水利工程論文-東風(fēng)水電站泄洪洞泄流原型觀測分析.doc

水利工程論文-東風(fēng)水電站泄洪洞泄流原型觀測分析摘要：烏江東風(fēng)水電站攔河大壩采用薄拱壩，泄洪洞采用斜鼻坎新型消能工，并伴有高速水流，故需通過原型觀測來檢驗設(shè)計成果。本文通過對流態(tài)、時均壓力及脈動壓力等的原型觀測成果分析，為電站安全運行提供可靠依據(jù)，并為今后同等規(guī)模的類似工程提供有價值的參考。關(guān)鍵詞：原型觀測流態(tài)時均壓力及脈動壓力安全分析1工程概況東風(fēng)水電站位于貴州省清鎮(zhèn)、黔西縣交界的烏江干流甲鴨池河段上，距貴陽市88km，大壩采用混凝土雙曲拋物線薄拱壩，壩頂高程978.0m，最大壩高162m，裝機510MW，年均發(fā)電量24.2億kwh。電站樞紐由大壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電廠房等部分組成。壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，河谷狹窄，兩岸巖體風(fēng)化深約1028m，距壩址190m處有F6斷層及九級灘頁巖出露。大壩的泄水建筑物由左岸泄洪洞、左岸溢洪道、壩身三個中孔和三個表孔組成，泄洪洞全長526.021m，為開敞式無壓泄洪洞，主要由引渠段、閘室段、洞身段、出口消能工及護坦組成，進口采用堰式進水口，堰頂寬度12m，泄洪洞右側(cè)通過圓弧形翼墻與溢洪道導(dǎo)墻相連。泄洪洞穿過地層為灰?guī)r，埋深30100m，進、出口邊坡高度2050m。溢洪堰堰頂高程950.00m，設(shè)計擋水位970.00m。堰面曲線采用WES曲線，定型水頭，堰面曲線方程，在WES曲線后由坡度為1:1的直線段與反弧段相連，反弧半徑為10m。泄洪洞洞身全長466.5m，底坡為6.55%，斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為1217.5m。泄洪洞出口采用斜鼻坎消能工，挑坎高程905.609916.378m，挑射角7.0133。東風(fēng)泄洪洞從布置到體型設(shè)計雖然作了大量的計算分析及水工模型試驗研究，并采取了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，但由于高速水流問題的復(fù)雜性，特別是對采用斜鼻坎型消能工的認識不足，因此有必要通過原型觀測來檢驗設(shè)計成果，為電站安全運行提供可靠依據(jù)，并為今后同等規(guī)模的類似工程提供有價值的參考。2原型觀測內(nèi)容及測點布置東風(fēng)水電站設(shè)計洪水位為973.5m，此時泄洪洞的泄流量為2240m/s，校核洪水位為977.53m，相應(yīng)的泄流量為3560m3/s，挑坎附近最大流速達32m/s。由于洞身系緩坡，且空穴系數(shù)較大，預(yù)計不發(fā)生空蝕，但要求施工中必須嚴格控制不平整度。2.1觀測內(nèi)容原型觀測的內(nèi)容包括以下幾方面:(1)進出口流態(tài)；(2)表面流速觀測；(3)水舌軌跡；(4)脈動壓力；(5)時均壓力；(6)泄洪洞檢查。2.2測點布置時均壓力及脈動壓力測試布置在斜鼻坎底板上。在底板中心線0+473.00m樁號處布置1#測點（即時均壓力測點P1，脈動壓力測點F1），在0+483.00m樁號處布置2#測點（P2，F(xiàn)2）；在偏離底板中心線靠左側(cè)3m的0+493.00m處布置3#測點（P3，F(xiàn)3）。3觀測成果分析對比3.1上下游水位及泄量水庫水位觀測采用的儀器為WFY型浮子式水位計，可自動采集、傳送數(shù)據(jù)，尾水位觀測采用DCB9418型壓力傳感式測控儀，流量測驗采用旋漿式25-3型流速儀，儀器型號為900015，測流使用鉛魚重為150kg。各閘門開度下相應(yīng)上、下游水位、泄量、單寬流量及對比見表1：表1不同閘門開度時泄流量對照表開度(e)庫水位(m)尾水位(m)實測泄量(m3/s)單寬流量(m3/s)設(shè)計泄量(m3/s)實測與設(shè)計相差%1/4968.08842.1573060.87201.071/2967.93843.131284107.0114710.67全開967.71844.721926160.517439.50從表中可以看出泄洪洞寬實際過流能力大于相應(yīng)設(shè)計過流量，說明泄洪建筑物能夠滿足泄洪要求。3.2進出口流態(tài)及表面流速3.2.1進口流態(tài)(1)e=1/4閘門開度工況下流態(tài)庫中來流平順，流線清晰，右導(dǎo)流墻頭部略有繞流現(xiàn)象，但對進口流態(tài)并沒有造成影響；閘門前左、右兩側(cè)水面各有一漩渦，兩漩渦特點有所不同：左側(cè)漩渦距閘門35m，距邊墻約1m，強度時大時小，直徑約50100mm，表面呈漏斗狀，右側(cè)旋渦距閘門34m，距邊墻約1m，強度較弱，表面呈波浪狀，且有間歇性；閘門前水流表面有一段逆向水流，長度約1.5m；進口左邊墻上游2m處有一殘留障礙物，使水流在該處表面出現(xiàn)漩滾，進口左邊原交通洞洞口平臺水流在平臺未端略有跌落。(2)e=1/2閘門開度下流態(tài)從流線看，進口水面流線并非直線，基本是從右側(cè)繞向進口，右導(dǎo)墻頭部繞流明顯，并從頭部未端起貼壁水流表面出現(xiàn)白色浪花，寬度為0.51.0m，沿程逐漸增大；表面水流在閘門前產(chǎn)生旋滾，其起始端在平面上呈弧線，旋滾發(fā)生后，水流表面有強烈波動和摻氣現(xiàn)象，閘門前無明顯漩渦；進口左側(cè)平臺水流有跌落現(xiàn)象，高差約30cm，障礙物對水流產(chǎn)生明顯的繞流影響。(3)閘門全開工況下流態(tài)進口水流主要來自右側(cè)，右導(dǎo)流墻頭部繞流較嚴重，貼壁水流表面突降，水流繞過墻頭后產(chǎn)生斜向表面旋滾，漩滾前沿與洞中線約呈30夾角，旋滾現(xiàn)象沿程逐漸減弱，至閘門處基本消失，左側(cè)殘留物對進口左側(cè)水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響，主要是殘留物阻擋水流，使進口及墻面水流發(fā)生紊亂；進口兩側(cè)水面均低于中部，原因是右側(cè)繞流和左側(cè)殘留物阻擋所致。總體看來，e=1/4時，在閘門前產(chǎn)生的兩個漩渦強度不是很大，且不是貫穿性漩渦，所產(chǎn)生的振動強度不會太大，由于受邊界影響產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象，尤其是閘門全開泄量加大時，水流側(cè)向和豎向收縮影響了表面水流的穩(wěn)定，但無多大危害。3.2.2出口流態(tài)(1)e=1/4閘門開度工況下流態(tài)從消能工水舌形態(tài)分析，可分為清水區(qū)、表面摻氣區(qū)、噴射躍射區(qū)、內(nèi)緣水舌落水區(qū)、霧化形成區(qū)。出口水舌流量集中于左側(cè)，出洞時水面已摻氣，水面一片白，摻氣后水面破碎。距洞出口45m左右水舌開始跌落，呈噴射狀，水流被對流空氣撕碎，呈棉團狀拋落。水舌頭部寬度大約25m左右。水流中部到右邊墻，水流出洞時有明顯清水區(qū)，沿水流流程，該區(qū)逐漸縮小呈尖三角形狀，長度約30m，而后消失。水舌清水區(qū)右側(cè)為表面摻氣區(qū)，摻氣程度與左側(cè)表面摻氣區(qū)相近，水流尚未挑起便下落，開始是表面大量摻氣，以后在跌落過程中，在空氣對流作用下形成棉團狀落入河谷。整個水舌，尤其是水舌主流在下跌至河床時，折沖對岸河床和護坡，造成陣發(fā)性濺起的水柱，形成大量霧化，水霧沿對岸山坡向上爬，形成強、中、弱多霧化區(qū)。(2)e=1/2閘門開度工況下流態(tài)水舌中間有清水區(qū)，兩側(cè)均為表面摻氣區(qū)，水舌主流集中在左側(cè)，從寬度和氣勢看均比e=1/4開度壯觀，水舌頭部寬度可達2530m，水舌噴射起始點距洞口50m左右時開始呈棉團狀下拋。從水舌的流態(tài)分區(qū)比較，清水區(qū)范圍明顯比1/4開度時窄，仍呈三角形狀收縮，其長度在30m左右，此時的清水區(qū)表面已有少量摻氣，水舌右側(cè)與左側(cè)相同，也分別為表面摻氣區(qū)，多噴射躍射區(qū)，流態(tài)與1/4開度相似。水舌霧化，主要是水舌頭部落水后頂沖河床右側(cè)巖體，形成陣發(fā)性垂直向上濺起的水柱，水體迅速在對流空氣中霧化，水舌頭部濺起高度可達進廠公路865m高程，形成的水霧在無風(fēng)情況下，沿著右岸山坡爬至968m高程左右。(3)閘門全開工況下流態(tài)出口水舌大量摻氣，主流區(qū)仍在左側(cè)，且水舌左高右低，水舌距洞出口45m左右時開始下落，其頭部寬度在35m左右；洞出口水流已無清水區(qū)，主要表現(xiàn)為水舌摻氣、躍射。在三種閘門開度工況下，剛開啟和關(guān)閉時，均出現(xiàn)水舌砸本岸現(xiàn)象，開啟時在2min左右，閘門關(guān)閉時，歷時1min左右。3.3表面流速采用浮標法測定各閘門開度下的表面流速，見表2。表2表面流速觀測成果表閘門開度（e）庫水位（m）浮標平均歷時（s）表面流速（m/s）1/4968.0817.2527.941/2967.9317.5027.54全開917.7118.3526.27由上表可知各閘門開度下，水流表面流速基本相同，流速變化主要受水頭影響。3.4水舌形態(tài)測定了三個閘門開度下的水舌軌跡，同時與模型試驗結(jié)果對比見表4。表4水舌軌跡試驗對比表庫水位(m)尾水位(m)閘門開度(e)入水前緣距出口(m)入水下緣距出口(m)入水長度(m)水舌最高部位寬度（m）入水寬度968.08842.15原型1/4164798529240967.93843.13原型1/2155728330245967.71844.72原型全開130428837970.00847.00模型全開115496685觀測中我們發(fā)現(xiàn)，原型與模型的觀測結(jié)果存在一定區(qū)別，經(jīng)過分析認為主要是因為在原型泄水時，水流摻氣更充分，水舌膨脹也就大得多。4消能工時均壓力及脈動壓力測點瞬時壓力P（t）為時均壓力與脈動壓力P之和，即P（t）=P+P。其中P包括靜水頭和部分動水頭，而脈動壓力則通過以下四種特征值來描述：均方根值，表示脈動壓力強度的特征值；功率譜密度函數(shù)，表示脈動壓力隨機過程的頻率分布結(jié)構(gòu)；自相關(guān)函數(shù)，用來描述隨機過程在時間域上的特性；概率密度函數(shù)，表示不同脈動強度的相應(yīng)概率。1#、2#、3#測點測得各組壓力時均值，瞬時最大壓力、最小壓力值，脈動壓力均方差及相關(guān)參數(shù)見表3。表3觀測結(jié)果參數(shù)表測點閘門開度(e)上游水位(m)流量Q(m3/s)時均壓力（KPa）最大壓力（KPa）最小壓力（KPa）脈壓均方根（KPa）(KPa)(KPa)優(yōu)勢頻率f（Hz）紊動系數(shù)Cv（%）1#1/4968.0873090.68104.2178.333.757.359.680.904.141/2967.93128496.61118.1682.614.118.0610.600.344.25全開967.711926145.43161.82131.923.637.119.370.482.502#1/4968.0873072.0190.5357.794.188.1910.781.065.801/2967.93128477.84全開967.71192692.553#1/4968.0873051.3568.6039.603.406.668.770.726.621/2967.93128461.0781.7746.654.328.4711.150.417.07全開967.71192667.0888.1554.684.478.76311.530.396.67從測試結(jié)果分析可知，各測點脈動優(yōu)勢頻率明顯，自相關(guān)性好，其脈動概率密度分布均近似高斯正態(tài)分布。按正態(tài)分布考慮，即可取概率為P=68.3%的均方差（）為平均脈動壓力強度，取P=95.44%的脈動壓力1.96作為計算動水荷載的最大脈動壓力；取P=99.74%的脈動壓力強度2.58作為研究空穴水流的最大脈動壓力強度。在上表中2.58項，各值遠小于對應(yīng)的時均正壓，故不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。從各測點時均壓力分析，流量增大，1#測點水深隨之增大，同時1#測點已處于反弧上挑部位，測值中反應(yīng)了一部分動壓水頭，故時均壓力增值較高，而反弧未端3#測點由于斜鼻坎作用，部分水流已由側(cè)面下泄，此部位時均壓力變化不十分明顯。從脈動壓力均方差分析，隨著閘門開度加大，泄量增加，1#測點在全開時，紊動系數(shù)降低，3#測點紊動程度變化不大。從測點沿程分布看：越接近挑坎未端，水流摻氣量越大，紊動越強烈，即3#測點Cv值大于2#測點，2#測點Cv值大于1#測點，這是符合一般規(guī)律的。各閘門開度下，由各測點頻譜圖分析可得出以下結(jié)論：各測點部位脈動優(yōu)勢頻率在0.341.06Hz之間，脈動最大能量在低頻區(qū)。5泄洪洞泄洪后現(xiàn)場檢查與評價在測試前對泄洪洞整個結(jié)構(gòu)進行了一次全面檢查。檢查結(jié)果：泄洪洞側(cè)墻及頂拱混凝土澆筑較好。底板混凝土澆筑不平整，較嚴重的已做修補，洞身中部有幾處橫向施工縫錯臺嚴重，造成局部沖蝕，大部分修補的混凝土已被沖掉，在泄洪洞0+441.30+418.4之間有三條橫向裂縫，裂縫表面寬度最大23mm，邊墻有垂直裂縫。放水后對泄洪洞又進行了一次檢查；發(fā)現(xiàn)原洞身中部底板橫縫處破壞進一步擴大，寬度達2030cm；0+472.27樁號靠右底板出現(xiàn)氣蝕區(qū)，呈小坑狀。由于出現(xiàn)破壞的區(qū)域均不在負壓區(qū)，從破壞發(fā)生的現(xiàn)象分析，認為其主要原因是因為過流混凝土表面不平整度較大，高速水流通過時產(chǎn)生了氣蝕，不平整區(qū)的混凝土大部分已被沖掉，建議采用高強度材料對表面不平整處進行修整。6結(jié)語（1）東風(fēng)水電站泄洪洞的泄流能力滿足設(shè)計泄