（水利水电工程专业论文）水电站尾水壅水堰应用研究.pdf

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生产环境。基础设施建设的核心是土木建设，目前我国的土木建设主要采用的仍 然是混凝土材料，由此需要大量的砂石材料，从河中抽砂仍然是不少地区砂的主 要来源。如果抽砂场位于大坝下游不远的河段，由于拉沙效应，河床无法及时从 上游得到泥沙补充，随着抽砂作业时间的持续，河床下切现象将不断产生和发展， 这种现象发展到一定程度，也必将导致电站尾水下切。由于水库下泄清水冲刷河 道同近年来枢纽下游河道上出现的无序采砂活动相耦合，使得河床显著下切，造 成水电站尾水位降低，使得电站尾水位不能满足电站水轮机吸出高度的要求，导 致电站无法正常运行，影响电站工作效益进而严重地影响到电力的正常供应，导 致电网不能正常供电。 1 3 研究现状 1 3 1 枢纽下游河道冲刷及河床演变研究现状 针对枢纽下游河道冲刷及河床演变问题，前人们做了大量的研究工作，取得 了很多成果。钱宁、张仁、周志德【l 】在对水库下游的再造床进行的研究中指出在天 然河道上修建水库后，会破坏水库下游河流的平衡，引起下游河床的再造床过程。 触发下游河流再调整的是建库后水沙条件的变化。水库的修建改变了水库下游的 水流运动过程，引起下游河道的含沙量将会显著降低、河床冲刷、河床粗化、纵 剖面调整、断面形态的调整和河宽的变化等。卢金友【2 】对水利枢纽下泄水沙特点、 下游河道水位流量关系变化和变化原因进行了研究，认为坝下游河道水位流量关 系调整变化为：同流量下的中、枯水位较建坝前明显降低；水位下降值沿程递减， 距坝愈近，水位开始下降的时间愈早，水位流量关系达到相对稳定的时间也愈早； 同流量下的沿程洪水位均无明显降低，不仅如此，近坝河段甚至有所抬高；水位 流量关系变化的主要原因是河床冲刷扩大了过水断面，使同流量的水位降低；中、 枯水时，河道冲刷扩大的过水面积占整个断面的过水面积的比例较大，水位下降 比较明显；而洪水时期河道冲刷增加的断面过水面积所占比例较小，洪水位的下 6 第一章绪论 降也较小。另一方面，随着河床冲刷下切，河床粗化，糙率增大，流速减小，同 流量下建坝后的过水面积有增大的趋势，可部分削弱了因河床冲刷扩大过水断面 引起的水位下降；并且，近坝段河床难以被冲刷，河道断面不易增大，受到河床 糙率增加的影响，因此该河段建坝后水位有抬升的趋势。除此之外，在坝下河道 中人工大量挖采砂石骨料，也要造成河床下切，使得同流量下的水位降低。程禹 平【3 】通过概述河床冲刷问题的研究现状和进展，列举出了有代表性的预测河床下切 的分析计算方法：一是根据输沙平衡概念采用泥沙连续方程，配合水流阻力公式 及输沙能力公式，通过解析法或数值求解；二是利用河相关系式、局部冲刷公式 和河岸崩坍估算式等经验关系式计算；还指出了枢纽下游对河床通过采取调整最 优河宽、减小河道纵横比降、设防冲保护层、调节水流含沙量、控制引导水沙流 路、护固河岸等措施进行整治控制和修建跌水建筑物、挑坎式稳定结构、圬工河 床稳定结构、板桩河床稳定等措施结稳定河床。周志德 4 1 为了粗估坝下游河床的冲 刷深度，利用2 6 条河流坝下冲刷的资料，建立了深泓最大冲刷深度与建坝前后多 年平均洪峰流量变化的关系。李华引5 】根据国内外相关文献及报道，对国内外部分 已建枢纽坝下河床调整及水位降落问题研究进展进行了综述，分析了影响河床调 整的主要因素及河床调整与水位降落的关系，并提出了抛石护底防冲、筑潜坝壅 水等治理措施遏制水位的降落。程小兵、李一兵1 6 j 根据国内外学者对枢纽下游河床 清水冲刷粗化问题的研究，对冲刷与粗化机理、冲刷粗化起动流速计算、冲刷后 水位降落计算等已有的研究成果进行了总结，认为应在试验观察的基础上，通过 清水冲刷粗化机理的深入研究，弄清冲刷与粗化的变化关系，综合考虑多种影响 因素，完善冲刷粗化计算模型。张柏英、李一兵【7 】针对天然河流修建枢纽后，上游 来沙将在库内淤积、出库沙量锐减，下游河道因受水库下泄清水的冲刷而发生一 些列变化的问题，从不同河床质组成出发，分别对枢纽下游河床极限冲刷以及水 位降落研究成果进行了总结，认为目前认识还不够，需要进一步完善。杨家坦、 江传捷、郭宣福f 7 】根据闽江下游的实测水文资料，应用河流动力学原理，对水口水 电站建成蓄水运行后下游河流动力各个因素的效应进行了研究，包括径流过程、 分流水量、悬移质含沙量等变化分析的研究成果，为闽江整治提供了参考。陈一 梅、李奕琼【8 】针对闽江水口水电站建成运行后，坝下游河段发生一些列变化、河床 下切及枯水水位降落的问题，通过理论分析提出了在下游窄深处选择合适的位置 修筑潜坝抬高水位、改变水库调度方式和电站的运行方式增加下泄流量提升下游 水位的建议。郑鸣芳 9 1 通过收集闽江下游水口至分流口河段历年的来水、来沙、断 面等实测数据，针对人类活动对该河段水沙平衡影响及诸因素之间的综合作用效 果进行了研究。研究结果表明，由于水口电站建成后，拦截了上游来沙引起闽江 下游水流含沙量小于挟沙能力以至于下游来沙量骤减和下游河段连年采砂量大于 第一章绪论 7 来沙量多倍，双重作用使得水口枢纽下游河床急剧下切，从导致水口枢纽以下河 段同流量下水位降落。沈小勤、计金华【lo 】针对近年来，随着闽江干流下游河道采 砂加剧，水口水电站坝下游水位降落迅速的问题，从水口水电站坝下水位、河道 水面线、断面特性变化等方面，对水口水电站下游河道沿程水位、河床底高程总 体变化情况及特点进行了研究分析。以上研究都只是针对枢纽下泄清水冲刷、粗 化下游河床和人为因素引起尾水河道尾水降落问题进行理论分析和研究，并没有 对采取工程技术措施抬高下游尾水位进行相关的研究。 1 3 2 水电站尾水变化研究现状 针对电站尾水河道水位变化以及由此引起的问题，如尾水位波动、水轮机吸 出高不满足要求、机组出力减小等，对于解决此类问题的措施，也有学者对其做 了大量的深入研究。研究方法有理论分析、物理模型试验等方法。向光红、高仪 生【l l 】通过水工模型试验针对水布垭工程电站尾水i z i 门区在小流量泄洪条件下，落 淤较为严重且对电站出流和尾水闸门的启闭产生影响的问题，进行了电站尾水的 削波减淤试验研究，研究结果表明，采用新的消能型式后，使泄洪引起的电站尾 水出口处波浪大为衰减，尾水压力波动增量非常小，对机组运行没有影响。李进 平、杨建东【l2 j 采用水电站过渡过程的分析方法，利用水工模型试验的尾水位波动 测试结果作为边界条件进行了数值模拟，对泄洪消能引起的水电站尾水位波动对 机组稳定运行的影响进行了研究，研究结果表明，泄洪消能引起的尾水波动对机 组稳定运行影响是客观存在的，可以通过在尾水系统中设置检修闸门井能够起到 消波的作用。徐家海【1 3 】通过天桥水电站模型试验成果分析和新安江水电站原型观 测资料分析论证了尾水位波动对机组运行的影响主要从机组出力和振动两方面来 分析。陈文华【1 4 j 对薄避堰和宽顶堰在小型水电站尾水建筑物布置和特点进行了研 究，通过工程验证表明，采用上述两种尾水建筑物型式后，实际尾水位与设计相 符，取得了较好的经济效益。胡永华、周冰凌【1 5 】通过理论分析，认为采取在尾水 下游适当位置增设抬水堰、工程措施束窄尾水河道或者延伸尾水渠抬高水位可以 解决由于水电站尾水位的降低导致尾水管出口高出水面使得水轮机长期在不利工 况下运行影响水轮机的效率的问题，从而减小发电机组出力损失。卢小萍、斯震 波【1 6 j 对艇湖水电站因受下游河道挖沙影响，电站下游河床降低引起水位下降导致 的机组尾水管出口基础底板出现裂缝的问题进行了分析，并对尾水渠改造方案进 行了研究比较，采取降低尾水管出口基础底板高程的工程措施取得了较好的效果。 谢佩珍【1 7 】通过水力模型试验针对水口电站正常运行期溢流坝不泄洪及汛期先泄洪 后发电或者先发电再泄洪等不同情况，电站尾水渠及航道段波高、水位涨率、水 位涨幅及流速等水力要素和机组稳定等问题进行了研究，结果表明机组选取合适 第一章绪论 运行方式，机组出力和运行都能保持稳定。陈国栋【1 8 】针对水口水电站尾水位低 逐年下降，影响水轮机的空化和空蚀性能，及机组运行水头发生变化等问题， 合水轮机的空化性能对水口水电站厂房运行尾水位的降低对机组运行产生的影 进行分析研究，提出避开不利工况区运行、采取工程措施抬高尾水位运行、机 修形及换转轮及改造相关结构件等对策。方国群【1 9 】针对水口水电站下游河道今 年来过量无序采砂，致使河床下切、水位下跌等问题进行了分析，提出了采取有 效措施遏制大量无序采砂及建设水1 3 枢纽坝下水位治理工程等措施抬高水1 3 枢纽 下游水位至原设计流量3 0 8 m 3 s 的最低尾水位7 6 4 m ，确保水轮机组安全运行。扈 晓雯【2 0 】通过介绍福建水口水电站枢纽下游河道的变化情况，提出了解决机组稳定 运行问题的坝下水位治理工程设计方案。林家洋【2 1 】通过机组稳定性试验，获得了 尾水管压力脉动、机组各部位振动、摆度变化数据，通过对实验数据的分析研究 认为机组在低尾水位、低负荷工况下运行，机组的水力脉动及机械振动均较大， 尾水管水力噪音明显，由此对机组运行十分不利，缩短其使用寿命。王晓松、陈 壁宏1 2 2 】采用三维数值模拟对具有工程意义的挑射水流冲击射流冲淤导致的尾水河 道三维紊流流场进行了研究，计算结果表明所采用的数值方法是可行的。龚朝蜀【2 3 j 利用统计方法对乌江渡水电站尾水河道冲刷及泄洪水流对岸坡的冲刷的监测资料 进行了分析研究，研究成果表明尾水河床冲刷坑的深度已趋稳定，且远离厂坝， 不会危及厂坝基础安全，且消能防冲措施实施比较成功。 1 3 3 尾水壅水堰研究现状 对于壅水堰的研究，国内外关于在河道上修建壅水堰的研究和报道较少，研 究较为普遍的是针对在河道上修建壅水堰用于抬高河道水位满足灌溉、发电和供 水要求的研究。周志坚，李永刚1 2 4 】利用漫滩水力学的理论，用抛石建造i 临时壅水 浅滩等方法成功地解决了东江由于近年来下游河段过量取砂与没有大洪水出现、 导致河道泥沙补给不足、河床急剧下切所造成水位严重下降的问题。周凤海【2 5 j 通 过研究小河流上人字支撑面板壅水坝，提出了采用新的坝型即人字支撑面板式和 新的消能型式，并针对低坝、水头小、水流冲刷力也小的壅水坝下游的消能设施 采用消力井消能进行了研究，工程实践结果表明该种效能措施的消能效果明显。 刘享东，李海波【2 6 1 等针对堆石壅水坝普遍存在的不均匀沉陷、凌汛扒皮、冲刷破 坏等问题，研究分析了其破坏成因及内在关系，提出了壅水坝设计改善方法和能 预防洪水冲毁的合理的坝项宽度与坝面坡度。柏文，吴建伟【2 7 】等以某水库除险加 固为依托，根据水力学计算理论，结合水库挑流消能设计的实际情况，提出了在 挑流消能中设立壅水溢流堰来减小冲坑深度的创新理论，并建了可精确计算的数 学模型和程序，工程实际表明该理论可行。徐尚璧，于守仁，刘生才【2 8 】针对松嫩 第一章绪论 9 平原地区河工建设中的固定式壅水建筑物，对能够满足防洪、排冰、防淤及壅水 兴利要求得最优结构型式进行了研究。徐尚璧，顾立明，常宗浏2 9 】通过对浮体闸、 柔腹式浮体闸、橡胶拆叠闸与橡胶坝在壅水、泄洪和排冰等各个工作情况进行比 较分析，通过研究得出只有橡胶坝才是当今已获成功的起伏坝及存在过冰的可能 性，研究的最终成果也显示橡胶坝能满足过冰要求且具有一定的安全度。莫细喜【3 0 】 通过枢纽整体水工模型对长洲水利枢纽建坝后水流流态变化的可能性进行了试验 分析，试验结果表明，该枢纽布置方案是合理的，各级通航流量下，船闸上下游 引航道口门区的水流条件均能够满足同行要求。何志兵，李进忠【3 1 1 对大洪河疏浚 工程中的拦河壅水堰的设计和施工进行了研究，结果表明，壅水堰选择钢管骨架 竹夹板挡水的过流堰型式和水下施工效果良好。但在电站尾水渠内修建壅水堰壅 高尾水渠水位国内仅有一篇关于此问题的研究，而对于块体水下沉放漂移试验测 试类似的研究成果还未曾出现过；在国外，尚未见到相关的研究报到，而且在尾 水渠末端修建壅水堰水下施工水流条件都未曾进行规定。 1 4 当前研究存在的主要问题 从目前研究成果来看，较为普遍的是针对电站尾水河道的河床由于枢纽下泄 清水发生冲刷、粗化而引起的水位降落等问题的原因及治理措施从理论上进行研 究分析和总结，观点不一，尾水下降问题治理还没有形成统一的原则和方法；目 前针对对电站尾水位低下治理技术也没有进行过系统全面的研究、对工程实践经 验进行总结；对在电站尾水渠内修筑壅水堰工程方面更是缺少系统的理论分析和 试验研究；特别是电站尾水渠内修建壅水堰后的水流运动规律变化、壅水堰堰体 水下施工技术及砌筑块体沉放漂移规律、漂距计算方法等仍没有完整的试验成果 或合理的计算方法，但这些又是工程实践中亟待解决的问题。由此可见，针对电 站尾水位低下治问题进行理分析计算和物理模型试验研究是非常必要。 1 5 论文研究技术手段及研究内容 1 5 1 论文研究技术手段 研究尾水壅水堰的水力特性主要有水工模型试验、理论计算分析和数学模型。 它们各有优缺点，又相互依赖，相互补充。一方面，水工模型试验是研究水流运 动、揭示流体、了解认识其运动规律的重要的方法，也是重现河工水流现象和预 演水流规律的重要手段，物摸试验观测结果还是验证数学模型计算结果正确与否 的依据之一。水工模型试验作为重要的常规的研究手段，在水力研究历史中占有 重要的地位，它对水利事业的发展做出了巨大贡献，在水电站尾水位治理问题研 究中也同样能发挥突出作用。水工模型试验的优点是比较直观，从试验中能直接 1 0 第一章绪论 反应出实际环境中的水流运动规律以及流速、流态、水位变化特征等水力要素， 试验研究不受河势复杂与否的影响，研究成果可信度高。 本文水口水电站尾水位低下问题治理工程为研究对象，通过理论分析计算提 出工程治理措施，然后采用整体枢纽水工模型试验的方法对治理工程的适用性与 可靠性进行研究分析，同时还将对治理工程建成后电站尾水渠的流速、流态水位 变化规律以及该工程对水口枢纽船闸下游口门区通航水流条件的影响进行试验研 究，研究成果直接为水口水电站尾水壅水堰工程的设计提供理论依据。 1 5 2 本文研究主要内容 水口水电站水位低下治理工程成败的关键是能否合理确定壅水堰堰顶高程、 正确选择其轴线方向与位置。这也是尾水位低下治理工程设计中重点和难点。本 文研究依托水口电站尾水位治理工程，围绕其中的难点和重点问题进行理论分析， 再根据相似理论，通过整体枢纽水工物理模型对分析计算提出的水位治理工程方 案进行试验研究。主要的研究内容： 根据水力学理论和工程结构设计原理，分析确定合理的壅水堰轴线方位和 计算满足水位治理要求的堰顶高程，据此提出壅水堰设计方案，然后通过物理模 型试验验证方案布置、堰顶高程、堰体结构、消力池型式及尺寸的合理性，并根 据试验研究成果进行优化，提出修改建议及推荐方案； 研究壅水堰建成后，电站下泄流量从基荷运行( q = 3 0 8 m 3 s ) 到七台机组满 发( q = 3 5 7 0 m 3 s ) 时，尾水渠内水位变化规律，壅水堰堰顶、溢流面的水流条件， 包括流速、水面线，堰体结构的抗冲性能及消力池段的水流条件； 根据典型流量级试验观测结果，分析研究修建在尾水渠中的壅水堰对枢纽 船闸下游引航道及口门区的水流和通航条件的影响； 根据施工分期，研究电站不同下泄流量时，各施工期水位及尾水渠水流分 布规律；根据试验成果，分析研究施工期堰体填筑结构的稳定性能，针对稳定问 题提出解决方法； 据水工模型试验成果提出水电站尾水壅水堰水下施工工艺及施工技术建 议。 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 l l 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 2 1 水电站尾水位治理技术 利用水能资源就得在天然河道上修建水利枢纽，然而天然河流修建枢纽后， 上游来沙将在枢纽形成的水库内淤积，出库沙量锐减，枢纽下泄清水冲刷下游河 道，从而引起河床发生下切，导致电站尾水位下降。此外，河道无序采砂和枢纽 下泄清水冲刷河道相耦合，导致尾水位进一步降低，从而容易导致电站尾水位不 能满足机组吸出要求，影响电站供电安全。因此，有必要采取有效的工程技术措 施对电站尾水位加以治理使其达到设计尾水位；或者调整水库水电站运行方式增 加电站下泄流量抬高下游河道的的尾水位至设计尾水位，以达到并改善机组长期 稳定运行，从而延长水电站的使用寿命和保障福建及华东电网的供电安全。 水电站加大下泄流量增加电站尾水位高程。此法比较简单，不需增加工程 措施，仅改变水库调度方式及电站机组的运行方式即可增加电站尾水位高程，从 而消除尾水不能满足设计要求的弊端。但增加电站下泄流量，需要有足够多的水 库库容或者上游持续充足的水源，才能源源不断地供给为恢复电站尾水位而增加 的下泄流量。由于水库库容、进库水源的总量及水量年内分布不均，故不能满足 电站持续增加下泄流量的需求。虽然在雨季进库水量大，有充足的水资源供给， 能够保障机组安全运行的尾水位所需的电站下泄流量，但雨季持续时间较短；在 枯水季节，进库流量较少且枯水季节持续时间较长，再加之电站尾水位在枯水季 节处于最低位，水库除了能够提供机组正常运行必须的流量保障电力供应之外， 基本上没有多余水量供电站增加下泄流量。综上所述，水电站通常均无法采用加 大下泄流量来抬高电站尾水位到设计要求来保障机组安全稳定运行。 修建反调节枢纽以抬升电站尾水位至设计要求。根据枢纽河段的地形地貌 特征、水口水电站的防洪及发电影响、水工建筑物布置、施工组织设计、建设征 地移民安置、工程投资估算、施工期通航条件等综合分析研究后，在水口枢纽下 游一定范围河段处新建反调节综合枢纽工程抬高水电枢纽下游与反调节枢纽之 间河段的水位，以满足水电站发电机组安全平稳运行的电站尾水位高程的要求。 该方案的布置以不影响该河段行洪和回水基本不影响水口水电站发电出力为前 提条件进行修建。采取修建反调节综合枢纽工程后，电站尾水位抬高至设计要求 能够得到很好的保障，从而机组安全平稳运行概率也能够得到很好的保证。另外， 修建反调节综合枢纽不仅能够抬高尾水河道水位保证电站尾水位恢复至设计尾 水位要求，还能够增加水口枢纽下游至反调节枢纽之间河道的水深达到改善通航 水流条件的目的，从而提高该河段的航道等级；还能抬高水口枢纽通航建筑物下 游门槛水深，改善船闸口门区及连接段的通航水流条件，遏制通航条件恶化，保 1 2 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 障船舶安全进出船闸，确保航运畅通。但是，修建反调节综合枢纽工程规模大、 周期长、投资高、水库淹没范围广，对水库周边的生态环境影响都比较大，也涉 及到水库移民的问题，水库移民是个严重的问题。综上所述，采取在水口枢纽下 游修建反调节综合枢纽涉及的问题比较多，需要经过充分的经济技术论证及生态 和环境影响评估，待满足相关要求后方可进一步实施。 修建水电站尾水壅水堰以抬高尾水渠的尾水位高程至设计要求。电站尾水 壅水堰作为一种全新的工程理念，其基本原理是利用建造在电站尾水渠末端的壅 水坝抬高尾水渠水位，使其满足机组最低吸出高程要求，从而保障电站平稳安全 运行。壅水堰不起调节流量的作用，故其坝顶高程的较低，电站尾水渠多余的水 经过坝顶直接下泄到下游河道。壅水堰具有壅水和泄水的双重作用。其核心是在 电站尾水渠的末端适当位置修建一条横跨尾水渠的潜坝，即壅水堰，以阻碍水流 运动，使其在尾水渠中产生壅水现象，从而达到抬升电站尾水位的目的。采用该 工程措施，和修建反调节综合枢纽相比规模小、投资低、施工期较短、没有水库 淹没、也不存在对水库周边的生态环境的破坏问题及移民问题，其影响范围也只 是局限于电站尾水渠内。电站尾水壅水堰的堰型选择、布置位置及壅水堰堰顶高 程的确定等问题，是壅水堰设计中的关键与难点。正确地布置电站尾水壅水堰， 使其既能有效降低电站尾水冲击而产生的水平作用、确保壅水堰结构能够在自身 重力作用下稳定安全，又能减小过坝水流对坝下游河床的冲刷作用，还要避免过 坝水流对枢纽下游船闸口门区通航水流条件的破坏作用；合理的壅水堰堰项高程 是电站下泄小流量电站尾水位能够抬高至设计要求满足发电机组安全吸出高程， 电站下泄大流量时不至于损失发电水头减小发电效益得以实现的先决条件。 虽然以上三种措施都能增加电站尾水位至设计最低尾水位7 6 4 m ，而且各有 千秋。对于增加下泄流量升高尾水位能够很快达到目的，需要足够多的库容和连 续不断的水量补给，结合实际情况不能达到长期实现解决问题的目的；对于在下 游合适的河段修建壅水坝壅高整个尾水河道的水位，既能解决电站尾水位问题还 能改善通航条件，但是需要充分的经济技术论证，并且涉及的问题很多，电站尾 水位治理时间上不允许：对于在尾水渠内修建尾水壅水堰抬高尾水渠的水位至设 计要求，不仅时间上能满足要求，而且实现起来也很容易。综上所述，选择在尾 水渠末端修建尾水壅水堰抬高尾水位至设计要求达到解决问题的目的。 2 2 尾水壅水堰研究 水电站尾水壅水堰作为一种全新的工程理念，其基本原理是利用建造在电站 尾水渠末端的壅水坝抬高尾水渠内的水位，使其满足机组最低吸出高程要求，从 而保障电站平稳安全运行。其实质是在电站尾水渠末端的适当位置修建一条横跨 尾水渠的壅水坝，以阻碍水流运动，使其在尾水渠中产生壅水现象，从而达到抬 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 1 3 升电站尾水渠水位的目的。水电站尾水壅水堰的堰型选择、布置位置及壅水堰堰 顶高程的确定等问题，是壅水堰设计中的关键与难点。正确地布置电站尾水壅水 堰，使其既能有效降低电站尾水冲击而产生的水平作用、确保壅水堰结构能够在 自身重力作用下稳定安全，又能减小过坝水流对坝下游河床的冲刷作用，还要减 小过坝水流对枢纽下游口门区通航水流条件的破坏作用；合理的壅水堰堰顶高程 是电站下泄小流量时尾水位能够抬高至满足发电机组安全吸出高的设计要求，电 站下泄大流量时不至于损失发电水头减小发电效益得以实现的先决条件。 2 2 1 壅水堰的位置及轴线布置 壅水堰位置及轴线布置原n - 1 ) 壅水堰过流时，水流条件较好，尽量减少水流对厂房左岸、已建隔流墙基 础的冲刷； 2 ) 轴线尽量较短，以减少壅水堰工程量； 3 ) 大坝泄流和电站尾水出流对壅水堰堰脚的淘刷影响较小，有利堰脚的保 护； 5 ) 壅水堰上游堰脚尽可能与原尾水渠的端部有一定距离，避免电站尾水对壅 水堰堰脚的淘刷，同时防止施工期石渣等进入尾水渠影响发电； 6 ) 堰体和河中导墙衔接方便，堰体尽量布置在隔流墙范围之内。 根据水工建筑物重要性的等级划分，壅水堰一般为3 级建筑物，按临时建筑 物设计。壅水堰在水电站尾水渠里的布置一般应考虑电站尾水渠的平面尺度和尾 水渠特点等因素。壅水堰轴线的布置涉及到壅水堰与水电站建筑物的相对位置和 坝轴线夹角两个方面。通常电站的尾水渠由河岸与隔流墙组成，壅水堰布置于尾 水渠内。为了满足壅水堰的稳定性要求，壅水堰结构布置不应超过中导墙，超过 隔流墙，壅水堰的结构安全问题将会非常突出，因此，应将其布置在隔流墙范围 内。壅水堰在尾水渠内的位置与电站尾水出口的距离要适中，若距离电站尾水出 口较远，堰体结构受电站尾水出流的冲击力和动水压力偏小，淘刷威胁较小，反 之，距离尾水出口过近，堰体结构受电站尾水出流的冲击力和动水压力威胁增大， 容易受到淘刷，不利于壅水堰的稳定。因此，壅水堰宣布置在尾水渠末端，不仅 可以避开电站尾水出流对堰脚的淘刷，还能够减小尾水渠内动水压力对堰体结构 的影响，从而保证堰体结构的安全。 另外，壅水堰轴线的布置不仅关系到过堰水流条件与水工建筑物的安全稳 定，还关系到过堰水流流向与对船闸轴线夹角的问题。理想的过堰水流条件应该 是能有效降低水流对壅水堰稳定的不利影响，提高其安全稳定性能，同时能够减 少对船闸下游口门区通航水流条件的影响。若将壅水堰轴线与中导墙相垂直布 置，即壅水堰轴线与水口枢纽坝轴线相平行，壅水堰泄水能力不会受到太大影响 1 4 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 从而能够避免在电站下泄大流量时过度抬高尾水位减小机组出力。但是，在水口 电站尾水渠出口河道左岸存在向河中突出的岸坡，受其影响经壅水堰下泄的水流 将会直接被挑向右岸，使水流流向与船闸轴线的夹角过大而破坏口门区的通航水 流条件，威胁着船舶进出船闸的安全。因此，壅水堰轴线应考虑与水口枢纽轴线 有一定的夹角，尽量降低过堰水流受挑嘴的影响，从而减小水流与船闸轴线的夹 角，弱化对船闸口门区通航水流条件的破坏。经综合考虑地形地质条件、尾水渠 的特点，过堰水流条件对通航水流条件的影响等因素，确定壅水堰轴线与水口原 坝轴线的夹角为2 6 0 作为设计方案。轴线与中导墙交点位于水口大坝坝下 s t a d 0 + 2 0 8 0 0 m 处，壅水堰轴线控制点坐标为a 点：x = 2 5 8 7 6 1 3 0 ，y = 5 3 2 6 4 7 2 ； b 点：x = 2 5 8 8 5 4 4 6 ，y = 5 3 0 7 9 4 8 ，全长2 0 7 m ，图2 1 。但壅水堰轴线的最终确 定还得通过模型试验结果分析探求壅水堰坝轴线的最佳布置位置。 图2 1 尾水壅水堰布置图 f i g 2 1a r r a n g e m e n tp l a no fb a c k w a t e rw e i r 2 2 2 壅水堰的堰顶高程的确定 为了保证施工期电站能够正常运行，壅水堰不具备干地施工条件要求全部或 大部分在水下施工，受厂房尾水出流影响较大。另外，修建壅水堰的主要目的是 壅高电站尾水位，不要求其具有较强的泄流能力。因此，结合壅水堰断面选则对 壅水堰的水下工作条件及施工难度影响均较大的工程实际特点及各方面因素，断 面选择施工较简单的梯形断面形式。 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 1 5 尾水最低吸出高程是为保障电站机组能安全运行所需要的最低尾水位，也是 电站的限制性水位。据此可结合壅水堰的断面形状，采用相应的宽顶堰堰流计算 理论即可计算电站最小下泄流量时的堰前水位，当计算水位与电站厂房尾水最低 吸出高程一致时所对应的堰顶高程即为要求的壅水堰堰项高程。 宽顶堰堰流计算公式为： q = o i m n b 4 2 9 h o 纠2 ( 2 1 ) 式中：p 一流量，m s ； b 一溢流堰净宽，m ： 凰一包括行进流速水头的堰前水头，i - l o = h + v 0 2 2 9 ，m ； m 一自由溢流的流量系数，它与堰型、堰高等边界条件有关； q _ 倾收缩系数；采用经验公式：纠一丽a o 伽一参计算确定， 式中：为考虑墩头及堰顶入口形状系数。当闸墩( 或边墩) 头部为矩形，堰 顶为直角入口边缘时，= 0 1 9 ；当闸墩( 或边墩) 头部为圆弧形，堰顶入口边 缘为直角或圆弧形时时= 0 1 0 ：b 为溢流孔净宽；b 为上游引渠宽；h 为堰顶 水口，m ；曰为上游堰高，m 。 瓯一淹没系数，当下游水位影响堰的泄流能力时，堰流为淹没堰流，其影 响用淹没系数表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时盯= l 。 堰顶高程的确定取决于电站运行的最低尾水位，水口水电站原设计运行最低 尾水位为7 6 4 m ( q = 3 0 8 m 3 s ) ，设计方案暂以保证原有设计最低尾水位不变为原 则，为此根据理论分析和水力计算理论拟定了几种不同堰顶高程进行粗算，当某 一堰顶高程的计算水位和电站下泄基荷流量q = 3 0 8 m 3 s 的水位7 6 4 m 接近时，再 在此高程附近根据水里计算理论进行精确试算，计算水位最接近电站下泄基荷流 量q = 3 0 8 m 3 s 的堰顶高程作为设计高程。当电站下泄流量为q = 3 0 8 m 3 s 时不同 堰顶高程对应的尾水位计算结果如表2 1 所示。 表2 1 不同堰顶高程计算水位 疋l b l e2 1t h ec a l c u l a t i o nw a t e rl e v e lo fd i f f e r e n tw e i re l e v a t i o n 1 6 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 从上表计算结果可知，当电站下泄流量为基荷流量q - - 3 0 8 m 3 s 时，随着堰顶 高程的增加，计算的尾水位也随之升高。当堰顶高程为6 5 0 m 时，计算的尾水位 为7 5 5 m 与电站设计最低尾水位7 6 4 m 最接近，它们的差值在0 0 9 m ，而高程为 7 0 0 m 时水位差值为负的，说明堰顶高程选择7 m 过高，最小尾水位高于设计值， 不能满足要求。因此，选择堰顶高程6 5 0 m 在其基础上增加堰顶高程再根据水力 学计算理论进行精细估算，计算结果见表2 2 。 表2 2 不同堰顶高程计算水位 t a b l e2 2t h e d i s c h a r g eo fd i f f e r e n tw e i re l e v a t i o n 由计算结果分析可得，当壅水堰高程为6 5 9 m 时，不仅计算尾水位和电站下 泄基荷流量q = 3 0 8 m 3 s 时的尾水位相差不大，在允许范围内，而且壅水堰的壅水 高度也到达到设计最低尾水位7 6 4 m 的要求，据此确定壅水堰的堰顶高程为 6 ，5 9 m 。 虽然堰顶高程取6 5 9 m 时，能够满足最低尾水位要求，但是，要保证堰顶高 程取为6 5 9 m 时，电站其他下泄流量下的堰前水位不至于过高而减小机组出力， 因此，进行电站其他下泄流量下壅水堰的堰前水位，结算结果见表2 3 及图2 2 所示。 表2 3 壅水堰计算堰前水位 t a b l e2 3t h ec a l c u l a t i o nw a t e rl e v e la b o v et h ew e i r 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 1 7 图2 2 壅水堰泄流曲线图 f i g 2 2d i s c h a r g ec u r v eo fb a c k w a t e rw e i r 经水力计算，确定壅水堰堰项高程为6 5 9 m ，后面将根据研究成果进行优化。 2 2 3 壅水堰的其他计算 渗流量计算 进行渗流量计算的目的是为了对壅水堰的渗流稳定性进行设计。根据壅水堰 上下游最大水位差和地基条件，并参考工程实践经验，结合壅水堰渗流量的计算 成果进行渗透水压力和抗渗稳定性计算。壅水堰渗流量的计算，采用水力计算手 册中的渗流计算方法进行近似计算。 计算堰身渗流量时，假定堰基不透水，根据分段法及其修正，单宽流量q 和渗出高度可由下面两式联立用试算法解出： 口：kh ：2 - ( h 2 + a o ) z 1 2 ( x h i + s ) ( 2 2 ) g ：概( s i n f l ) ( 1 + 2 3 1 9n 2 + a o ) a o ( 2 3 ) 式中：k - 堰身渗流系数； 浦润线的水平投影长度，即s = ，一t n 2 ( a o + 皿) ； x 一为一系数，其值由x ：l l 式确定； l + 县上游水位； 下游水位； 一下游坡角； 下游渗出点距下游水面距离； 上游坡比； 18 第二章水电站尾水位治理技术和尾水壅水堰研究 一下游坡比； ，渗径在水平向投影长度。 计算堰基渗流时，假定堰身不透水，按有压渗流考虑，其单宽流量可由以下 两式确定： 9 2 ：k ：r ( n , - h 0 n l ( 2 4 ) 刀= 1 + 0 8 7 t z ( 2 5 ) 式中：心堰基的渗流系数； 局一上游水头； 易一下游水头； 丁一覆盖层厚度； z 一渗径在水平向投影长度。 堰体溢流最大过流流速计算 为了对堰体结构的抗冲性能和消力池段消能进行设计，有必要计算堰体溢流 最大过流流速。计算采用水力计算手册中底流消能防冲水力计算中的关于收缩水 深的计算公式计算收缩水深，再计算其流速，其基本计算式如下： 。2 e 0 ”彘 ( 2 6 ) 式中：e o 一以下游河床为基准面的泄流建筑物的上游总水头； p 收缩断面处的单宽流量； p 重力加速度； 伊一流速系数( f l jl - 游断面到收缩断面的沿程能量损失和局部损失所决定， 能量损失越大，流速系数越小) ，矽= o 7 5 。 2 3 本章小结 本章针对由于枢纽下泄清水冲刷下游河道和无序采砂相耦合引起的电站尾 水位下降不能满足机组吸出高的设计要求问题，提出了电站尾水治理技术并对壅 水堰原理及壅水堰理论进行了研究。 第三章水口水电站尾水壅水堰模型试验研究 1 9 第三章水口水电站尾水壅水堰模型试验研究 3 1 水口电站枢纽壅水堰工程概况 在水口电站工程设计时，为了满足船舶通航条件，要求电站下泄基荷流量为 3 0 8 m a s ，相应的下游水位为7 6 4 m ，设计则以此水位确定厂房机组的安装高程。 但在水口电站建成后，由于天然河流修建枢纽后，上游来沙将在枢纽形成的水库 内淤积，出库沙量锐减，枢纽下泄清水冲刷下游河道，从而引起河床发生下切， 导致电站尾水位下降。此外，河道无序采砂和枢纽下泄清水冲刷河道相耦合，导 致尾水位进一步降低，从而容易导致电站尾水位不能满足机组吸出高程要求 水口枢纽一期围堰于1 9 8 7 年3 月动工兴建，首台机组于1 9 9 3 年8 月发电， 1 9 9 6 年1 1 月7 日7 台机组全部发电，至2 0 0 4 年1 2 月坝下基荷流量水位为4 4 2 m ， 较设计最低水位降低3 2 2 m 。目前在基荷流量3 0 8 m 3 s 时，厂房尾水位仅为3 2 m ， 比原设计的厂房下游最低尾水位低4 4 4 m ，使得机组水轮机的吸出高度达不到原设 计要求，影响了机组的正常运行。鉴于以上原因，为改善水口水电站的运行条件， 保障水口水电站的机组运行安全，在电站尾水出口修建壅水堰，抬高电站尾水位。 壅水堰工程位于水口水电站厂房下游尾水渠末端，按水口水电站次要建筑物考虑， 壅水堰为3 级建筑物。 拟建的壅水堰工程位于水口电站厂房尾水渠末端。其右侧与中导墙尾部衔接， 左侧接左岸边坡，边坡基岩裸露，呈弱微风化，坡度约7 3 0 ，为水口电站尾水渠开 挖边坡。设计壅水堰长约1 7 3 8 m 。厂房尾水渠段河流由南东向北东流，河面宽约 1 7 8 2 3 0 m ，水深般2 1 2 m ，河水面高程约3 5 4 o m 。拟建壅水堰上游侧建筑 物有水口电站厂房，右侧有中导墙。如图3 1 。 2 0 第三章水口水电站尾水壅水堰模型试验研究 图3 1 尾水壅水堰布置图 f i g 3 1a r r a n g e m e n tp l a no f b a c k w a t e rw e i r 堰顶高程的确定取决于电站运行的最低尾水位。水口水电站原设计运行最低 尾水位为7 6 4 m ( q = 3 0 8 m h s ) 。设计方案暂以保证原有设计最低尾水位不变为原则， 经水力计算，确定壅水堰堰顶高程为6 5 9 m ，后面将根据研究成果进行优化。 结合壅水堰断面选择对壅水堰的水下工作条件、工程量、施工难度影响均较 大的特点，壅水堰采用钢丝笼及石渣堆砌型式，壅水堰的堰型选择施工简单的梯 形断面。根据地形、地质条件，壅水堰断面以桩号堰0 + 0 9 0 为界分为两种断面型 式。桩号堰0 + 0 9 0 - 堰0 + 2 0 7 段范围覆盖层较薄，对溢流堰基础进行清基处理，堰 顶高程为6 5 5 m ，堰顶宽4 o m ，上游坡为l ：l ，下游坡为l ：1 5 ，堰体迎水面采 用钢丝笼( 充填土工布c 1 5 混凝土包) 保护，溢流面采用钢丝笼( 充填土工布c 2 5 混 凝土包) 抗冲，堰脚采用混凝土四面体保护，在消力池尾部设置混凝土格栅。桩号 堰0 + 0 0 0 堰0 + 0 9 0 ，壅水堰坐落于砂卵砾石层上，深槽部位上下游两侧采用钢丝 笼内装填土工布袋水下不扩散混凝土，中间采用石渣回填，回填顶高程2 o m 。堰 体迎水面采用钢丝笼( 充填土工布c 1 5 不扩散混凝土包) 保护，溢流面采用钢丝笼( 充 填土工布c 2 5 不扩散混凝土包) 抗冲，堰脚部位采用混凝土四面体保护，消力池段 回填钢丝笼( 充填土工布沙包) 及大块石、消力池末端设置混凝土格栅，图堰体 断面图3 2 。 第三章水口水电站尾水壅水堰模型试验研究 2 l 3 2 试验的目的 图3 2 堰体断面图( 单位：e m ) f i g 3 2w e i rs e c t i o n ( u n i t ：c m ) 通过整体枢纽水工模型试验研究，研究从电站开始泄流到7 台机组满发时， 尾水壅水堰原设计方案枢纽布置、堰顶高程、堰体结构的合理性，壅水堰堰顶及 斜坡面的水流条件以及消力池型式、尺寸的可行性。 验证原设计方案壅水堰的泄流能力。 针对试验过程中出现的问题提出改进意见及措施，满足工程设计运行要求， 提出优化方案。 由于壅水堰不具有干地施工条件，施工受厂房出流影响较大，必须考虑电 站正常运行条件及水下施工特点，结合尾水渠内的水流条件，对壅水堰的水下施 工技术进行研究。 3 3 试验工况的确定 模型试验工况选取的是从电站基荷运行到7 台机组满发时的流量，分别为为q - - 3 0 8 m 3 s 、5 1 0m a s 、1 0 2 0m 3 s 、1 5 3 0m 3 s 、2 0 4 0m 3 s 、2 5 5 0m 3 s 、3 0 6 0m 3 s 、 3 5 7 0m 3 s 共八级流量。 3 4 试验依据基本资料 电站下泄流量水位流量关系曲线，见图3 3 ； 坝下游1 ：1 0 0 0 地形图； 试验河段测图两岸水边线资料； 尾水壅水堰设计方案布置图； 设计施工分期示意图： 堰体过流最大流速计算成果，表3 1 ； 堰体填筑体设计参数，表3 2 。嚣liu一口勺口四一oq一io苗参-o ojjo馨砖llo一q_二四一厶io李。厶nn雠一 豁坦髅水删婕覃*嘲煺裂卜按脚nc匾 c 】 盒 、一 o 吕 咖 嫣 | o o o | | 户 o o | o 吲 l 。 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