旬陽水電站沖沙閘消能工設計與體型優化

劉新躍 丁浩鐸 高始健 李繼祥 楊子強 于洋

摘 要：本文以陜西漢江旬陽水電站沖沙閘單體水工模型試驗為例，對中低水頭、大泄量閘壩式泄洪建筑物在大變幅上下游水位運行工況下的體型設計進行探討。研究結果表明，在消力池內設置消力墩和差動式尾坎，可有效改善中低水頭泄洪建筑物在上下游水位高落差運行工況下的流態，減小下游河道沖刷，增大消能率。

關鍵詞：水閘大變幅上下游水位流態差動式尾坎河道沖淤消能率

Energy Dissipation Design and Optimize of Silt Releasing Sluice in Xunyang Hydropower Station

LIU Xinyue1; DING Haoduo1; GAO Shijian1; LI Jixiang1; YANG Ziqiang2; YU Yang2;

(1.Datang Guanyinyan Hydropower Development Co.,LTD; 2. Hydropower Beijing Engineering Corporantion 3.The No.1 General Team of Armed Police Hydropower Troops)

Abstract: Take the hydraulic model test of XunYang hydropower station which planning on Hanjiang river as an example, This paper studies the optimal shape design of the low water-head flood diversion sluice in the large-sized water level fluctuation conditions.The results show that, in the plunge pool settings stilling pier and differential tail bucket, which can effectively improve flow pattern reduce the downstream river erosion, increase the energy dissipation ratio.

Keywords: Sluice; large-sized water level fluctuation; flow pattern; differential tail bucket;river erosion scouring; energy dissipation ratio

我國擁有十分豐富的中低水頭水利資源，但由于開發水平限制，開發程度仍較低。制約中低水頭水電工程開發的原因主要有[1]：（1）水庫回水曲線重迭，使梯級電站總水頭減??；（2）水庫無調洪削峰能力，因此，樞紐泄洪建筑物、金屬結構工程量大；（3）下游水位變化大，電站利用的水頭和發電出力不穩定，不適應系統負荷變化要求；（4）水輪機制造一般采用大直徑的軸流式水輪機或貫流機組，以及低轉速的發電機，投資較高。隨著水電開發技術水平的提高，上述不利因素得到了一定程度的緩解，據不完全統計，我國經過規劃的水頭在25m以下的中低水頭水電站裝機總容量約13400MW，年發電量僅為600億kW·h[2]。

1 工程簡介

旬陽水電站位于陜西省旬陽縣城南約2km，是漢江干流規劃的七個梯級電站的第五個梯級開發項目。北京國電水利水電工程有限公司采用回歸自然、和諧利用水能資源的設計理念，對旬陽水電站泄洪建筑物布置進行了設計[3]。該電站壩頂高程244m，最大壩高55m，屬中低水頭水工建筑物，由于其汛期泄流量巨大（千年一遇洪水設計流量達32600m3/s），樞紐泄洪布置采用全閘方案，包括沖沙閘（4孔）、左三孔泄洪閘（3孔）和右四孔泄洪閘（4孔）[4]，其中，沖沙閘采用開敞式低實用堰體型設計，堰頂高程設置為216m，堰寬設置為13m，具體如圖1-1所示。

圖1-1 旬陽水電站沖沙閘體型剖面圖

2 模型設計與量測

本文主要針對旬陽水電站沖沙閘在大變幅上下游水位工況下的流態和下游河道沖淤特性進行模擬：（1）模型比尺1：50；（2）模型制作包含1個完整閘孔（含閘墩）及兩側各1/4閘孔，材料使用為機玻璃；（3）采用水位測針量測閘前水位和下游水位，測點位置分別位于樁號K0-050m處和樁號K0+350m處；（4）消力池后河道采用動床模擬，鋪沙高程211m，根據模型沖刷料粒徑計算經驗公式，本次模型沖刷料可用中值粒徑為8.89mm沖刷料進行模擬（抗沖流速3.5~4.5m/s計算）。

表2-1：沖沙閘模型試驗工況

試驗工況 洪水標準 庫水位（m） 下游水位（m） 設計流量（m3/s）

（1+2×1/4孔）

1 常遇洪水前 241 218.96

2 233 222.37 2227.53

3 233 225.44 2227.53

4 常遇洪水(p=50%) 233 228.82 2227.53

5 5年一遇(p=20%) 233 231.6 2227.53

6 20年一遇(p=5%) 236.27 235.51 2721.11

7 50年一遇(p=2%) 239.38 238.43 3202.52

8 100年一遇(p=1%) 240.25 239.48 3368.09

9 1000年一遇(p=0.1%) 243.28 242.1 3898.2

3 原設計方案試驗成果

3.1 流態

1+2×1/4孔的模型設計可以充分模擬閘墩繞流對流態的影響，故流態模擬更為真實。圖3-1即為沖沙閘在大變幅上下游水位工況下的流態演變示意圖：（1）當沖沙閘上下游水位落差較大（工況1~工況2）時，水流銜接時產生遠驅水躍，造成消力池后動床嚴重沖刷，因此，原設計方案必須進行體型優化；（2）隨著沖沙閘上下游水位落差進一步減?。ür4），遠驅水躍已轉化為淹沒水躍，消力池后流態已趨于平穩；（3）當沖沙閘上下游水位落差較?。ür6~工況9）時，淹沒水躍已轉化為微弱的不完全水躍，整體流態趨于平穩。

（a） 常遇洪水前流態（b） 5年一遇洪水位流態（p=1%）

（c） 1000年一遇洪水位流態（p=0.1%）

圖3-1 沖沙閘各典型工況流態示意圖

3.2 下游河道沖淤

沖沙閘下游河道沖淤試驗的最不利工況為工況1，但由于沖沙閘單體水工模型無法模擬在單孔開啟時下泄水流在下游河道內的擴散，故下游水位（樁號K0+350m處）無法降至218.96m，因此，未能實現該工況的試驗模擬。

本次試驗針對工況2、工況3、工況6、工況7四個典型工況進行試驗模擬：（1）工況2動床沖刷很明顯，沖刷最低點位于壩0+139.00m處，最大沖深（相對于鋪沙高程211m）為9.9m，淤積最高點位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為2.4m；（2）工況3動床沖刷也很明顯，沖刷最低點位于壩0+149.00m處，最大沖深為7.45m，淤積最高點位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為2.7m；（3）工況6動床沖刷較小，沖刷最低點位于壩0+124.00m處，最大沖深為2.55m，淤積最高點位于壩0+104.00m處，最大淤積高度為1.75m；（4）工況7動床沖刷程度與工況6相似，沖刷最低點位于壩0+134.00m處，最大沖深為2.4m；淤積最高點位于壩0+111.50m處，最大淤積高度為0.8m。具體沖淤形態見圖3-2圖所示。

圖3-2 沖沙閘動床沖淤高程剖面圖（中軸線）

3.3 消能率

沖沙閘消能率按公式為計算[5]。其中：（1）閘前、閘后斷面分別選定在壩0-050.00m和壩0+350.00m處；（2）閘前、閘后斷面能量分別以、表示；（3）、為閘前、閘后斷面的測壓管水頭；（4）、為閘前、閘后斷面的平均流速，取。經計算，沖沙閘各運行工況消能率均較低，為1.23%~17.88%之間，具體計算值見表3-1。

表3-1 沖沙閘各工況效能率計算表

工況編號 工況2 工況3 工況6 工況7 工況8

消能率（%） 17.88 12.22 1.46 1.81 1.23

4. 體型優化

根據原設計方案試驗成果可知，當沖沙閘在上下游水位高落差工況運行時，其下游河道沖刷較為嚴重，且消能率偏低（工況1中應更加嚴重），因此，原方案體型必須進行優化。根據實測各項水力特性綜合考慮，沖沙閘體型優化可考慮采用消力墩與差動式尾坎相結合的消能形式實施，具體優化體型設計如圖4-1所示[6]。

（a）優化方案消力墩與差動式尾坎布置圖（單位：m） （b）優化方案差動式尾坎正視圖（單位：m）

圖4-1 沖沙閘優化體型設計圖

5 優化體型試驗成果

5.1 流態

經試驗驗證，沖沙閘優化方案流態較原設計方案明顯改善：（1）優化方案在上下游水位高落差工況運行時，閘室內產生強水躍，水躍旋滾區全部位于消力池內，水氣摻混充分；以工況2為例，其優化方案流態明顯優于原方案，具體流態如圖4-2所示。（2）隨著上下游水位落差的逐漸減小，消力池內水躍逐漸減弱；當泄流量達到常遇洪水標準以后，消力池內水躍已轉化為淹沒水躍或不完全水躍，此時，優化方案流態已趨近于原方案。

圖5-1 優化方案閘室及消力池段水流流態（工況2）

5.2 下游河道沖淤

經試驗驗證，沖沙閘優化方案對下游河道沖淤狀況改善明顯。尤其是在上下游水位高落差工況運行時實現了下游河道動床基本不沖，實屬不易。

5.3 消能率

中低水頭泄水建筑物消能率一般均不高[7]。通過對沖沙閘優化方案工況2、工況3的消能率進行計算可知，其較原方案也有所提高，具體數值見表4-1。

表5-1 沖沙閘優化方案與原方案消能率對比表

工況編號 工況2 工況3

消能率（%） 優化方案 21.00 16.00

原方案 17.88 12.22

5、小結

本文以旬陽水電站沖沙閘單體水工模型試驗及體型優化為例，對中低水頭泄水建筑物在大變幅上下游水位時的流態、下游河道沖淤以及消能率等方面進行了論述，并得到如下結論：

1、對中低水頭泄水建筑物而言，在上下游水位高落差工況運行時，其消力池內部需加設消力墩以改善流態，而采用消力墩與差動式尾坎相結合的體型設計可有效改善上下游水位高落差工況運行時的流態。

2、對中低水頭水工建筑物而言，無論其選擇何種堰型，在上下游水位高落差工況運行時，均需要在消力池內設置消力墩，以改善流態；而在上下游水位淹沒度較高時，無論采用何種堰型均不對其流態產生影響。

3、采用消力墩與差動式尾坎相結合的體型設計可有效改善中低水頭水工建筑物在上下游水位高落差工況運行時泄洪所產生的下游河道沖刷，增大消能率，有力的保證了樞紐建筑物的穩定。

參考文獻：

[1]張紹康．廣西低水頭水電站開發[J]．人民珠江，1992，3．

[2]呂欣欣．低水頭大流量廠壩聯合泄洪消能流場的研究[D]．西安：西安理工大學，2007．

[3]李繼祥，丁浩鐸，等．旬陽水電站泄流能力試驗研究與體型優化[J]．城市建設理論研究，2011,9.

[4]牛爭鳴，楊云川，等．陜西漢江旬陽水電站沖沙閘水工模型試驗報告[R]．西安：西安理工大學水力學研究所，2007．

[5]吳持恭．水力學（第3版）[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[6]江蘇省水利勘測設計研究院，水利部四川水利水電勘測設計研究院．水閘設計規范（SL265-2001）[S]．北京：中國水利水電出版社，2001．

[7]陳俊英．低水頭引水工程消能措施試驗研究[D]．楊凌：西北農林科技大學，2005．

注：文章內所有公式及圖表請用PDF形式查看。