若河枯水期很短，洪枯流量差别不大，收稿日期：2013—03—10作者简介：王辉，男，工程师，博士，研究方向为水工结构设计。E—mail：wanghui_8ll@126．eomn第8期王辉：沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究91下泄水流较为均匀，便于起挑，适合采用挑流消能。由工断面模型试验研究。于下游河床地质条件较差，若水舌直接落在河床，势必(1)台阶流态。试验测得流量187m／s(挑流方对坝趾岩体造成冲刷，对大坝的安全不利，须预先对下案中的完全不起挑流量)，234m／s(挑流方案中的完泄水流消减一部分能量，故设计采用台阶消能方式全起挑流量)，275，550，1000，1600m／s直到2100(大坝剖面见图1)。m／s时，流态良好。(2)台阶压力及水面线。在各工况下，台阶压力随流量的增大而增大，除流量187，234m／s的1，2级台阶处外，其它均为正压，最后一级台阶的压力最大可达5．96×9．8kPa；同一级流量下，各台阶水平面靠下游的压力最大，垂直面上部次之，垂直面下部再次之，水平面靠上游最低。说明水平面靠下游受到水体冲击，而垂直面下部和水平面靠上游大多处于水流旋滚区。坝面沿程水深见表2，随着水流流程的增大，水头图1溢流坝剖面落差加大，相应的水深沿程减小，流速增大。表2各工况下的水深值nl3沭若大坝台阶消能设计3．1台阶式消能应用现状20世纪80年代，随着RCC施工技术的推广，实现全断面快速碾压混凝土筑坝，加快了施工进度，缩短了工期，节省了投资，台阶式溢洪道得到了迅猛发展。90年代，通过采用台阶式溢洪道与新型消能工联合应用，台阶溢洪道得以成功运用到高水头、大单宽流量的水利工程实践中，如水东、东西关电站等¨。台阶消能具有较好的消能效果和安全性，大大节省了下游消能防冲设施的工程量，具有广阔的应用前景。3．2消能防冲设计根据工程类比，初步设计起始台阶高程为535．57(3)台阶消能率。坝面台阶的消能效果一般用消m，挑流的末级台阶高程为413．57m，台阶高1．0m，能率来衡量：宽0．8m，所有台阶的外缘连线在1：0．8的标准剖面线上。台阶衔接挑流消能方式，挑坎高程410m，挑角钾．，7：—一×100％25。，反弧半径15m。。。式中，E．为以反弧最低点高程为基准面的坝前水流单为避免小流量下水流完全不起挑，直接从鼻坎上位水体总能量；E为反弧最低点水流单位水体总能跌落冲刷坝趾，溢流坝段下游设长24m的护坦，宽7O量。m。护坦顶高程405m，厚3m，按顺水流向每块长12消能率计算成果见图2。成果表明，台阶坝面的I"13．、垂直水流向每块宽10m分缝分块。护坦采用透水消能率随着单宽流量的增大而减小，单宽流量自3．16形式，表面布置排水孔，排水孑L间距4m×4m，并在护～35．59m／s，相应的消能率达到80％以上，可见台阶坦底面布置20CIII×30cm的排水盲沟，间距3mx3的作用是相当显著的。m。(4)下游冲刷。试验表明，当流量小于187nl／s3．3水工模型试验时，水流完全不起挑，直接从鼻坎跌落在护坦上，护坦采用1：40的大比尺物理断面模型，针对台阶坝后有微小冲刷。面的掺气特性及其发展规律、坝面及侧墙时均压力及流量为234m／s时，水流开始完全起挑，护坦后脉动压力特性、下游消能设施的消能效果等进行了水的冲刷也很微小。n92人民长江态在上述流量区间将无法避免，并会带来一定危害。图2单宽流量与消能翠关系千年一遇洪水下泄275In／s时，由于流量较完全起挑流量相差较小，下游冲刷情况基本没有什么变化。图3大台阶方案示意(单位：m)流量1000Ill／s时，水体在冲坑内形成较强烈的旋滚，试验测得最大冲深为8m，最大挑距为58．93in，(2)前置掺气坎方案。根据溢流表孔的结构布置冲刷坑后坡坡比为1／7．4。及水流特点，试验研究了增设前置小挑坎和宽尾墩联PMF洪水下泄1600rll／s时，水体在冲坑内形成合运用的强制掺气措施。经初步计算，在台阶起始处更强烈的旋滚，试验测得最大冲深为12rll，最大挑距坝面加设0．35m高的挑坎和将延长后的闸墩尾部向为78．93in，冲刷坑后坡坡比为1／6．6。泄槽中心左右各拓宽0．2m，以形成宽尾墩的掺气坎试验结果见表3。成果表明，各级流量下冲坑的设施(以下称之为前置掺气坎方案)，坎下和墩后均能后坡坡比均能满足有关设计规范要求。形成适当大小的空腔，其结构如图4所示。表3挑流试验成果二I'1'13．4坝面优化试验试验结果表明，典型特征流量条件下，水体在坝面图4前置掺气坎方案结构示意图(高程：m。尺寸：cm)均能形成滑移流态，且压力特性良好，第50级(从上向下)及以下台阶坝面的空蚀可能性较小，但是第50级以上的台阶坝面在超过万年一遇以上洪水流量时，试验成果表明，在台阶起始处增设掺气挑坎+宽水流掺气浓度均小于5％，鉴于坝面为台阶状，发生空尾墩的强制掺气设施后，各级特征流量条件下均能形蚀的风险较大，需要研究改进措施。成稳定的通气底空腔和侧空腔，实测模型水流掺气浓(1)大台阶方案。以往研究成果表明，增加台阶度均超过5％，预计原型台阶坝面的水流掺气浓度会超过10％，可有效保护溢流坝面免遭空蚀破坏。溢流步高，消能率将会有所提高，自掺气位置亦会提前。但随之可能带来压力梯度加大、出现不利挑离流态的流坝面掺气设施的设置，对泄槽水流流态、坝面动水压力量区间增大等问题。为使大流量时坝面自掺气位置提等影响较小。前，试验研究了台阶步高由原1m增加至2m的大台因此，根据试验成果，沐若水电站最终采用宽尾墩+前置掺气挑坎+台阶坝面的消能方式。阶方案，台阶尺寸如图3所示。试验结果表明，在20～150m／s流量区间出现挑4结语离流态，尤其是150ITI／s流量时，水流经第1级大台(1)沐若水电站大坝坝址地处热带雨林，并且枯阶后挑离出坝面，直接跌落在第9级(原18级)台阶上，在其后的台阶坝面上逐级跌落，坝面水体离散，溅水期很短，坝址所在河谷狭窄，纵坡较陡，坝后地质条出边墙的水体较多，部分挑离台阶的主体水流高度超件较差，对大坝消能防冲不利，采用台阶消能工可取得过边墙顶部。由于沐若表孔为无闸控制，这种挑离流较好的效果。水工模型试验成果表明，在各级流量条n第8期王辉：沐若水电站大坝溢流表孔台阶消能设计研究93件下，泄洪消能率均在80％左右。式溢流面设计[J]．水利水电技术，2005，(2)．昊宪生．东西关台阶溢流坝的水力特性[J]．水电工程研究，1995，(2)通过优化试验研究，增设前置掺气挑坎+宽(2)．尾墩方案，在各级特征流量条件下均能形成稳定的底易晓华，卢红．溢洪道及其在索风营水电站的试验研究[J]．贵州部强制掺气通道，可有效提高台阶坝面前段的水流掺水力发电，2003，17(2)．气浓度，能保护台阶坝面全程免遭空蚀破坏，同时对泄李国润．重力坝台阶式溢洪道的设计[J]．四川水力发电，1995，槽水流流态、坝面动水压力等影响较小。(2)．(3)沐若水电站最终采用宽尾墩+前置掺气挑坎艾克明．台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用[J]．水力发电学报，1998，(4)．+台阶坝面的消能方式，可大大减轻下游河道的消能长江勘测规划设计研究院．马来西亚沐若水电站碾压混凝土重力防冲难度，减少工程量。由于大坝刚刚竣工，该消能工坝设计专题报告[R]．武汉：长江勘测规划设计研究院，2009．的效果还有待实际检验。长江科学院．马来西亚沐若水电站台阶式溢洪道l：40水工断面参考文献：模型试验研究报告[R]．武汉：长江科学院，2010．[1]雷兴顺，张勇．欧阳松．等．大朝山水电站碾压混凝土重力坝台阶(编辑：徐诗银)DesignofsteppedenergydissipaterofsurfaceoutletinMurumHydropowerStationWANGHui，LIUHui，LUOJinhong(HydraulicComplexDesignDepartment，ChangjiangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，Wuhan430010，China)Abstract：ThestructurelayoutforflooddischargeandenergydissipationisdifficultinMurumHydropowerStationduetospe．cialgeographiclocationintropicalrainforestwherethefloodresponsestotheprecipitationquickly，damsiteinanarrowvalleywithsteeplongitudinalslope，andrelativelybadgeologicalconditions．Thedissipationmodewiththewideflangepier，preaera-tionbucketandsteppedsurfacetogetherisrecommendedwiththeproofofhydraulicmodelexperimentthroughanalyzingonitsop—erationalmode，flooddischargeandselectionofenergydissipation．Theexperimentalresultsshowthatthesteppedsurfaceflowisstableandtheeffectofenergydissipationisfavorable，whichcangreatlyreducethedifficultiesofenergydissipationofdown．streamchannelandconstructionquantities．Theresearchprocessofdesignisalsointroducedindetail．Keywords：gravitydam；steppedenergydissipater；wideflangepier；aerationbucket：MurumHydropowerStation(上接第82页)Researchonmainprotectionofhydro——generatorsandprotectiondesignofMurumHydropowerStationZHOUQiang，GUIYuanqian，ZENGQingtao，GUILin(1．MechanicalandElectricalDesignDepartment，ChangfiangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，Wuhan430010，China；2．DepartmentofElectricalEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract-AstheMurumHydropowerStationisaninternationalproject，itsrelayprotectiondesignisrequiredtosatisfybothChineseandtheMalaysiaspecificationsandadapttodemandsofpowernetwork．TheconceptofQuantitativeDesignformainpro—tectionofhydro—-generatorsispresentedandappliedbasedonanalysisoftheelectricalandstructuralfeaturesofthehydro—．gen—erators，andthisinnovationisappreciatedbytheowner．ThedesignprocessoftherelayprotectionsystemofMurumHydropowerStationisdemonstrated，SOistherelayprotectionofmainequipment．Keywords：hydro—generator；mainprotection；protectionlayout；relayprotection；MurumHydropowerStation