高水头大流量窄缝挑坎消能工程施工中的技术问题

高水头大流量窄缝挑坎消能工程施工中的技术问题

1水布克发现了由没有发挥支撑高水头高流量窄缝消能工已被广泛应用，但如何利用这种高效、新型消能工来解决河谷狭窄、地形和地质条件复杂的高坝防御问题仍是研究的新课题。特别是在地质条件差的狭窄山谷,集中布置导流建筑物、泄水建筑物以及电站尾水出口时,其泄洪消能布置将会面临许多严峻的技术挑战。水布垭水利枢纽工程所在位置河谷狭窄,地形、地质条件复杂,给建筑物的布置带来了一定困难。由于泄洪落差(泄洪水头171~180m)与泄洪流量均较大(最大泄洪流量18280m3/s),河床基岩软弱,抗冲流速低,两岸又有巨大的滑坡体,导流建筑物、溢洪道以及电站尾水出口的布置相对集中,由此带来的泄洪安全问题及其影响就成为水布垭水利枢纽必须妥善解决的关键技术问题之一。水布垭枢纽溢洪道布置主要包括引水渠、溢流坝段、泄槽、挑流鼻坎及下游防冲段5部分组成。引水渠由上游直线段、中间转弯段和堰前直线段组成。堰前直线段长41.98m。溢流坝段设5个表孔(见图1),溢流堰为开敞式实用堰,堰顶曲线为WES线型,堰顶上、下游曲线段分别为1/4椭圆曲线x2/6.62+(3.74-y)2/3.742=1和曲线y=0.03613x1.85。堰顶下游曲线先后紧接一圆弧曲线、直线段、曲线段、直线段和圆弧曲线。泄槽用纵向隔墙分隔成5个区,即每个表孔各成一区,各自形成独立的泄流流道。泄槽末端设窄缝式挑流鼻坎,挑流鼻坎采用前后不一的阶梯式窄缝出口,收缩比β为0.25,挑坎角度为-10°。下游防冲段采用防淘墙与混凝土护岸相结合的结构形式。水布垭工程河床基岩软弱破碎、消能区两岸有高陡坡及滑坡等不利地质环境,给泄洪消能布置带来了很大困难,针对这些已开展了一些研究工作,并且通过整体水工模型试验,对窄缝挑坎的溢洪道水力学、泄洪消能和下游防护(防淘墙的设置)问题进行进一步的试验研究,以解决水布垭水利枢纽护坡不护底的泄洪消能问题。2开发模型砂及铺设动床1/100水工整体模型由上游水库供水,溢洪道泄洪流量和电站流量分别由矩形薄壁堰计量控制。下游河道水位通过尾水栅板的开度控制。上下游水位由测压管测读。溢洪道的堰前、堰身、泄槽、挑流鼻坎、消力塘及下游等部位的水流流速由光电流速仪量测;溢洪道沿程水面线(压力)由测压管量测;消能区防淘墙上脉动压力由压力传感器量测,在传感器测量脉动压力时,要选择适当的测点位置,从而获得最不利的脉动压力。传感器布点位置通常为:(1)水舌跌落区附近;(2)冲刷剧烈的地方。进行冲刷试验前,窄缝挑流鼻坎下游600m长的河道做成动床。铺砂高程196.5m,铺设的模型砂为粒径3~4mm的散粒石料(相当于允许抗冲流速3.5m/s)。设定泄洪流量后,进行冲刷试验,待冲刷稳定后(冲刷试验时间为3h),量测冲刷后的河道地形高程。水工整体模型试验条件见表1。3试验结果及分析3.1洪水流量小且深,边界条件差水流从引水渠到溢洪道入口两侧收缩,使得溢洪道的(1)号和(5)号泄槽水流方向发生变化(见图2)。这是由于溢洪道前与弯道衔接的直线段相对较短,使得流经弯道受离心惯性力作用的水流刚刚离开弯道不久,还来不及完全调整到较均匀的正常流动状态就进入溢洪道入口,水流不可能完全平顺,也使得沿左岸(弯道凹岸)侧(1)号和(2)号泄槽入口处流量比右岸(弯段凸岸)侧(4)号和(5)号泄槽入口处大约4%,(1)号与(2)号及(4)号与(5)号泄槽相比,泄槽内的泄流量差别并不大。另外,因受弯段离心惯性力作用的影响,溢洪道左右岸两侧边墩的侧收缩不对称,右岸边墩侧收缩分离水流向内侧(向流道中心方向)挤压比左岸边墩严重,而且在(1)号和(5)号泄槽入口边墩与闸墩处的侧收缩亦不对称,造成进入(1)号和(5)号泄槽的水流方向多变且不对称,而进入(2)、(3)、(4)号泄槽的水流相对比较平稳。大坝坝址位于泄洪消能区的右侧河湾内,由于受特殊的河道边界条件影响,在流量为14810、11940、10800、8040、5000m3/s(后三者均含发电流量800m3/s)时,在坝址河湾内产生顺时针方向的回流区,回流强度的大小直接影响坝址是否受到回流的冲刷。从观测中发现,在溢洪道泄洪流量为11940m3/s时,坝址区内的流速很小,最大回流流速为1.2m/s,没有对坝体构成潜在的不利影响。泄洪消能区下游河道左岸存在凹湾。由于受到凹湾边界条件影响,在各级流量下,在该凹湾内产生回流区,呈逆时针方向回流。在泄洪消能区内(水舌跌落区域内),由于水流流速脉动很大,呈现很强的随机性,因而很难准确地测量消能区内的水流流速。而对泄洪消能区下游流动特性的掌握,有助于对河道冲淤机理的认识和理解,从而可以优化防淘墙的设计。消能区下游河道横断面上从左岸至右岸流速逐渐减小,在同一横断面(即测速断面至(1)号泄槽窄缝挑坎前沿的距离为390m)上,靠近左岸20m处垂线的平均流速为8.7m/s,而靠近右岸30m处垂线平均流速为2.6m/s,这说明消能区下游靠近河道左侧为主流区。3.2水舌和水舌之间的水舌结构造成水舌水舌内冲突表2给出了各种流量下(1)~(5)号泄槽挑射水舌的轨迹和挑距。从表2可知,(1)~(5)号泄槽挑射水舌纵向扩散效果依次变差。(1)~(5)号流道水舌的外缘挑角(与水平方向夹角)均随着流量的增加而增大,特别是(4)号和(5)号泄槽挑坎的水流挑角明显比其他泄槽的大。由于(4)号泄槽挑射水舌的外缘(上注:原点位于堰顶,挑距为水舌内/外缘落水点至挑坎前沿间的水平距离。表面)出坎挑射角很大,故水舌上表层水流挑得较高,担挑射不远,在跌落时砸在主流水舌上,导致水舌水流集中,水舌纵向掺气扩散范围变小,纵向扩散不充分,从而水舌落入河床时单位面积上集中的能量强度较大。由于(5)号泄槽末端收缩不对称,致使挑射水舌的上部分水体冲击窄缝左边墙后反射出坎,挑射角很大,挑得很高,偏向水舌主流的右侧,落水点外缘逼近下游右岸马崖高陡坡山咀下的防淘墙,入射河面冲击水下部分的防淘墙,特别是当泄流量增大并超过11940m3/s时,(5)号泄槽出坎的水舌外缘几乎垂直挑起,使挑射水舌有很大一部分水体落在其下游右岸马崖高陡坡山咀下防淘墙附近,并形成较大的波浪拍打高陡坡。当泄流流量为14810、11940、10800、8040m3/s(后二者均含发电流量800m3/s)时,(5)号泄槽所挑出的水流大部分都落在上游防淘墙(Lc-Lb)与下游右岸马崖高陡坡之间。随着流量的增大,(5)号泄槽挑射的水舌落水点逼近下游右岸马崖高陡坡下防淘墙的现象越加明显,构成了对防淘墙稳定性的潜在不利影响;此外,随着流量的增大,拍打下游右岸马崖高陡坡的波浪相应增大,容易造成对高陡坡的冲刷,从而给右岸高陡坡的稳定带来隐患。由于(3)号和(4)号泄槽所挑出的水舌在空中掺气扩散没有(1)号和(2)号泄槽的好,所挑出的水流相当大的部分落入了消力池,并且水舌跌入消力池时单位面积上能量强度较大,因而应考虑消力池底板的强度和稳定性。3.3防养殖墙下泄流量小,冲淤能力差由于溢洪道下游消能采用护岸不护底的防淘墙设计方案,下游河床的冲坑深度直接影响到防淘墙的深度。如果防淘墙的深度不够,就会危及其附近岸坡的稳定。因此,准确地确定下游河道的冲淤状况就显得非常重要。表3给出了流量分别为14810、11940、10800、8040、5000m3/s(后三者均含发电流量800m3/s)时下游河道的冲淤情况。从表3可知:下游河道最大冲刷和最大淤积分别发生在流量为8040m3/s和14810m3/s时。当流量为8040m3/s(即溢洪道下泄流量为7240m3/s和电站满负荷运行)时,下游河道的最大冲坑深度为25.6m,位于下游河道右岸防淘墙R2下游10m处。由于防淘墙处冲坑深度很大,如果墙的埋深不够,就会影响防淘墙及岸坡的稳定与安全。当溢洪道下泄流量为14810m3/s时,下游河道的最大淤积厚度为23.0m,位于坝址下游,这是由于回流将大量砂石由冲坑内搬运到坝址下游河湾内,而河湾内流速较小导致落淤,从而形成很的大淤积堆丘。当流量为5000m3/s以及(2)、(3)、(4)号泄槽均匀控泄时,在导流墙下游末端最大冲坑深度达20.6m。由于冲刷深度很大,如果防淘墙埋深不够,就会对导流墙的稳定造成威胁,也影响到消力池底板和防淘墙的安全与稳定,因此此处防淘墙必须有足够的埋深。在其他各级流量情况下,导流墙下游末端的冲坑深度为16.5m左右。溢洪道泄洪导致原天然河道的动态冲淤平衡产生明显变化。在各种下泄流量和电站发电工况下,观测了淤积地形是否影响发电(即尾水洞出口处是否发生淤积)。当(2)、(3)、(4)号溢洪道均匀下泄流量为4200m3/s和电站满负荷运行流量800m3/s时,电站的(3)、(4)号尾水洞出口砂石淤积,发生洞口部分堵塞,影响电站的正常发电,而(1)、(2)号尾水洞出口没有淤积(洞口排列,从下游往上游依次为(1)~(4)号)。除上述流量为5000m3/s(含电站800m3/s,中间3道闸门均匀控泄)情况外,在其他各级流量情况和5000m3/s(含电站800m3/s,(1)、(3)、(5)号溢洪道均匀控泄)情况下,电站的4个尾水洞都既没有发生进沙,也没有发生洞口淤积,河床的冲淤变化没有影响电站发电。3.4防养殖动力系统监测防淘墙(一般是易出现流激振动问题的建筑物)的一侧为高边坡,如果通过防淘墙传到两岸山体的随机动荷载频率接近高边坡的固有频率,会影响高边坡的稳定,所以一定要避免防淘墙的流激振动,因而测量作用在防淘墙上的主频和脉动压力就非常必要。通过各种工况条件下的冲刷试验,发现右岸侧防淘墙R1—R2—R3处冲刷最剧烈,而左岸侧防淘墙L0—L1—L2—L3处冲刷程度较低,所以只在右岸防淘墙R1—R2—R3处设置了一定数量的传感器,具体的测点位置见图3。在流量为11940m3/s和5000m3/s时,脉动压力的最大均方根值为34.9kPa,最小均方根值为0.92kPa。脉动压力均方根值和主频随流量的降低而降低。主频代表功率谱图中功率最大值的频率,主频约在0.005~0.366Hz之间,相对较低,说明脉动压力主要由低频大尺度涡与表面波动所引起,这比较符合实际,因为水舌跌落区正是表面波动强烈和湍流运动强烈的区域。通常水工建筑物的自振频率位于0.03~1Hz之间,因而脉动压力的部分主频恰在建筑物固有频率范围内,这就有可能引起防陶墙的共振,因而在防淘墙设计时需要考虑其影响,应仔细核算防淘墙的固有频率,防止因流体的脉动而引起防淘墙的共振。4水舌纵向扩散效果本文对水布垭水利枢纽溢洪道在各种流量(14810、11940、10800、8040、5000m3/s,后三者均含发电流量800m3/s)情况下泄洪消能的整体水工模型进行了试验研究,研究结果表明:(1)由于溢洪道前与弯道衔接的直线段相对较短,进入溢洪道入口的水流没有完全平顺,使得沿弯道凹岸侧(1)、(2)号泄槽入口处的流量比弯段凸岸侧(4)、(5)号泄槽入口处的大约4%。坝址区内的流速很小,最大回流流速为1.2m/s,总体上看,坝趾区处于淤积趋势,因此基本上没有对坝脚冲刷带来隐患。消能区下游河道横断面上从左岸至右岸流速逐渐减小,说明消能区下游靠近河道左侧为主流区。(2)总体上看,溢洪道泄槽窄缝挑坎出口水舌的纵向扩散效果(1)~(5)号泄槽依次变差,水舌外缘挑角依次渐增。由于(5)号泄槽下游末端侧收缩不对称,使挑射水舌上部水体落在其水舌主流右侧,逼近下游右岸高陡坡下的防淘墙,并且由此形成波浪冲击高陡坡。因此,(5)号泄槽下游末端采用收缩不对称挑坎布置时,一定要注意对其下游高陡坡的保护。(3)防淘墙上脉动压力的最大和最小均方根值分别为34.9kPa和0.092kPa。脉动压力的主频率(代表功率谱图中功率最大值的频率)约在0.005~0.366Hz之间,恰在水工建筑物固有频率(0.03~1Hz)范围内,可能引起防陶墙的共振,因而在防淘墙设计时需要考虑其影响,应仔细核算防淘墙的固有频率,防止流体的脉动引起防淘墙的共振。(4)最大冲坑深度为25.6m,位于下游河道右岸防淘墙R2下游10m处,发生在流量为8040m3/s时。由于防淘墙处冲坑深度大,所以防淘墙必须有足够的埋深,来确保防淘墙及岸坡的稳