高水頭大流量窄縫挑坎消能工程施工中的技術(shù)問題

高水頭大流量窄縫挑坎消能工程施工中的技術(shù)問題

1水布克發(fā)現(xiàn)了由沒有發(fā)揮支撐高水頭高流量窄縫消能工已被廣泛應(yīng)用，但如何利用這種高效、新型消能工來解決河谷狹窄、地形和地質(zhì)條件復(fù)雜的高壩防御問題仍是研究的新課題。特別是在地質(zhì)條件差的狹窄山谷,集中布置導(dǎo)流建筑物、泄水建筑物以及電站尾水出口時,其泄洪消能布置將會面臨許多嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。水布埡水利樞紐工程所在位置河谷狹窄,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,給建筑物的布置帶來了一定困難。由于泄洪落差(泄洪水頭171~180m)與泄洪流量均較大(最大泄洪流量18280m3/s),河床基巖軟弱,抗沖流速低,兩岸又有巨大的滑坡體,導(dǎo)流建筑物、溢洪道以及電站尾水出口的布置相對集中,由此帶來的泄洪安全問題及其影響就成為水布埡水利樞紐必須妥善解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。水布埡樞紐溢洪道布置主要包括引水渠、溢流壩段、泄槽、挑流鼻坎及下游防沖段5部分組成。引水渠由上游直線段、中間轉(zhuǎn)彎段和堰前直線段組成。堰前直線段長41.98m。溢流壩段設(shè)5個表孔(見圖1),溢流堰為開敞式實用堰,堰頂曲線為WES線型,堰頂上、下游曲線段分別為1/4橢圓曲線x2/6.62+(3.74-y)2/3.742=1和曲線y=0.03613x1.85。堰頂下游曲線先后緊接一圓弧曲線、直線段、曲線段、直線段和圓弧曲線。泄槽用縱向隔墻分隔成5個區(qū),即每個表孔各成一區(qū),各自形成獨立的泄流流道。泄槽末端設(shè)窄縫式挑流鼻坎,挑流鼻坎采用前后不一的階梯式窄縫出口,收縮比β為0.25,挑坎角度為-10°。下游防沖段采用防淘墻與混凝土護岸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。水布埡工程河床基巖軟弱破碎、消能區(qū)兩岸有高陡坡及滑坡等不利地質(zhì)環(huán)境,給泄洪消能布置帶來了很大困難,針對這些已開展了一些研究工作,并且通過整體水工模型試驗,對窄縫挑坎的溢洪道水力學(xué)、泄洪消能和下游防護(防淘墻的設(shè)置)問題進行進一步的試驗研究,以解決水布埡水利樞紐護坡不護底的泄洪消能問題。2開發(fā)模型砂及鋪設(shè)動床1/100水工整體模型由上游水庫供水,溢洪道泄洪流量和電站流量分別由矩形薄壁堰計量控制。下游河道水位通過尾水柵板的開度控制。上下游水位由測壓管測讀。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電流速儀量測;溢洪道沿程水面線(壓力)由測壓管量測;消能區(qū)防淘墻上脈動壓力由壓力傳感器量測,在傳感器測量脈動壓力時,要選擇適當(dāng)?shù)臏y點位置,從而獲得最不利的脈動壓力。傳感器布點位置通常為:(1)水舌跌落區(qū)附近;(2)沖刷劇烈的地方。進行沖刷試驗前,窄縫挑流鼻坎下游600m長的河道做成動床。鋪砂高程196.5m,鋪設(shè)的模型砂為粒徑3~4mm的散粒石料(相當(dāng)于允許抗沖流速3.5m/s)。設(shè)定泄洪流量后,進行沖刷試驗,待沖刷穩(wěn)定后(沖刷試驗時間為3h),量測沖刷后的河道地形高程。水工整體模型試驗條件見表1。3試驗結(jié)果及分析3.1洪水流量小且深,邊界條件差水流從引水渠到溢洪道入口兩側(cè)收縮,使得溢洪道的(1)號和(5)號泄槽水流方向發(fā)生變化(見圖2)。這是由于溢洪道前與彎道銜接的直線段相對較短,使得流經(jīng)彎道受離心慣性力作用的水流剛剛離開彎道不久,還來不及完全調(diào)整到較均勻的正常流動狀態(tài)就進入溢洪道入口,水流不可能完全平順,也使得沿左岸(彎道凹岸)側(cè)(1)號和(2)號泄槽入口處流量比右岸(彎段凸岸)側(cè)(4)號和(5)號泄槽入口處大約4%,(1)號與(2)號及(4)號與(5)號泄槽相比,泄槽內(nèi)的泄流量差別并不大。另外,因受彎段離心慣性力作用的影響,溢洪道左右岸兩側(cè)邊墩的側(cè)收縮不對稱,右岸邊墩側(cè)收縮分離水流向內(nèi)側(cè)(向流道中心方向)擠壓比左岸邊墩嚴(yán)重,而且在(1)號和(5)號泄槽入口邊墩與閘墩處的側(cè)收縮亦不對稱,造成進入(1)號和(5)號泄槽的水流方向多變且不對稱,而進入(2)、(3)、(4)號泄槽的水流相對比較平穩(wěn)。大壩壩址位于泄洪消能區(qū)的右側(cè)河灣內(nèi),由于受特殊的河道邊界條件影響,在流量為14810、11940、10800、8040、5000m3/s(后三者均含發(fā)電流量800m3/s)時,在壩址河灣內(nèi)產(chǎn)生順時針方向的回流區(qū),回流強度的大小直接影響壩址是否受到回流的沖刷。從觀測中發(fā)現(xiàn),在溢洪道泄洪流量為11940m3/s時,壩址區(qū)內(nèi)的流速很小,最大回流流速為1.2m/s,沒有對壩體構(gòu)成潛在的不利影響。泄洪消能區(qū)下游河道左岸存在凹灣。由于受到凹灣邊界條件影響,在各級流量下,在該凹灣內(nèi)產(chǎn)生回流區(qū),呈逆時針方向回流。在泄洪消能區(qū)內(nèi)(水舌跌落區(qū)域內(nèi)),由于水流流速脈動很大,呈現(xiàn)很強的隨機性,因而很難準(zhǔn)確地測量消能區(qū)內(nèi)的水流流速。而對泄洪消能區(qū)下游流動特性的掌握,有助于對河道沖淤機理的認(rèn)識和理解,從而可以優(yōu)化防淘墻的設(shè)計。消能區(qū)下游河道橫斷面上從左岸至右岸流速逐漸減小,在同一橫斷面(即測速斷面至(1)號泄槽窄縫挑坎前沿的距離為390m)上,靠近左岸20m處垂線的平均流速為8.7m/s,而靠近右岸30m處垂線平均流速為2.6m/s,這說明消能區(qū)下游靠近河道左側(cè)為主流區(qū)。3.2水舌和水舌之間的水舌結(jié)構(gòu)造成水舌水舌內(nèi)沖突表2給出了各種流量下(1)~(5)號泄槽挑射水舌的軌跡和挑距。從表2可知,(1)~(5)號泄槽挑射水舌縱向擴散效果依次變差。(1)~(5)號流道水舌的外緣挑角(與水平方向夾角)均隨著流量的增加而增大,特別是(4)號和(5)號泄槽挑坎的水流挑角明顯比其他泄槽的大。由于(4)號泄槽挑射水舌的外緣(上注:原點位于堰頂,挑距為水舌內(nèi)/外緣落水點至挑坎前沿間的水平距離。表面)出坎挑射角很大,故水舌上表層水流挑得較高,擔(dān)挑射不遠,在跌落時砸在主流水舌上,導(dǎo)致水舌水流集中,水舌縱向摻氣擴散范圍變小,縱向擴散不充分,從而水舌落入河床時單位面積上集中的能量強度較大。由于(5)號泄槽末端收縮不對稱,致使挑射水舌的上部分水體沖擊窄縫左邊墻后反射出坎,挑射角很大,挑得很高,偏向水舌主流的右側(cè),落水點外緣逼近下游右岸馬崖高陡坡山咀下的防淘墻,入射河面沖擊水下部分的防淘墻,特別是當(dāng)泄流量增大并超過11940m3/s時,(5)號泄槽出坎的水舌外緣幾乎垂直挑起,使挑射水舌有很大一部分水體落在其下游右岸馬崖高陡坡山咀下防淘墻附近,并形成較大的波浪拍打高陡坡。當(dāng)泄流流量為14810、11940、10800、8040m3/s(后二者均含發(fā)電流量800m3/s)時,(5)號泄槽所挑出的水流大部分都落在上游防淘墻(Lc-Lb)與下游右岸馬崖高陡坡之間。隨著流量的增大,(5)號泄槽挑射的水舌落水點逼近下游右岸馬崖高陡坡下防淘墻的現(xiàn)象越加明顯,構(gòu)成了對防淘墻穩(wěn)定性的潛在不利影響;此外,隨著流量的增大,拍打下游右岸馬崖高陡坡的波浪相應(yīng)增大,容易造成對高陡坡的沖刷,從而給右岸高陡坡的穩(wěn)定帶來隱患。由于(3)號和(4)號泄槽所挑出的水舌在空中摻氣擴散沒有(1)號和(2)號泄槽的好,所挑出的水流相當(dāng)大的部分落入了消力池,并且水舌跌入消力池時單位面積上能量強度較大,因而應(yīng)考慮消力池底板的強度和穩(wěn)定性。3.3防養(yǎng)殖墻下泄流量小,沖淤能力差由于溢洪道下游消能采用護岸不護底的防淘墻設(shè)計方案,下游河床的沖坑深度直接影響到防淘墻的深度。如果防淘墻的深度不夠,就會危及其附近岸坡的穩(wěn)定。因此,準(zhǔn)確地確定下游河道的沖淤狀況就顯得非常重要。表3給出了流量分別為14810、11940、10800、8040、5000m3/s(后三者均含發(fā)電流量800m3/s)時下游河道的沖淤情況。從表3可知:下游河道最大沖刷和最大淤積分別發(fā)生在流量為8040m3/s和14810m3/s時。當(dāng)流量為8040m3/s(即溢洪道下泄流量為7240m3/s和電站滿負(fù)荷運行)時,下游河道的最大沖坑深度為25.6m,位于下游河道右岸防淘墻R2下游10m處。由于防淘墻處沖坑深度很大,如果墻的埋深不夠,就會影響防淘墻及岸坡的穩(wěn)定與安全。當(dāng)溢洪道下泄流量為14810m3/s時,下游河道的最大淤積厚度為23.0m,位于壩址下游,這是由于回流將大量砂石由沖坑內(nèi)搬運到壩址下游河灣內(nèi),而河灣內(nèi)流速較小導(dǎo)致落淤,從而形成很的大淤積堆丘。當(dāng)流量為5000m3/s以及(2)、(3)、(4)號泄槽均勻控泄時,在導(dǎo)流墻下游末端最大沖坑深度達20.6m。由于沖刷深度很大,如果防淘墻埋深不夠,就會對導(dǎo)流墻的穩(wěn)定造成威脅,也影響到消力池底板和防淘墻的安全與穩(wěn)定,因此此處防淘墻必須有足夠的埋深。在其他各級流量情況下,導(dǎo)流墻下游末端的沖坑深度為16.5m左右。溢洪道泄洪導(dǎo)致原天然河道的動態(tài)沖淤平衡產(chǎn)生明顯變化。在各種下泄流量和電站發(fā)電工況下,觀測了淤積地形是否影響發(fā)電(即尾水洞出口處是否發(fā)生淤積)。當(dāng)(2)、(3)、(4)號溢洪道均勻下泄流量為4200m3/s和電站滿負(fù)荷運行流量800m3/s時,電站的(3)、(4)號尾水洞出口砂石淤積,發(fā)生洞口部分堵塞,影響電站的正常發(fā)電,而(1)、(2)號尾水洞出口沒有淤積(洞口排列,從下游往上游依次為(1)~(4)號)。除上述流量為5000m3/s(含電站800m3/s,中間3道閘門均勻控泄)情況外,在其他各級流量情況和5000m3/s(含電站800m3/s,(1)、(3)、(5)號溢洪道均勻控泄)情況下,電站的4個尾水洞都既沒有發(fā)生進沙,也沒有發(fā)生洞口淤積,河床的沖淤變化沒有影響電站發(fā)電。3.4防養(yǎng)殖動力系統(tǒng)監(jiān)測防淘墻(一般是易出現(xiàn)流激振動問題的建筑物)的一側(cè)為高邊坡,如果通過防淘墻傳到兩岸山體的隨機動荷載頻率接近高邊坡的固有頻率,會影響高邊坡的穩(wěn)定,所以一定要避免防淘墻的流激振動,因而測量作用在防淘墻上的主頻和脈動壓力就非常必要。通過各種工況條件下的沖刷試驗,發(fā)現(xiàn)右岸側(cè)防淘墻R1—R2—R3處沖刷最劇烈,而左岸側(cè)防淘墻L0—L1—L2—L3處沖刷程度較低,所以只在右岸防淘墻R1—R2—R3處設(shè)置了一定數(shù)量的傳感器,具體的測點位置見圖3。在流量為11940m3/s和5000m3/s時,脈動壓力的最大均方根值為34.9kPa,最小均方根值為0.92kPa。脈動壓力均方根值和主頻隨流量的降低而降低。主頻代表功率譜圖中功率最大值的頻率,主頻約在0.005~0.366Hz之間,相對較低,說明脈動壓力主要由低頻大尺度渦與表面波動所引起,這比較符合實際,因為水舌跌落區(qū)正是表面波動強烈和湍流運動強烈的區(qū)域。通常水工建筑物的自振頻率位于0.03~1Hz之間,因而脈動壓力的部分主頻恰在建筑物固有頻率范圍內(nèi),這就有可能引起防陶墻的共振,因而在防淘墻設(shè)計時需要考慮其影響,應(yīng)仔細(xì)核算防淘墻的固有頻率,防止因流體的脈動而引起防淘墻的共振。4水舌縱向擴散效果本文對水布埡水利樞紐溢洪道在各種流量(14810、11940、10800、8040、5000m3/s,后三者均含發(fā)電流量800m3/s)情況下泄洪消能的整體水工模型進行了試驗研究,研究結(jié)果表明:(1)由于溢洪道前與彎道銜接的直線段相對較短,進入溢洪道入口的水流沒有完全平順,使得沿彎道凹岸側(cè)(1)、(2)號泄槽入口處的流量比彎段凸岸側(cè)(4)、(5)號泄槽入口處的大約4%。壩址區(qū)內(nèi)的流速很小,最大回流流速為1.2m/s,總體上看,壩趾區(qū)處于淤積趨勢,因此基本上沒有對壩腳沖刷帶來隱患。消能區(qū)下游河道橫斷面上從左岸至右岸流速逐漸減小,說明消能區(qū)下游靠近河道左側(cè)為主流區(qū)。(2)總體上看,溢洪道泄槽窄縫挑坎出口水舌的縱向擴散效果(1)~(5)號泄槽依次變差,水舌外緣挑角依次漸增。由于(5)號泄槽下游末端側(cè)收縮不對稱,使挑射水舌上部水體落在其水舌主流右側(cè),逼近下游右岸高陡坡下的防淘墻,并且由此形成波浪沖擊高陡坡。因此,(5)號泄槽下游末端采用收縮不對稱挑坎布置時,一定要注意對其下游高陡坡的保護。(3)防淘墻上脈動壓力的最大和最小均方根值分別為34.9kPa和0.092kPa。脈動壓力的主頻率(代表功率譜圖中功率最大值的頻率)約在0.005~0.366Hz之間,恰在水工建筑物固有頻率(0.03~1Hz)范圍內(nèi),可能引起防陶墻的共振,因而在防淘墻設(shè)計時需要考慮其影響,應(yīng)仔細(xì)核算防淘墻的固有頻率,防止流體的脈動引起防淘墻的共振。(4)最大沖坑深度為25.6m,位于下游河道右岸防淘墻R2下游10m處,發(fā)生在流量為8040m3/s時。由于防淘墻處沖坑深度大,所以防淘墻必須有足夠的埋深,來確保防淘墻及岸坡的穩(wěn)