X宽尾墩应用与发展的试验研究

1、X宽尾墩应用与发展的试验研究第26卷第4期2007年8月水力发电J0URNALOFHYDROELECTRICENGINEEmNGVo1.26No.4Aug.,2007X宽尾墩应用与发展的试验研究尹进步,梁宗祥,龚红林(西北农林科技大学,陕西杨凌712100)摘要:本文在总结传统宽尾墩与普通x宽尾墩消能工所存在问题的基础上,通过思林水电站泄洪消能建筑物的试验结果分析,提出一种新型x宽尾墩消能工.该消能工体型简单,能满足表孔泄洪流量变化范围大,消力池纵向长度小,尾坎低的要求.与传统宽尾墩对比试验结果表明,消力池水流消能充分,下游河道水面波动小,消力池底板脉动小,满足工程安全运行的需要.关键词:水力

2、学;新型x宽尾墩;模型试验;消能;泄洪中图分类号:TV135.2文献标识码:AExperimentalstudyonapplication&development0fXtypeflaringgatepiersYINJinbu,LIANGZongxiang,GONGHonglin(NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForest,Yanglingcity,Shanxiprovince712100)Abstract:ThispaperputsforwardanewXtypeflaringgatepierbyhydraulicmode

3、ltestontheSilinhydropowerstation.Thesimpleshapecansuitthelargevariablerangesofflooddischarges,theshortstillingbasinandthelowtailweir.Thetestresultsshowthatthepierhasthehighenergydissipationandthesmallflowfluctuationonthebottomofstillbasinincomparisonwithconventionalflaringpiers.Keywords:hydraulics;a

4、newXtypeflaringgatepier;hydraulicmodeltest;energydissipation;flooddischargesO宽尾墩发展综述宽尾墩作为一种适应于大单宽泄洪建筑物的消能工,先后在许多工程上得到应用.从工程运行结果看,由于宽尾墩作用,传统消力池二元水跃变为三元水跃,增加掺气,提高消能率同时,消力池长度也得到了大幅度减小,安康,五强溪,岩滩等工程消力池长度,均比传统二元水跃消力池缩短一半以上¨.通过对已建工程泄洪运行结果分析发现,传统宽尾墩还存在一些问题.第一,传统宽尾墩只适应大单宽高尾水的泄洪,当尾水深度较小或高库水位单孔开启时,大单宽泄洪可能

5、会发生消力池底板脉动急剧上升,甚至破坏消力池底板结构稳定的问题,安康与五强溪泄洪均出现过此现象;第二,小流量泄洪时,难以形成纵向拉开的宽尾墩水舌,水流成一集中水股砸向坝面,坝面承受的冲击压强急剧增加,严重时,坝面被砸出许多小坑,小坑在大洪水泄洪时可能会引起坝面空蚀破坏问题发生.针对传统宽尾墩存在的问题,文献2,3在乌江索风营工程的试验研究中,结合台阶坝面的使用,继承传统宽尾墩优点同时,推出x宽尾墩消能工.x宽尾墩是在常规宽尾墩底部开一2m3m高的斜El后形成,其它部分与常规宽尾墩完全相同,但其优点却表现得比较突出.第一,下开El使底部比常规宽尾墩多出一个水垫层,消力池底板冲击压强比常规宽尾墩最

6、大可减小约30%;第二,小流量泄洪不出现冲砸坝面问题,大流量泄洪与常规宽尾墩完全相同;第三,与台阶坝面联合使用,消能率至少提高约5%l0%,特别是施工期渡汛,坝面可以直接过流,节约投资同时,也节约了工期,索风营水电站首台机组提前近半年发电的事实充分证明了这一优势的存在.已经使用宽尾墩的几个工程,包括建成或在建的工程,其表孔单宽最大泄量只有250m3/s?m,但实际工程中,由于河谷地形限制,有些工程的单宽泄量已超过250m3/s?m,堰顶水头也超过25m,暂且称其为特大单宽泄量.对收稿日期:2005.12.22作者简介:尹进步(1968一),男,高级工程师.E?mail:xbsyjbsina.c

7、orn第4期尹进步等:x宽尾墩应用与发展的试验研究37于特大单宽泄洪建筑物而言,如果我们还继续使用传统宽尾墩或x宽尾墩,从适应堰顶水头的高度需要,则宽尾墩高度就必须增加,同时为满足三元水跃的要求,消力池长度也必须增加.这些变化可能为建筑结构或枢纽布置带来许多问题.为了满足上述变化的需要,本文通过思林水电站泄洪消能问题研究,提出一种新型x宽尾墩,为这些问题的解决提供了较好参考依据1新型X宽尾墩的设想与体型简介一般情况下,宽尾墩都是与戽式消力池联合使用.我们知道,同样泄洪宽度条件下,单宽泄洪量越大,下游河道尾水深度越大.一般深尾水,比较适合戽式消力池使用,但戽式消力池对尾水深度和尾坎的高度,挑射角

8、要求也比较严格.如果戽池尾坎高度与挑角比较大,而水深小时,消能可能充分,冲坑深度减小,但下游河道水面波动大;如果戽池尾坎高度与挑射角较小,而水深大时,下游河道可能出现潜底戽流,引起河床淘刷深度增加.因此深尾水在适合戽式消力池使用的同时,对尾坎高度与挑射角不变的戽式消力池而言,则要求其尾水变幅不能太大.而一般实际工程泄洪流量变化范围都比较大,特别是河道狭窄,枢纽布置矛盾比较突出时,多数情况下,洪水都要通过表孔下泄,因此表孔的泄洪变化幅度更大,下游尾水深度变幅也就随之增加.如果我们还继续使用简单x宽尾墩与戽池联合消能的泄洪方式,则下游河道可能出现许多问题,如:小流量泄洪河道水面波动大,而大流量泄洪

9、河床潜底淘刷又比较严重.为了解决上述问题,我们在x宽尾墩基础上,对其体型进行了调整,使中小洪水保持x宽尾墩泄洪消能特性,而大洪水或特大洪水时,泄洪方式发生变化.在x宽尾墩泄洪方式的基础上,充分利用深尾水和消力池空间增加一部分挑流泄洪形式.水深,消力池空间与水头的合理匹配应用,既降低了戽池尾坎高度,又解决了堰顶水头与尾水深度变幅大的消能问题.新型x宽尾墩消能工就是根据这一思想而产生.新型x宽尾墩体型如图1(b)所示,与图1(a)所示普通x宽尾墩比较可以发现,它是在一般x宽尾墩基础上,下部体型不变,顶部AEF斜平面转化为椭圆锥曲面后得到,另外宽尾墩总高度cF相对于一般宽尾墩要适当减小.当流量在20

10、0m/s?m以下时,水流基本呈现x宽尾墩水舌形态,当流量大于200m/s?m时,大于200m/s?m的流量则通过宽尾墩顶部,呈现挑射水流形式下落.整个水舌横断面为"工"字形,底部沿坝面横向展开,中间通过宽尾墩窄缝形成纵向拉开水舌,在宽尾墩顶部,水舌横向展开以挑流形式越过宽尾墩,水流形态如图2所示.宽尾墩顶部椭圆锥曲面保证了过流面的光滑,避免边界突变引起的水流空蚀破坏现象发生.上,中,下三部分水流分流比依据消力池水垫深度及消力池长度而定.ABFEABEDC图1宽尾墩详图Fig.1Dataileddrawingofflaringgatepier2工程试验成果分析图2泄水建筑物剖

11、面图(单位:m)Fig.2Sectionaldrawingofdischargestructure(unit:m)2.1工程概况乌江思林水电站位于贵州省思南县,是乌江干流的第五个梯级电站.工程枢纽由碾压混凝土重力坝,坝顶七个泄水表孔,一个冲沙底孔,右岸引水发电系统及左岸通航系统等组成.泄洪消能系统采用表孔宽尾墩+台阶坝+尹进步,乌江思林水电站水工水力学模型试验报告R.陕西杨凌.水利部西北水利科学研究所实验中心.2005FeC门ADFEC=二7AD38水力发电2007钲面+消力池的联合泄洪消能方式,原设计宽尾墩为Y型宽尾墩,经试验调整,最后为工程推荐新型x宽尾墩,体型纵剖面如图2所示.电站装机容

12、量1000MW,堰顶高程为418.5m,水库正常蓄水位440.0m,对应下泄流量19400m3/s,设计库水位444.83m,对应下泄流量25737m3/s,校核库水位449.27m,对应下泄流量32922/s.表孔堰面泄流总宽度91m,三个水位过堰单宽泄流量都比较大,分别为213m3/s?Ill,283m3/s?m和362m/s?m,特别是校核水位,单宽泄量超过360m/s?m,在已建同类工程单宽泄量中,堪称为世界之最.如果以此单宽流量计算消力池长度,普通消力池需要180m以上,采用宽尾墩消能工的消力池长度也应在80m以上,而原设计消力池全部长度不足65m,且消力池尾坎后紧接电站尾水渠.如此

13、紧密布置形式,对泄洪消能提出比较严格的要求.第一,消力池长度不能增加,消能还必须充分;第二,池后水面波动必须非常小,满足电站正常运行的需要;第三,消力池底板冲击压强与脉动压强必须满足安全要求.试验结果所推出的新型x宽尾墩,使上述问题全部得到解决.具体试验成果如下.2.2水流形态与分流比原设计宽尾墩体型为Y型宽尾墩,宽尾墩高度接近32m,校核水位时,宽尾墩水舌外缘已伸出了消力池尾坎,在原设计消力池尾坎高度7.32m时,尾坎后出现比较严重的潜底戽流流态,为了改变流态,避免过大河床冲刷问题发生,将尾坎高度抬高至10m,潜底戽流流态得到改善,但高尾坎使中低库水位泄洪时,河道波浪加大,严重影响电站的正常

14、运行.将宽尾墩修改为新型x宽尾墩后,消能工使水流在不同库水位,出现不同水流流态.库水位440m以下,水舌完全呈现普通x宽尾墩水流形态,一部分紧贴坝面横向展开,一部分以宽尾墩窄缝纵向拉开,且底部横向展开水流为纵向水舌提供一部分水垫作用;当库水位高于440m后,通过宽尾墩的水流仍呈现宽尾墩水舌形态,而高出宽尾墩AE线的水流立即向两边拓展,随着库水位的进一步上升,宽尾墩顶部水流完全形成一横向展开的挑流水舌挑向消力池,如图2所示,由于河道狭窄,消力池水深较大,上,下横向展开水舌与宽尾墩纵向拉开水舌在消力池中碰撞紊动,形成比较复杂的多元水流紊动,池中水流消能比较充分,池后水面比较平稳.不同库水位给予水流

15、不同消能形式,利用有限的空间和消能水体,使水流能量得到了合理的分散转换.经试验测算,当总泄量不大于3400m3/s,即单宽泄量不超过3740II13/s?m时,水流基本通过x宽尾墩底部开口,紧贴坝面横向展开通过,这一分流比是根据台阶面安全过流最大单宽泄量而定;当总泄量大于3400m/s时,底部开口通过的泄量基本稳定在3400m3/s左右.当库水位达到设计水位444.83m时,顶部挑流水舌流量约占总泄量的40%左右,到校核水位449.27m时,顶部泄量占总泄量的50%左右,即利用消力池深尾水,挑流消能率高的特点,接纳了总泄量的一半水流,各方面优势得到了集中使用.2.3电站尾水渠水流涌浪分布Y型宽

16、尾墩水舌纵向拉开后,水舌落点区纵向范围长.试验测试发现,为了满足水流在消力池中消能的要求,不增加消力池长度条件下,挑射角仍保持45.,消力池尾坎高度需提高到10m.但高尾坎,大挑角中低库水位泄洪时,电站尾水渠附近出现较大水面波动;而采用新型x宽尾墩后,各种工况消力池水流紊动消能都比较充分,消力池尾坎可采用1:2.5的斜坡挑角,高度降低至6m.进行不同库水位泄洪测试,电站尾水渠附近水面波动减小到12m,保证了电站的正常运行.利用波高仪分别对原设计Y型宽尾墩以及修改后新型x宽尾墩电站尾水渠涌浪分布情况分别进行测试,测试结果如图3所示.从图中可以看出,原设计Y型宽尾墩设计水位及正常蓄水位泄洪时,电站

17、尾水渠涌浪最高接近4m,比相应的新型x宽尾墩涌浪高近2m,平均涌浪高度23m,比新型x宽尾墩高11.5m.2.4消力池底板脉动压强图3涌浪分布曲线Fig.3Curveofswell消力池底板脉动引起破坏是传统宽尾墩中小流量无法克服的一个问题,特别是当下游消力池尾水比较低,而上游水位较高时,一般情况下底板脉动压强都比较大.已建安康,五强溪等工程的破坏就是在此条件下发生.思林电站单宽泄量比一般工程大,而消力池长度又比一般工程短,因此本工程消力池底板脉动问题更加突出.第4期尹进步等:x宽尾墩应用与发展的试验研究39为了对消力池底板的脉动分布情况进行分析,试验针对新型x墩,尾坎高度6m,以及原设计Y墩

18、,尾坎高度10m两种体型,先后进行了不同库水位或同一库水位,下游不同尾水位的多组脉动压强测试.测试结果表明,不管采取哪种消能工,消力池底板的脉动对下游尾水位的变化都非常敏感.所有全开工况相对于分孔开启要安全,而分孔开启工况中,正常蓄水位单孔开启脉动强度又最大.表1就是正常蓄水位7孔全开,单孔开启,采用两种宽尾墩时,沿消力池中心线方向脉动压强的测试结果表1正常蓄水位消力池脉动压强×9.8kPaTable1ThefluctuationonstillingbasinunderNWL由于使用Y型宽尾墩时尾坎高度10m,而使用新型x宽尾墩时,尾坎高度只有6m,所以正常蓄水位7孔全开时,x宽尾墩

19、泄洪时,在靠近坝脚处产生约30kPa的脉动压强,比Y墩略大一些.但在比较危险的单孔开启时,新型x宽尾墩优势表现的比较突出.Y型宽尾墩泄洪时,水流全部通过宽尾墩窄缝下泄,虽然在离开宽尾墩初始段形成纵向拉开水舌,但在入水时,水舌存在普遍下压,纵向重叠现象,出现入水能量集中,消能不充分的问题;而新型x宽尾墩在底部增加消能缓冲水垫的同时,单宽泄量大于200m3/s?m时,水舌顶部开始横向展开,充分利用空间分散入水能量,所以入池后水流消能比较充分,脉动均方根普遍比Y型宽尾墩小.进一步分析发现,在距离坝面坡脚2m左右处,x墩与Y墩水舌都在紧贴坝面流动,所以脉动大小差别不是很大;随着测点远离坝脚距离的增加,

20、Y墩水舌下压的趋势逐渐增加,而x墩水垫消能的作用也在不断增加,因此二者的脉动差距逐渐增大;随着纵向距离的进一步增加,测点逐渐到达Y墩水舌外缘,脉动也开始减小,而此时,测点又距离x墩项部横向展开水舌落点区域也越来越近,x墩脉动强度又开始增加,二者的差距逐渐缩小,但直到消力池末端,x墩水流的脉动强度始终比Y墩小1015kPa,试验结果分析发现,当库水位高于正常蓄水位时,新型x墩与Y墩的这一变化趋势表现的更加明显.2.5消能防冲分析从上述分析过程可以看出,原设计的Y墩消能方案基本是"传统宽尾墩+戽式消力池"消能模式.该方案消力池长度已经确定时,戽池末端的尾坎形式及高度对消能效果影

21、响非常大.当采用原设计R=25m,挑射角=45.的尾坎时,尾坎高度7.32m,在设计库水位时,下游冲坑深度约10m,校核水位冲坑深度约20m;如果尾坎改为R:34m,挑射角:45.时,尾坎高度10m,设计水位基本无冲刷,校核水位冲坑深度约8m,冲坑深度减小,但高尾坎使水流将消力池未消除的大量余能通过水流波动带向下游河道,实测下游河道水流岸边的表,中部均有78m/s以上流速出现,对岸边可能产生严重冲刷.采用新型x墩后,整体的消能模式已发生变化.正常蓄水位以下虽然仍以"普通x宽尾墩+戽池"的模式进行消能,但底部多出一股横向展开水流,与宽尾墩水舌共同紊动,增加消能;库水位高于正常

22、蓄水位时,顶部横向展开水舌以挑流形式落入深尾水消力池中,水流消能形式超越了传统的三元水跃消能模式,消能则更加充分.消力池中水流消能程度的改变,使尾坎高度与挑射角度也发生变化,尾坎采用1:2.5的斜坡,高度6m,比Y墩减小4m.低尾坎,小挑角避免了下游水流的大波动,库水位低于448.5m时,下游河道无任何冲淤出现,校核水位时,出现不足7m的小冲坑,下游河道水流流速非常小,实测不超过34m/s.3结语"传统宽尾墩+戽式消力池"的泄洪消能模式,虽然解决了许多大中单宽泄洪建筑物泄洪消能问题,但同时也暴露出不适应小单宽泄洪,大中单宽低尾水消力池底板冲击压强过大等问题,"普通

23、x宽尾墩与台阶坝面联合应用"模式的出现,虽然解决了传统宽尾墩所存在的问题,但随着工程规模的增加,在一些特大单宽,短消力池泄洪建筑物的泄洪消能中,又存在宽尾墩高度太高,而短池或低尾坎又难以适应的问题.思林水电站泄洪消能试验结果所推出的新型x宽尾墩消能工,以其体型简单,适应流量变化范围大等特点解决了传统宽尾墩与普通x宽尾墩所存在的所有问题,试验结果分析表明,该消能工消能充分,河道尾水波动小,消力池底板脉动强度小.在解决思林工程泄洪消能问题的同时,也为同类工程设计提供一定参考依据.(下转至第35页)第4期黄国如等:利用区域流量历时曲线模拟东江流域无资料地区的EI径流过程353结论TOPMO

24、DEL模型是以地形为基础的半分布式流域水文模型,其模型结构相对较为简单,模型参数较少,在湿润地区可以得到较高的模拟精度.由于无资料地区往往没有实测的流量资料,故难以采用常规的方法进行模型的参数优化.将东江流域中的13个子流域作为研究区域,采用多年平均法得到各个子流域的FDC,直线插值得到13个指定频率下的流量值.以其中的11个子流域中的流量值分析流量历时曲线与流域地形,地貌特征的相关关系,结果得知指定频率下的流量值与流域面积和地形坡度等参数存在着较好的相关关系,确定性系数皆大于0.9.以星丰和岳城两个流域作为验证流域,模拟得到的FDC和实测的FDC较为吻合,因而可以通过无资料地区的流域面积和地

25、形坡度得到FDC,进而解决无资料地区的FDC区域化问题.以插值得到的13个指定频率下的流量值作为TOPMODEL模型参数优化的目标函数,模拟得到的流量过程线精度较高,说明采用该途径可得到精度良好的模拟结果.该方法为无资料地区的径流模拟预测提供了一条简便可靠的途径,值得在实际中加以应用.参考文献:1SivapalanM,TakeuchiK,FranksSW.IAHSDecadeonPredictionsinUngaugedBasinS(PUB),20032012:ShapinganexcitingfutureforthehydrologicalsciencesJJ.HydrologicalScienceJoumal,2003,48(6):857880.2杨大文,夏军,张建云.中国PUB研究与发展A.夏军.水问题的复杂性与不确定性研究与进展C.北京:中国水利水电出版社,2004:4754.13JYuPS,YangTC.UsingsyntheticflowdurationcurvesforrainfallrunoffmodelcalibrationatungaugedsitesJ.HydrologicalPr