|
|
设
备
管
理
网
s
b
g
l
.
j
d
z
j
.
c
o
m
|
 |
小湾水电站坝身泄洪消能布置优化研究 |
|
|
| 小湾水电站坝身泄洪消能布置优化研究 |
|
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:30:43  |
|
陈捷 周胜 孙双科
中国水利水电科学研究院，北京 100038
1 工程概况
双曲拱坝是一种经济坝型，从20世纪60年代以来已有很大发展，但多数工程泄洪流量不很大，通过坝身的泄量较小，如：前苏联的英古里双曲拱坝，坝高272 m，是世界上已建成的最高双曲拱坝，但最大泄洪流量只有3 150 m3/s，其中通过坝身表孔泄量为2 200 m3/s。国内已建的二滩水电站、将建的小湾、溪洛渡和构皮滩等水电站，坝高都大于230 m，泄洪流量均超过20 000 m3/s，因此研究拱坝坝身泄洪设施，提高坝身泄流能力，节省工程投资，同时力争减小坝后水垫塘的冲击压力或下游冲刷，确保大坝的安全运行，具有重要的现实意义。
小湾水电站位于澜沧江中下游，坝址处于V形河谷地段，坝型为抛物线型双曲拱坝，枢纽以发电为主，总装机容量420万kW。枢纽由双曲拱坝、右岸地下厂房、左岸泄洪洞、坝身泄洪建筑物及放空底孔、坝后水垫塘和二道坝等组成，见图1。最大坝高292 m，为目前世界第一高双曲拱坝。总泄量为20 684 m3/s，通过坝身的泄量为17 800 m3/s，相应泄洪功率为4 000万kW，泄洪规模居世界前列。
2 模型简介
模型按重力相似准则设计，模型比尺1∶120。鉴于水垫塘底板上的冲击压力是衡量拱坝泄洪消能布置方案优劣的主要技术指标，在水垫塘底板和坡面上沿程布置了251个测压管，并在表孔单独泄洪和表、中孔联合泄洪时，在挑流水舌入水的重点区段的水垫塘底板上布置百余个压力传感器，测压管与压力传感器相邻布置，用以量测时均动水压力和脉动压力。
原设计6个中孔的孔口尺寸为6 m×7 m（宽×高），分3个高程和3个不同挑角对称布置,见表1。与中孔相间布置的5个表孔，孔口尺寸为11 m×15 m，堰顶高程均为1 225 m，堰顶上游为椭圆曲线，下游为抛物线，其后接斜坡段，并以不同的出射角分层（纵向拉开）将水流送入水垫塘。同时，离堰顶下游水平距4 m处开始作平面扩散（横向拉开），以进一步减小入水单宽流量。1、5号表孔对称布置，2号与4号表孔为不对称布置，见表2。模型中对原设计作了进一步优化。
3 坝身泄洪布置方案的优化研究
3.1 坝身泄水孔口体形优化方案
3.1.1 中孔体形优化方案
中孔的孔口尺寸初步设计为6 m×5 m，经模型试验研究建议增大至6 m×7 m，设计单位在事故检修门前增加了一段1/4椭圆顶曲线。进口与门槽段经科研与设计单位研究将顶曲线下压，以改善其流态及压力分布，同时调整了事故检修门的高度（由13 m减至11475 m），节省了工程投资。
模型中选择工作水头最大的4号中孔，沿其顶板中线和底板中线布置了40多根测压管，测量了沿程压强分布。试验研究结果表明：在各种运行工况下，中孔内均未出现负压，沿程压强分布比较平顺，说明优化措施合理，体形基本可行。
3.1.2表孔体形优化方案
表孔布置与体形的优化是在中孔布置和体形已进行了优化的基础上进行的。前一阶段的试验研究成果都表明，表孔的布置，尤其是出口体形对水垫塘流态和冲击压力变化最为敏感。就现设计表孔布置而言，存在3个问题：①2、4号表孔不对称布置不利于运行调度，容易在水垫塘内产生强回流，形成低压区；②2号表孔出口30°俯角过大，以往的试验结果表明，射流的入水角太大，将使水垫塘底板承受的冲击压力明显增加；③2、4号表孔的内侧平面扩散角为8.5°和7.712°偏大，使两股水舌入水前或临底前搭接，扩散受到约束，从而导致水垫塘底板的冲击压力增大。
针对现表孔布置方案存在的问题，首先将2号与4号表孔改为对称布置，同为20°俯角，7.68°平面扩散角，斜面出口为半椭圆形扩散坎。1、3、5号表孔仍采用与原设计方案相同的体形，优化后的5个表孔成为对称布置，有利于运行调度，避免在水垫塘内产生强回流形成低压区。但表孔单独泄洪最大时均冲击压强偏大，在中水位1 240 m附近接近15×9.8 kPa，出现位置纵向在桩号0+130 m附近，横向恰好在水垫塘中轴线，与观察到的水舌搭接位置一致。当上游水位继续抬高时，最大时均冲击压强反而降低。这是因为2、4号表孔内侧平面扩散角7.68°还偏大，再加之出口用了半椭圆形扩散坎，致使2、4号孔水舌在低水位入水之前就已经开始搭接，既减小了内侧水舌的挑距、约束了他们的扩散，而又导致冲击压力增加，在中水位达到最大值。随着上游水位继续升高，两孔水舌内侧的搭接碰撞加剧，反而分散了水流 ，降低了其对水垫塘底板的最大时均冲击压力。
针对上述问题，将2、4号表孔的出口又作了进一步修改：用1/4椭圆形扩散坎代替1/2椭圆舌形坎。但实验结果表明：仅修改扩散坎，仍未能解决2、4号表孔的水舌搭接问题，故表孔单独泄洪时水垫塘底板最大时均动水压强和冲击压强降低的幅度有限。为避免水舌搭接又尽量不减小出射水舌的前缘宽度，将2、4号表孔内侧的平面扩散角由7.68°减小为4.53°，仍保留1/4椭圆形扩散坎，并将2号孔的左边墙、4号孔的右边墙延长至扩散坎顶点。体形修改后的试验结果表明，在各种运行工况下，表孔的水舌都不搭接，冲击压力明显降低。
3.2 流态与水舌要素
经初步优化后，中孔水舌分3层入水；5个表孔呈对称大差动布置，平面扩散角作了进一步调整后，挑流水舌也分3层入水，模型中各孔出流前后左右均未见重叠和搭接。表3分别列出了在各种上游水位作用下，表孔、中孔单独和联合泄洪的水舌要素。由表3知：
(1)表孔水舌入水最小挑距距坝趾85 m。由于表孔出口采用各类扩散坎，水舌扩散充分，入水单宽流量并不大，在(33～42)m3/(s·m)之间变化，对减小水垫塘底板的冲击压力是很有利的。
(2)中孔水舌入水挑距距离坝趾都较远，入水单宽流量为(35～39)m3/(s·m)。
(3)表、中孔联合泄洪，水舌距坝趾的最小挑距为100 m，单宽流量明显增大，各股射流在空中碰撞消能掺气后，入水总范围和主水舌范围明显增加，但单位面积入水流量并不大，从而减小了泄洪水股对水垫塘底板的冲击压力。入水后，主水舌临底，水流大量挟气，旋滚翻腾激烈，但水面波动在水垫塘轴线拐弯处(为减少下游开挖，水垫塘轴线在0+350 m处向左偏转10°)已逐渐衰减，出塘水流尚属平稳，电站尾水出口波动幅值较小，满足了设计要求。
3.3 水垫塘底板的冲击压力
水垫塘底板上的冲击压力是拱坝泄洪消能布置方案的主要技术指标，国外对有钢筋混凝土衬护的水垫塘，控制最大时均冲击压强不超过30×9.8 kPa，我国在建高水头大流量的二滩水电站时，限制水垫塘底板上的最大时均冲击压强不超过15×9.8 kPa，现国内各高拱坝大流量工程的设计也参照这一标准。
表4是在各种运行工况下，水垫塘底板上的最大时均动水压强和最大时均冲击压强、压力传感器测得的脉动压力均方根值σ和最大冲击压强ΔPmax(ΔPmax=+3σ，出现概率P=0.27%）。由表4可知，最大时均冲击压强两种方法测得的结果和趋势基本一致，相互印证了资料的可靠性。表中数据表明，无论是表孔单独泄洪或中孔单独泄洪，还是表、中孔联合泄洪的工况，水垫塘底板的最大时均冲击压强、脉动压力均方根值、最大冲击压强均远小于设计控制的＜15×9.8 kPa，σ＜7.5×9.8 kPa，ΔPmax＜32×9.8 kPa，说明优化后的布置方案，在各种泄洪工况下都是比较理想的。
图2是在校核水位H上=1 243.0 m时，用测压管测得的表、中孔单独泄洪和联合泄洪的水垫塘底板断面最大和最小时均冲击压强（以—t为零线）的纵向分布；图3～4是在各种运行水位下，表孔单独泄洪和表、中孔联合泄洪时，用压力传感器测得的水垫塘底板最大时均冲击压强和脉动压力均方根σ值纵向分布，由图可知，脉动压力强度系数σ/γH（H为上游水位与水垫塘平均水位之差）很小，表孔单独泄洪最大值不超过1.2%，表、中孔联合泄洪最大值不超过1.8%。
由图2～4和表3～4可以看出，在各种运行工况下，射流对水垫塘底板冲击的主要范围还是比较小的，表孔单s独泄洪时为0+120～0+165 m，表、中孔联合泄洪为0+180～0+230 m；中孔单独泄洪为0+280～0+330 m。由于中孔的冲击压力比较小，若水垫塘采用衬护方案，重点保护范围是桩号0+120～0+230 m；桩号0+230 m以后衬护板块的厚度、锚筋直径和数量都可以减小；桩号0+110 m上游水流比较平稳，水面波动很小，底板上的动水压力基本不变，故该区无需衬护。桩号0+110（或0+100）～0+120 m可以作为过渡区。为了避免“干砸”底板，过流前应小开度放水，充满水垫塘。
此外，由传感器测得的水流脉动压力自功率频谱图和概率密度分布曲线可知，在各种运行工况下，射流冲击区的水流脉动属低频脉动，脉动压力的概率密度分布曲线接近正态分布。
4 结语
拱坝坝身泄洪消能布置优化研究，实质上是通过泄水孔和水垫塘的布置、体形优化来调控射流入射角、入水速度、单宽流量或单位面积入水流量和水垫塘的容积（尤其是水深）等因素，使各种设计工况下，综合效果最佳，实现主流临底时垂向流速尽量地小，以期减小水垫塘底板上的时均冲击压力和脉动压力。上述试验结果表明，中孔和表孔体形优化后，射流纵横方向扩散充分，而模型中又不搭接，入水单宽流量或单位面积的入水流量都比较小，在各种泄洪工况下，由于使表孔与中孔水舌空间分层入水，合理碰撞，致使水垫塘底板的时均冲击压强、脉动压力均方根值和最大冲击压强均远小于设计控制值，得到一个比较理想的坝身泄洪消能布置优化方案。根据上述资料，可对水垫塘分区合理衬护，以节省工程投资。
参考文献
［1］小湾水电站增大坝身泄量减少一条泄洪洞方案的泄洪消能研究(坝身泄量分配研究)［R］北京：中国水利水电科学研究院水力学所，1998
［2］小湾水电站泄洪消能试验研究［R］北京：中国水利水电科学研究院水力学所，1995
［3］小湾水电站泄洪消能布置优化方案研究［R］北京：中国水利水电科学研究院水力学所 ，1999
|
|
| 资讯录入：admin 责任编辑：admin |
|
|
上一篇资讯： 凝汽器冷却管克服汽流冲击振动的研究
下一篇资讯： WJF－1微机频率电压自动减载装置的改进建议 |
|
|
| 【字体：小 大】【发表评论】【加入收藏】【告诉好友】【打印此文】【关闭窗口】 |
|
 网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！） |
|
|
|
|
|
