百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究_陆民安

󰀁规划设计󰀁

百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究

陆民安

(广西水利电力勘测设计研究院,广西󰀁南宁󰀁530023)

[摘要]󰀁介绍百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计、试验研究成果。该工程泄洪流量大、下泄功率高、河床水深偏

浅且地质条件较差,通过研究,确定采用󰀁表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池󰀁新型联合消能工,溢流面设置掺气坎,减轻溢流坝面气蚀破坏,消力池底板厚5~8m,附加底板锚筋,满足安全需要。

[关键词]󰀁百色水利枢纽;RCC主坝;表孔宽尾墩;底流式消力池;联合消能工;掺气坎

[中图分类号]󰀁TV653;TV131.3󰀁󰀁[文献标识码]󰀁B󰀁󰀁[文章编号]󰀁1003-1510(2004)02-0053-04

󰀁󰀁百色水利枢纽消力池常遇下泄流量为3000m3/s(50年一遇控泄),设计防洪标准为100年一遇洪水,相应溢流坝下泄流量9021m3/s,单宽流量161m2/s,上下游落差94m,泄洪功率9696MW,消力池水深30m。溢流坝设计下泄流量9961m/s(500年一遇),校核下泄流量11542m/s(5000年一遇),最大泄洪流量为13737m3/s。

主坝区出露的岩石有:辉绿岩(󰀁󰀂4-1)和榴江组的硅质岩、泥岩、泥质灰岩。主坝布置在该辉绿岩条带上,坝趾往下游依次是辉绿岩、硅质岩D3L4、硅质岩泥岩D3L5、泥质灰岩D3L6、泥岩D3L7。岩层分布软硬相间,消力池基础约30%面积为弱风化辉绿岩(火成岩),其余为较软弱的沉积岩。

3

3

交,其上设4个表孔14m󰀁18m(宽󰀁高)和3个中孔4m󰀁6m(宽󰀁高)。表孔中闸墩厚8m,边闸墩厚4m,弧形钢闸门控制,液压启闭机操作;中孔为有压孔口,进口底高程167󰀁5m,孔道长45󰀁9m,布置在表孔中墩下部,出口为宽尾墩无水区;弧形工作闸门设在出口处,液压机操作;进口处设事故闸门,卷扬机操作。中孔的作用之一是参与泄洪,3个中孔的最大泄洪流量为1847m3/s;作用之二是参与放空水库或腾空库容。底流式消力池长117󰀁4m,池深16m。消力池后是混凝土护坦。表孔宽尾墩的体形与收缩比根据水力模型试验多次修改确定,最终选用Y型,收缩比:中间孔为0󰀁393对称型;边孔为0󰀁432非对称型。布置见图1。

设计、试验研究表明,与表孔平尾墩方案相比,百色RCC主坝󰀁表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池󰀁联合消能工的消力池长度缩短了1/3

[3]

1󰀁主坝表孔宽尾墩联合消能工设计

1󰀁1󰀁宽尾墩联合消能技术

宽尾墩联合消能工,是我国首创的一项消能防冲新技术,其特点是将溢流坝闸墩尾部由常规的平尾改为宽尾,把堰顶原来的二元溢流水舌在墩尾加以收缩,迫使水舌沿坝面纵向扩展而成为堰顶三元收缩射流,这种新形态水流和各种传统消能流(底流、面流、挑流)联合运用,形成各种宽尾墩联合消能工,明显提高传统消能工的消能率,改善下游衔接流态,减少冲刷,尤其是和底流或戽流结合时,其效率更为显著,是解决大单宽流量、低佛氏数泄洪消能难题的一条新的有效途径。该消能防冲新技术自1978年龚振瀛󰀁堰顶收缩射流及趾部戽式消力池联合消能工󰀁一文发表以来,在中国水科院、西北水科所及有关工程设计单位的研究探索中,经过数十个实际工程的研究、改进及发展,已经在河北潘家口(宽尾墩+挑流),陕西安康、湖北隔河岩(宽尾墩+底流),广西岩滩、云南大朝山(宽尾墩+面流),福建水东(宽尾墩+阶梯坝面+底流)等大、中型水利枢纽中得到成功应用[1]。1󰀁2󰀁󰀁表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池󰀁联合消能工

经过计算、方案比较、水工模型试验研究和设计论证,确定百色RCC主坝泄洪消能采用󰀁表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池󰀁联合消能工

[收稿日期]󰀁2004󰀁04󰀁28

[2]

。枢纽平面布置见文献[4]。

2󰀁水力学模型试验研究

为了验证泄水建筑物的可行性与合理性,并进一步优化消能工,由中国水科院和广西大学联合进行水工模型试验,试验包括1󰀁60断面水力学模型与1󰀁100整体水力学模型试验。对于消力池形式,研究了一般底流式和戽式两个布置方案。在试验中也分别对表孔宽尾墩和中孔出口的体形、消力池的体形和尺寸进行了多方案试验研究。考虑到本工程主坝采用碾压混凝土,为方便溢流坝溢流面施工,有可能溢流面做成阶梯状碾压混凝土面,不浇筑常规的光滑面混凝土,因此也做了阶梯状溢流坝面整体水工模型试验,研究其可行性。

另外,在南京水科院进行了溢流坝中孔减压模型试验,考察中孔水道的水流空化特性,解决中孔出口明流段的空化问题;也进行了消力池底板稳定、抗冲模型试验,断面模型比例1󰀁33,整体模型比例1󰀁55;研究消力池动水压力大小及分布规律、底板稳定安全等问题。2󰀁1󰀁底流式消力池试验研究

试验结果表明:󰀁表孔宽尾墩󰀁中孔跌流󰀁底流式消力

。溢流坝段88m,与河流向正

[作者简介]󰀁陆民安(1964-),男(壮族),广西武鸣人,广西水利电力勘测设计研究院高级工程师,学士,主要从事水利水电工程规划、设计工作。53陆民安:百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究

图1󰀁溢流坝布置立剖面示意图

池󰀁联合消能工,表、中孔重叠式布置和共用一个消力池,这是一种高效、可靠的消能方式,能够较好地化解本工程消能防冲设计中高落差、浅尾水和较大的单宽泄洪功率等难题。

溢流表孔和中孔在各种工况下的泄流能力均能满足设计要求,且略有富余,宽尾墩对泄流能力影响不大。

表孔各工况堰面时均动水压强分布正常,未出现负压;设宽尾墩后,堰顶动水压强变化不显著,而宽尾部位的堰面压强有所增大。

消力池内均为正压,底板在反弧终点附近水舌冲击区压强最大,最大值一般41~44m水柱。底板其余部位、尾槛及边墙各点动水压强大体与静水压强相当。宣泄各级洪水时,水库水面较平稳,来流尚平顺,上游流态受库区地形及坝轴线转折的影响,来流与溢流坝轴线不完全正交,右侧流速大,左侧略小,进口水流不很对称。电站进水口附近水面较平稳,未见旋涡等不利流态。

下游河道在常遇下泄流量3000m3/s时,池尾坎下游一般流速为2~3m/s,局部最大面流达5󰀁4m/s,消力池下游约100m,水流已恢复正常流态;左岸回流区长约190m,最大宽度40m,流速1m/s左右,电站尾水出流顺畅,水面比较稳定。在下泄流量6000m/s时,池尾坎后表面水流速将近9m/s,底流速不足3m/s;右侧扩散不充分,下游118m高程开挖平台上最大底流速5m/s,消力池右侧回流区流速在3~4m/s;左岸回流范围增大,回流流速均小于2m/s,对电站尾水出流影响不大。宣泄消能设计标准100年一遇洪水流量9021m/s时,下游河道流速在尾槛后和右岸开挖平台呈现两个高速区,尾槛后表面流速最大达10m/s,而底流速不超过3󰀁5m/s;在右岸118m平台上,面流速为6~8m/s,底流速亦达4~6m/s。发生100年一遇洪水时,由于下游流速偏高,河床出现较明显冲刷,需采取适当的防护措施。54宣泄各频率洪水流量时,消力池后河床淤积堆丘主要靠右沿118m高程开挖平台发展。泄量超过6000m3/s时,电站尾水渠末端左侧部位才出现小回流,表面流速在1󰀁3m/s以下,底部流速仍为顺流,流速不低于1m/s。泄量9000m3/s时电站尾水渠末端左侧部位表面流速在2󰀁6m/s以下,底部流速仍为顺流,流速不低于1󰀁3m/s。在下泄大流量情况下,若河床保护不好或被破坏,则受左岸回流作用,电站尾水渠左侧出现小淤积,但淤积不会进入尾水渠反坡段。2.2󰀁戽式消力池方案试验研究

百色坝址天然河道由于河床底纵坡相对较陡、水深较浅,不具备戽式消能的条件。只有利用下游RCC重力式施工围堰,适当拆除,作为二道坝抬高下游水位,方能形成戽流状态。

试验成果表明:利用下游RCC重力式施工围堰,适当拆除,作为二道坝抬高下游水位,宽尾墩的三元收缩射流进入戽池后,形成宽尾墩型完整的三元水跃,并有足够的淹没度,戽池内消能良好,水面平稳,掺气充分,戽坎后底流速较小,二道坝上游水位与下游尾水形成跌差,并在二道坝后形成波状水跃,过坝主流潜没形成底流,底流速远大于岩石的抗冲流速,河床必须进行防护。

通过模型试验验证,一般消力池与戽式消力池两个消能工皆能满足设计要求。这两种消能工,戽式消力池消能效果较好,但混凝土工程量多,经综合分析比较,推荐采用一般底流式消力池的消能工。

2.3󰀁溢流坝中孔减压模型试验研究

为了考察中孔水道的水流空化特性,解决中孔出口明流段的空化问题,进行了溢流坝中孔减压模型试验,模型比例1󰀁55。主要研究结果如下:

(1)󰀁进口事故门门槽型式设计合理,尺寸合适,试验中

广西水利水电󰀁GXWATERRESOURCES&HYDROPOWERENGINEERING󰀁2004(2)

未发现空化水流现象。事故门槽水流空化数在220m库水位时K1=1󰀁336,安全系数达3󰀁34~2󰀁27,有足够的安全裕度。但事故检修门不能作工作门局部开启运行,且必须保证门槽的施工质量。

(2)󰀁在正常设计水位220m下运行时,中孔出口明流段未见空化水流产生,减压试验估算的初生空化数为0󰀁249与0󰀁226,安全系数为1󰀁052~1󰀁057,说明安全裕度偏小。试验观测到侧墙扩散段对水流空化非常敏感,需采取改善措施。

2.4󰀁溢流坝阶梯式坝面断面方案试验研究

在中国水科院还进行了溢流坝阶梯式坝面断面方案及整体模型试验,主要研究在宽尾墩出口加设小挑坎将水体挑离溢流坝面后,入池水体对消力池的影响,断面模型比例1󰀁60,整体模型比例1󰀁100。主要结果如下:

宽尾墩出口加设小挑坎不会消弱表孔的泄流能力。当挑坎高度为3m时,水舌下缘完全脱离了阶梯式坝面,避免了阶梯式坝面的空蚀。采用小挑坎,会增加消力池反弧部位及反弧末端底板时均动水压力和消力池末端及坎后河床的底流速,使下游的冲刷深度和范围大大增加,回流和淤积也加剧。当挑坎高度为3m时,消力池内反弧部位及反弧末端最大时均动水压力为545~760kPa,流速高达34m/s;出池水流底流速河床中部达6󰀁7m/s,右岸达7󰀁0m/s,消力池末左、右端冲刷最深点高程为95m,需加强保护。2.5󰀁溢流坝阶梯式坝面方案泄洪建筑物减压试验研究

采用󰀁表孔宽尾墩󰀁中孔跌流󰀁消力池󰀁联合消能工,并保留碾压混凝土施工台阶使溢流坝面呈阶梯状,水工模型试验成果表明消能效果令人满意,但台阶的存在加剧了下游坝面的空化。为了研究坝面及中孔水流空化问题,进行了泄洪建筑物减压试验,模型比例1󰀁60。主要结论是:

设计台阶体型为高󰀁宽=0󰀁9m󰀁0󰀁72m时,在台阶坝面发生空化现象,增大台阶高度,将高度0󰀁9m的台阶增大到高度1󰀁2m,对表孔溢流台阶坝面的空化特性有一定的改善,但效果不明显。

在表孔宽尾墩出口处加小挑坎,可使出宽尾墩的水流不同程度地挑离坝面,对阶梯坝面的空化特性有影响。通过比较4种不同体型的挑坎:三角坎,1󰀁5m高的挑坎,2󰀁5m高的挑坎和3󰀁0m高的挑坎,其中以3󰀁0m高的挑坎解决坝面空化问题的效果最好。

中孔检修闸门门槽处和出口扩散处存在较清晰的空化云,通过试验量测,空化强度大,可能会产生空蚀破坏,需改进中孔检修门槽形状及出口扩散形状。

从水工模型试验成果来看,宽尾墩下游采用阶梯式坝面,虽可以节省工程投资、加快施工进度,但溢流坝面空化问题较难解决,采用3󰀁0m高的挑坎虽可以解决阶梯坝面空化问题,但恶化了消力池内的流态,增加了消力池底板特别是软岩基础部位底板的稳定加固的难度,池内水流的消能效果也有所降低,下游的冲淤问题加剧,因此阶梯坝面方案未予采用。2.6󰀁溢流坝表孔掺气减压断面模型试验

由于溢流坝下游坝面采用阶梯式存在的下游坝面空化

问题比较难解决,采用3󰀁0m高的挑坎虽可以解决空化问题,可恶化了消力池内的流态,故本工程采用常规光滑坝面形式,为研究坝面的空化问题,进行了溢流坝表孔掺气减压断面模型试验,试验中在溢流坝下游面直线段中偏上部设掺气坎,解决光滑坝面的空化问题,见图2。模型比例1󰀁33。主要结论如下:

图2󰀁溢流坝面掺气坎布置示意图

󰀁󰀁采用推荐的坎高为0󰀁4m,坎长2󰀁2m,位置在溢流坝下游面直线段中偏上部设一小挑坎,如图2所示,使得下泄水体增加了底部掺气,加上出宽尾墩后水流的左、右、顶部自由掺气面,形成四周全面掺气的抛射水体,增加了消能效率,大大减轻了下泄高速水流对溢流坝面的气蚀破坏,满足了掺气减蚀要求,下游堰面不致遭受大的空蚀破坏。设计工况试验取得的底空腔长度约28󰀁4m,最大空腔高度约1󰀁1m。

采用推荐掺气坎,不致影响原宽尾墩射流流态和消力池联合消能的效果。

形成四周全面掺气的抛射水体消能效果好,但水流入池后池内水面波动剧烈,涌浪高度有时越过原设计边墙顶高程,对此在表孔和中孔联合泄洪的整体模型中进行了试验论证,据此设计加高了局部边墙顶高程(消力池后半段边墙比试验前设计高程加高了6m)。

2.7󰀁消力池底板稳定、抗冲水力学模型试验研究

为了研究消力池底板的稳定安全性,给消力池底板稳定及结构设计提供依据,在南京水科院进行了消力底板稳定、抗冲模型试验,测试了池内动水压力,脉动压力(包括底板顶面和底面的),研究了消力池底板的破坏机理及保证安全措施,断面模型比例1󰀁33,整体模型比例1󰀁55。

试验结果表明,在消力池前部水流强烈冲击紊动区,作用于底板的脉动压力较大,底板失稳最初由消力池前端尺寸较小的块体发生;分缝止水破坏后脉动压力撺入底板底部,加大了底板的上举力量,是底板失稳的主要原因;消力池底板产生升坎是消力池底板失稳的致命因素。消力池底板稳定应以依靠其自重为主,锚固力作为其安全储备。在本工程

55陆民安:百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究

水力学条件下,消力池前部水流强烈冲击紊动区底板依靠自重维持稳定的厚度是6~8m。

消力池基础有50%左右为全强风化岩体,其承载力和变形模量均较小。有必要在整个消力池基础进行固结灌浆以适当提高基础的承载力和变形模量,减小基础不均匀沉陷,同时也可适当改善底板锚筋的锚固效果。

为保证消力池底板稳定安全,消力池运行要求:󰀁每年汛前对消力池的抽排系统进行维护和检修,确保在泄洪期间抽排系统的正常可靠运行;󰀁泄洪时表孔或中孔闸门由小到大均匀缓慢对称开启,确保在宣泄较大流量时消力池内已经形成足够水垫厚度,并在泄洪完毕注意控制闸门的关闭速度,避免造成下游水位急剧降低;󰀁加强基底扬压力以及板块间位移错动的监测,及时掌握消力池的运行安全情况;󰀁消力池检修时,保持抽排系统正常运行,且监测基底扬压力在许可的范围内后,才能把消力池内的水抽干,还要注意控制发电流量,使检修期间池外水位不超过限定值。

3󰀁消力池底板稳定安全设计

根据消力池基础岩石软硬分布情况,对消力池底板做了分缝处理。在硬、软岩交线处分缝。分块尺寸控制在20m左右。

除了软硬基础之间的斜缝之外,分缝内均设键槽,以提高消力池底板的整体稳定性。所有分缝内均设3道止水。消力池检修时,为了减小作用在底板上的扬压力,消力池周边做了灌浆排水廊道,设置封闭帷幕及排水幕;消力池底板设3道纵横排水廊道、一道横向排水廊道,基础渗水汇集到集水井后由水泵抽排出去。排水廊道内除D3L5软岩部位外均打有基础排水孔,孔内设置反滤设施。

硬岩基础部位的底板厚度为6m,由于辉绿岩、泥质灰岩岩性好,用锚筋加固底板使之满足规范抗浮稳定要求是有保障的。对于软岩地段,则要求泄洪时考虑止水破坏工况下底板以自重保证达到抗浮稳定安全系数1󰀁0以上,以使锚筋基本不承受脉动压力反复作用产生的拉力,但仍设置锚筋以满足抗浮稳定安全系数1󰀁2的要求,由此确定硅质岩泥岩D3L5软岩部位的底板厚度为8m(控制工况为止水破坏工况),其余部位的底板厚度为5m。

消力池底板采用锚筋或锚筋束锚固。溢流坝面及消力池过水表面采用400号抗冲耐磨混凝土。在施工中安排好不同硬度基础部位结构混凝土的浇筑顺序,最大限度地减少底板在分缝处的󰀁升坎󰀁幅度,降低底板在运行期的失稳危险程度。

由于消力池基础岩层软硬相间,风化深,消力池基础约30%面积为弱风化辉绿岩(火成岩),其余为较软弱的沉积岩,预计存在一定程度的不均匀沉陷。试验表明,在消力池运行时,底板之间由于不均匀沉陷形成的󰀁升坎󰀁,对底板的稳定危害最大,是设计必须控制的因素。为了解消力池边墙、底板、建基面应力分布规律及各区变形的情况,采用三维有限元法整体计算了消力池在施工竣工、运行、检修工况下的应力、应变、变位值,结果表明:消力池基础最大沉陷为12mm,最大沉降错台为3󰀁48mm,在可接受范围内。施工完建工况底板地基反力约在0󰀁1~0󰀁2MPa;运行工况底板地基反力约0󰀁4MPa,基本未超过地基允许承载力,局部小范围出现的拉应力也在0󰀁1MPa以内。

4󰀁结语

广西右江百色水利枢纽泄洪流量大、下泄功率大、河床水深偏浅且地质条件差,通过消能工方案设计、技术经济比较、水力学模型试验研究,确定主坝泄洪消能采用󰀁表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池󰀁联合消能工,在溢流坝下游面直线段中部设置了掺气坎,使得下泄水体四周全面掺气,减轻了下泄高速水流对溢流坝面的气蚀破坏。消力池底板厚5~8m,加强分缝止水的可靠性,做好底板锚固安全设计,规定合理的消力池运行程序,可以满足主坝在坝址河床水深偏浅、地质条件差大泄洪量消能安全需要。水工模型试验成果表明:百色水利枢纽采用󰀁表孔宽尾墩󰀁中孔出流󰀁底流式消力池󰀁联合消能工是可行的,设计论证表明是经济的,其优越性将有待于竣工后工程实际运行的进一步检验。

参考文献

[1]󰀁谢省宗,李世琴,李桂芬󰀁宽尾墩联合消能工在我国的发展

[J]󰀁红水河,1995,(3):3-11󰀁1996,(1):24-30󰀁

[2]󰀁麦家乡,覃永恒󰀁百色水利枢纽泄水建筑物设计[J]󰀁红水河,

1998,(1):20-25󰀁

[3]󰀁谢省宗,李世琴󰀁宽尾墩联合消能工在百色水利枢纽的研究和

应用[J]󰀁红水河,1998,(2):36-41󰀁

[4]󰀁陈顺天,陆民安󰀁台高九仞起于垒土[J]󰀁广西水利水电,2002,

(增刊):9󰀁

(责任编辑:刘征湛)

Surfacespillwaytail󰀁flaringpierjointenergy

dissipatorofBaiseRCCmaindam

LUMin󰀁an

(GuangxiWaterandPowerDesignInstitute,Nanning530023,China)

Abstract:Design,testingandresearchresultsofsurfacespillwaytail󰀁flaringpierjointenergydissipatoroftheRCCmaindamofBaiseMultipurposeDamprojectisintroduced.Thisprojectischaracterizedbylowriverbedwaterdepth,relativelypoorgeologicalcondi󰀁tion,highflooddischargeandunderpourpower.Afterresearchanewjointenergydissipatorisdetermined,composedofsurfacespill󰀁waytail󰀁flaringpier,breastspillwayflowdrop,underflowstillingpool.Aerationstepisdesignedonthespillwaysurfacetoalleviatepossibledamagetodamsurfacefromcavitation.Baseslabofstillingpoolwillbe58mthickanddesignedwithadditionalbaseslaban󰀁choragebar,soastomeetsafetyrequirement.

Keywords:BaiseMultipurposeDamproject;RCCmaindam;surfacespillwaytail󰀁flaringpier;underflowstillingpool;jointenergydissipator;aerationstep56