疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化.pdf

水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4 年第7 期 疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流 鼻坎设计与优化 消能 蒋小鹏1 ，赵冠松2 ( 1 甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州7 3 0 0 0 0 ；2 中国人民武装警察部队水电指挥部，北京1 0 0 0 5 5 ) 摘要：青羊沟水电站枢纽采用挑流消能设计，枢纽布置为3 孔泄洪表孔和1 孔泄洪冲沙表孔。枢纽 下游河床非常狭窄，宽度仅为2 0 余m ，消能防冲设计难度大，对挑流鼻坎在不同流量下的水力性能 要求很高。原设计采用宽尾墩结合扭曲式鼻坎消能，左右表孔出口水流对两岸坡脚有直接冲刷，且对 下游河道的冲刷深度较大。针对原设计水流冲刷两岸及冲深较大的问题，结合枢纽水工模型试验，优 化了鼻坎体型，使挑坎结构布置安全、合理，并满足运行要求。 关键词：青羊沟水电站；挑流鼻坎；冲刷；疏勒河 中图分类号：T V 6 5 3 ( 2 4 2 )文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 3 3 0 6 D e s ig na n do p t im iz a t io no ff l ipt r a j e c t o r yb u c k e tf o rQ in g y a n g g o uH y d r o p o w e rS t a t io no iiS h u l e h eR iv e r J I A N GX ia o p e n 9 1 ，Z H A OG u a n s o n 9 2 ( 1 W a t e rR e s o u r c ea n dH y d r o p o w e rD e s ig na n dR e s e a r c hI n s t it u t eo fG a n s u ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，G a n s u ，C h in a ； 2 H e a d q u a r t e ro fA r m e dP o h c eH y d r o p o w e rT r o o p s ，B e ij in g1 0 0 0 5 5 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T h ed e s ig no ff l ipt r a j e c t o r yb u c k e tisa d o p t e df o rt h ep r o j e c to fQ in g y a n g g o uH y d m p o w e rS t a t io nw it ht h ep r o j e c tl a y o u t o f3s u d a e eo v e r f l o wb a y sa n d1d is c h a r g in ga n df l u s h in gs l u ic e T h ed o w n s t r e a mr iv e rb e do ft h ep r o j e c tisq u it en a r r o wa n dt h e w id t hiso n l ya b o u t2 0m ，a n dt h e nt h ed e s ig no ft h ee n e r g yd is s ip a t io na n ds c o u t in gp r o t e c t io nisv e r yd if f ic u l t ，f u r t h e r m o r e ，t h e r e q u ir e m e n to nt h eh y d r a u l icc h a r a c t e r is t ic so ft h ef l ipt r a j e c t o r yb u c k e tu n d e rv a r io u sd is c h a r g e sisv e r yh is ha sw e l l I nt h eo r ig i n a ld e s ig n ，t h ef l a r in gg a t ep ie rin t e g r a t e dw it hd is t o r t e dt y p ef l ipb u c k e tisa d o p t e d ；w it hw h ic ht h es l o p et o e so fb o t ht h eb a n k s a r ed ir e c t l ys c o u r e db yt h ew a t e rf l o wf r o mo u t l e t so fb o t ht h et ig h ta n dl e f tS U l f a c eb a y sw it ht h es c o u r in gO Ht h ed o w n s t r e a mr iv e r c h a n n e lw it hal a r g e rd e p t h A im in ga tt h ep r o b l e mo ft h es c o u r in go nb o t ht h eb a n k sw it hal a r g e rs c o u r in gd e p t hf r o mt h ed is c h a r g eint h eo r ig in a ld e s ig n ，t h es h a p eo ft h ef l ipb u c k e tiso p t im iz e db a s e dO ilt h eh y d r a u l icm o d e lt e s to ft h ep r o j e c t S Oa st o m a k et h el a y o u to ft h ef l ipb u c k e tm o r es a f ea n dr e a s o n a b l e ，t h u ss a t is f yt h eo p e r a t io nr e q u ir e m e n tc o n c e m e d K e yw o r d s ：Q in g y a n g g o uH y d r o p o w e rS t a t io n ；f l ipt r a j e c t o r yb u c k e t ；s c o u r in g ；S h u l e h eR iv e r 1 工程概况 青羊沟水电站位于甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治 县鱼儿红乡境内的疏勒河干流上，为一座引水式日调 节水电站。电站总装机容量为5 6M W 。枢纽推荐坝 型为碾压混凝土重力坝，最大坝高6 4 ，3m ，水库总 库容9 7 5 4 万m 3 ，属等中型工程。挡水建筑物碾 压混凝土坝按5 0 年一遇洪水设计，相应Q ：= 12 2 0 1 1 1 3 s ，按5 0 0 年一遇洪水校核，相应Q o - ：= 22 1 0 W a t e rR e s o u r c e sa n dH y d 唧m wE 喇n e e r in gV 0 1 4 5N o7 m 3 s ，泄水建筑物消能防冲设计洪水标准Q ，= 10 2 0m 3 s 。 枢纽正常蓄水位为23 2 5 0m ，校核洪水位 23 2 7 1 3m ，坝顶高程23 2 9 3m 。最低建基面高程 22 6 5 0m 。基岩为辉长岩，建基条件较好。枢纽由 溢流表孔坝段、泄洪冲沙中孔坝段、电站进水口坝段 收稿日期：2 0 1 4 0 4 2 2 作者简介：蒋小鹏( 1 9 7 4 一) ，男，高级工程师。 蒋小鹏，等疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化 L， 0 甍1 I 一 90 0 0 一 1 N f 一 一 6 5 0 中孔 墨。 一 一 n 盈 J 宴 。 一t n r - q 1 、 d o l ：08 o j o 左表孔 t f 口 。g o o o - in 卜 o l ：08 、 d 中 o j 中表孔 口 Joo o I n 1n 1 ：O8 o 右表孔 o 6 0 0 。 寸 厂口鼬- - f 25 0 026 0 0 P _ H 图1原设计方案枢纽平面布置示意( 单位：m m ) 和挡水坝段等主要建筑物组成， 坝顶长度1 4 6 9 3 5m ，自左至右 依次布置2 2 9 6m 左岸常态混凝 土挡水坝、1 2 5in 进水闸段、 1 8 2 5l n 碾压混凝土坝、1 1I T I 泄 洪冲沙中孔、3 5m 溢流表孑L 和 4 7 2 2 5m 右岸碾压混凝土坝。 工程区河道狭窄，下游天然 河床底部宽度仅2 2m ，而泄流 建筑物总宽度4 6m ，因此将泄 洪建筑物布置在主河床位置，考 虑将中孔右侧两孑L 溢流表孔布置 正对主河床，采用宽尾墩挑流消 能，中孔、右侧表孔采用扭曲式 鼻坎、尾墩向内收缩，使挑流水 舌前缘落入主河道内。 2 原设计挑流鼻坎体型 原设计主要考虑利用宽尾墩 使射流横向收缩扩散、纵向扩 散的特性形成了特殊流态，加强 下泄水流的碰撞、掺混和内部剪 图2 原设计方案溢流表孔剖面示意( 高程单位：m ；长度单位：脚) 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4 年第7 期 蒋小鹏，等疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化 图3 原设计方案泄洪冲砂中孔剖面示意( 高程单位：1 2 1 ；长度单位：m m ) 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4 年第7 期 也2 2 9 6 6 2 8 V 蒋小鹏，等疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化 切作用，增加了泄流在坝面的能量损失，同时在水 流下泄的整个过程中掺气面积和掺气强度都大大增 加，且在冲坑内产生强烈的三元水跃，使射流在空 中和下游水垫里的消能效率都得到较大幅度的提 高。 设计在大坝左表孑L 、中表孔采用宽尾墩挑流消 能，闸孔收缩比为B 1 B = 4 8 = 0 5 ，出口底板挑角 为3 0 0 ，反弧段半径1 6 0m 。大坝右表孔左边墙尾部 未收缩，右边墙尾部收缩角为1 5 0 ，底板挑角为3 0 。 大坝中孔右边墙尾部未收缩，左边墙尾部收缩角为 1 5 。，底板挑角为2 0 0 。原设计方案枢纽平面布置见 图1 。鼻坎体型见图2 、图3 。 原设计方案挑流消能冲坑深度及落点位置见表1 。 表1校核水位不同泄水工况水舌及冲坑深度汇总 流量 下游水位水舌入水冲坑深冲坑纵向 项目 m 3 s 一1 m 挑距m r r l 位置r n 所有全开 22 I l 22 8 7 03 7 。6 5 2 2 ( 露底) 下8 7 三表开 l4 8 322 8 4 34 5 6 21 5 7 下9 0 左表开 4 9 622 7 9 34 7 6 21 4 7下8 7 中间表开 4 9 622 7 9 34 7 6 28 5F8 7 右表开 4 9 622 7 9 3 4 7 6 29 2下8 2 排沙中孔开 7 2 822 8 0 74 0 7 01 5 5 下7 8 根据实验结果，原设计采用窄缝收缩水流，使其 在纵向拉伸实现在空中和水面实现消能和调整水舌落 点的基本思路是合理的，但中孔和右表孑L 均出现了对 河岸的直接冲刷，且下游河床冲深较大。根据原设计 方案试验成果，考虑到下游河道不同运用情况下的水 舌挑距、水舌落点、挑流流态以及冲坑位置，需修改 表孔和中孔原来的挑流体型。 3 挑流鼻坎模型优化方案 因水舌入水点主要由挑角确定，优化方案应调 整出口挑角、中孔和右表孔尾墩贴角，以达到各种 流量时水舌落点在下游河道中心。本工程水库在上 下游水位一定的情况下，下游冲坑深度仅与单宽流 量有关，而单宽流量可调整的范围很小，在根据水 舌入水点要求将尾墩收缩角确定后下游冲坑深度变 化较小。 表孔挑流如将反弧后修改为水平底板连接，采用 窄缝水平射流形式，使水流沿河道方向纵向拉开更为 充分，能有效地利用有限河道空问，合理利用水舌下 方的空中和水面进行消能。具体修改方案为：在平面 布置上，保持左表孑L 和中间表孔基本正对河道方向出 流，中孔和右表孔采用贴角导向，使水流挑入河中， 避免对河岸产生冲刷。 从实验过程可以看出，泄水表孔下游反弧段末端 采用平坡连接，使水流下缘尽量上移，能达到利用水 舌下面的河道水面进行有效地消能的目的，采用窄缝 可以使出口水流前后上下充分拉开，实现空中水下同 时消能。该体型表孔的基本形式为：表孔溢流堰上游 进口采用1 ：0 3 3 3 的斜坡段，之后采用两段小圆弧过 渡到堰顶高程23 1 7 5 0m ，在堰顶设置了1 2m 的水 1 璺墨垒Q i 1 图5 推荐方案中孔体型割面示意( 高程单位：m ；长度单位：1 1 1 1 2 ) 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4 年第7 期 30 0 0 ) A A 中孔出口 蒋小鹏，等疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化 二 善 曼 么 一一 葑口22 8 5 6 2 8 l 一 90 0 0 一 ( c ) C C 中间表孔出1 3 25 0 0 ( b ) B B 左表孔出I ：1 L 2Q Q Q一 除 一一 ( d ) D D 右表孔出口 图6青洋沟推荐方案平面布置( 高程单位：m ；长度单位：in l n ) 平段，之后采用y = 0 0 8 22 9 x 1 8 3 6 的堰面曲线方程来 控制溢流堰体型，当该曲线的切线斜率到1 ：0 8 时， 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4 年第7 期 变换成1 ：0 8 的直线段，然后采用半径R = 1 6 0m 的反弧段和下游出口的1 - 1 1 4 5 直线段连接，为了施 r旧旧上怜签 蠹 蒋小鹏，等疏勒河青羊沟水电站枢纽挑流消能鼻坎设计与优化 表2各工况下游河道冲刷最深点高程汇总 工况工况1工况2工况3工况4工况5 开启方式三表孔和中孔全开三表孔和中孔全开三表孔开中孔全开三表孔开中iL 全开三表孑L 开中孔全开 泄流l m 3 s 一1 22 1 2l8 1 0l2 2 0l0 2 08 6 2 库水位m 23 2 7 1 323 2 5 4 623 2 2 7 023 2 1 5 023 2 0 2 5 下游水位m 22 8 7 0 022 8 5 6 022 8 3 3 022 8 2 2 022 8 1 5 0 最深高程r n 22 5 3 822 8 5 622 6 4 522 6 4 822 6 5 2 冲坑深度m 2 0 2 01 1 6 09 5 09 2 0 8 8 0 工方便及满足大坝稳定所需要的最小坝底宽度，推荐 表孔下游出口处的纵向桩号和中孔一致，采用0 + 0 4 8 6 0 6 。 该体型的最大特点是：当小流量泄洪时，出口水 流利用窄缝将水流纵向充分拉开，空中消能效果好， 水舌落点前后错距大，避免集中入水对河道造成严重 的冲刷；当大流量泄洪时，出口水流水深大，能在窄 缝以上扩宽段形成一个“T ”形断面，将各孔之间的空 间得到利用，也使大泄量的水流充分扩散开，同样避 免集中冲刷，实现分散消能。调整方案表孔鼻坎设计 体型见图4 。 对中孔来说，根据设计运行方案对中孔泄洪的要 求，首先要考虑其运行开启频率高，各种水位及各种 开度的运行都会经常性的出现，所以在保障满足高水 位，大泄量的情况下出口水流顺利导向进入河道，