水利水电枢纽工程泄洪消能设计分析论文

水利水电枢纽工程泄洪消能设计分析论文（共2篇）

1.水利水电枢纽工程泄洪消能设计分析论文 篇一

试论高坝工程泄洪消能的特点与研究论文

一、高坝泄洪消能的研究

高拱坝坝身泄洪消能

从国内现状看，高拱坝已成为大型水电站的主选坝型之一，在泄水建筑物布置上大多采用坝身开孔泄洪与岸边溢洪道或泄洪洞分流的总体布置构架。

我国建成的二滩水电站采用了“坝身表孔+深孔双层泄水孔口布置、下游设水垫塘与二道坝、通过水舌碰撞促进消能、并辅以岸边泄洪洞泄洪”的泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄洪考验，表明是成功的。

为有效控制水垫塘底板最大冲击压强(一般要求不大于15×9.8kPa)，目前较多采用出射角度不等的大差动布置型式，通过分散挑流水舌的入水能量，达到降低水垫塘底板冲击压强的目的，而采用溢流前缘为舌形的出口鼻坎以及在出口鼻坎上增设分流齿坎也是行之有效的工程措施。除此之外，目前正在积极开展如下非碰撞式坝身泄洪消能布置及深厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能布置两方面的。

高水头大流量底流消能

底流消能是一种传统的消能方式，其具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。但从国内外的运用情况看，底流消能在大型高坝水电工程中所占的比例远远低于挑流消能。主要有经济和技术两方面因素。一方面，底流消能需要要修建造价昂贵的底流消力池，工程投资较大;另一方面，由于高坝工程工作水头高，致使消力池临底流速很高，难于保证消力池自身的泄洪安全。然而，与挑流消能相比，底流消能更能适应地质条件欠佳的坝址，而且底流消能引起的泄洪雾化很小，对周边环境影响较小，尤其在目前人们对高坝泄洪雾化等环境问题日益重视的现状下，底流消能方式具有独特优势。我国近期投入开发的大型水电站如向家坝、官地等都采用了底流消能方式，就是很好的实例。另外，值得指出的是，我国官地水电站还采用了斜边墙底流消力池布置型式。研究表明，这种布置方式能够顺应下游河道的地形条件，减少直立边墙底流消力池的施工难度与工程投资，同时也增大了消能水体体积。

高水头大流量溢洪道与泄洪洞

土石坝与拱坝是目前我国高坝工程的主要坝型，岸边泄洪洞与溢洪道则是土石坝与高拱坝工程常见的泄水建筑物布置方式。对土石坝工程而言，由于坝身不能过流，岸边溢洪道与泄洪洞是最为关键的泄水建筑物;对高拱坝而言，泄洪洞往往是坝身泄洪设施的重要补充。为了确保高拱坝的运行安全与水垫塘检修，我国高拱坝在水力设计中大都采用了坝身泄洪与岸边泄洪洞并重的设计思路，岸边泄洪洞单独泄洪可以满足宣泄常年洪水的任务。

对于高水头大流量的溢洪道与泄洪洞而言，一般都存在如下两方面的水力学技术难题需要认真解决：一是高流速泄槽段的掺气减蚀问题;二是出口鼻坎的体型优化与下游消能防冲问题。针对这一问题，我国学者进行了大量的探索性研究，在传统掺气坎布置型式的基础上，相继提出了高速泄槽侧壁的掺气减蚀、U型掺气坎、平面凹型掺气坎、V型掺气坎、变底坡掺气坎等新的掺气坎布置型式，部分研究成果已经得到设计与工程采用。

高坝泄洪雾化问题

泄洪雾化是一个非常复杂的水、气两相流物理现象，其影响因素众多，包括泄水建筑物的体型及泄洪方式、上下游水位差、流量、入水流速与角度、下游水垫深度、下游地形、当地气象条件等都是有关联的影响因素，同时在时间上也有其随机性的一面，因此研究难度很大。

近年来，孙双科等基于国内多座已建工程泄洪雾化的原型观测资料，采用统计分析、工程类比、以及人工神经网络预测方法，建立了一套定量预测泄洪雾化影响范围与降雨强度分布的经验公式与基于空间任意坐标点处泄洪雾化降雨强度的人工神经网络预测模型，并在小湾、瀑布沟、双江口、亚碧罗等水电站泄洪雾化预测研究中得到了运用。

二、展望

我国目前正处于水电建设高峰期，而且还将持续一段时间，高坝泄洪消能技术研究具有广泛的技术需求和良好的发展前景，围绕一系列的高坝建设，还有大量的研究工作要做，也必将进一步促进高坝泄洪消能技术的进一步发展。在今后的研究工作中，需重视并关注如下问题：

(1)高坝泄洪消能技术的基础性理论研究。从发展历史与现状看，高坝泄洪消能仍然是一门实践性很强的应用性学科，其研究方法目前仍以试验研究为主要技术手段，在解决实际工程问题时，往往需要与已建工程成败的经验教训与研究者的经验积累。尽管如此，同其它学科一样基础理论方面的研究依然十分重要，理论研究与发展的不足，制约了学科的进一步发展。而目前，大量研究工作由于客观条件限制往往只能立足于解决具体工程的生产实际问题，而缺乏系统而深入的`总结归纳与理论分析，致使该学科的基础理论研究相对比较薄弱且进展缓慢。

(2)高坝建设中环境制约因素的研究。当前我国的水电开发已进入生态环境制约的发展阶段，在不断获取效益的同时，人们对高坝建设的环境影响问题日益关注。因此，必须重视高坝建设中的环境影响问题，并积极寻求减免其不利影响的工程措施与非工程措施。仅工程措施而言，与高坝泄洪消能研究相关的包括低雾化泄洪消能技术、泄洪雾化预测、鱼道水力学、分层取水水力学等。

(3)枢纽安全运行和科学管理问题。随着我国一大批巨型水电站的不断建成与投产，高坝安全运行与科学管理问题将会日益受到各方面的高度关注。我国已建的一些高坝工程虽然其规模与技术难度与目前在建中的大型工程相比尚有一定差距，但有的已出现这样或那样的破坏，从抗御风险确保工程安全的角度出发，应高度重视对巨型水电工程泄洪安全与运行调度方式等的深入研究，包括建立泄洪安全的评价指标体系与分析方法，进一步完善泄水建筑物的水力学安全监测技术等。

(4)水力学原型观测研究。水力学原型观测可以有效弥补并修正水工模型试验中缩尺因素的影响，从而正确认识泄水建筑物的水力特性并对其安全运行提出合理建议。因此，对水力学原型观测的实施方法、资料的归纳整理与深入分析也是值得重视的研究方向。

2.水利水电枢纽工程泄洪消能设计分析论文 篇二

根据招标文件[1]:在1#导流洞的堵头内设置独立的放水孔, 用于在水库下闸蓄水期间, 为下游沿岸居民供水和环境保护泄放150 m3/s的生态流量。当最后1台300 MW水轮发电机组投入商业运行时, 放水孔被永久封堵。

1 放水孔的泄洪消能特点及难点

1.1 高水头、高流速、运行时间长

2#、3#导流洞下闸, 同时放水孔投入运行, 水库即开始蓄水。当水库水位212 m高程时, 放水孔的工作水头166 m;在水库正常蓄水位228 m时, 其工作水头182 m, 均属于超高水头的范畴[2]。

在水库水位62～100 m时, 放水孔弧门出口处流速为16.3～28.2 m/s;在库水位100～150 m时, 流速为28.2～42.2 m/s;在水库水位150～212 m时, 相应流速为42.2～54.0 m/s。一般而言, 当流速超过30 m/s时, 则定为高速水流, 当流速大于45 m/s, 应属超高速水流。

自水位62.0 m水库开始蓄水, 当水位达到150 m高程, 放水孔持续运行时间为90～150 d;库水位从150 m上升到195 m高程, 放水孔持续运行时间180～270 d。如果此时电站尚不具备发电条件, 则库水位要到212 m时, 溢洪道闸门全开, 才能满足下泄生态流量;这时放水孔还要在51.2～54 m/s的超高流速下持续运行约120 d, 也就是放水孔在高流速运行时间将近1年。

1.2 空化、空蚀问题非常突出, 下游消能难度大

高水头、超高流速下运行的水工建筑物设计, 在流道边界突变处、门槽等部位, 首要面对的问题就是空化及空蚀, 必须进行有效的掺气减蚀、选用适当的抗冲耐磨材料。

由于放水孔具有高水头、高流速、运行时间长等特点, 而且这些条件在国内外几乎找不到成功的实例[3], 掺气减蚀措施能否满足运行要求, 将直接关系到方案是否可行。下游的消能难度很大。

1.3 施工工序多、场地小、技术难度大

放水孔改建的工程量不大, 但施工场地狭小、交通条件较差、施工质量要求高;混凝土浇筑、闸门及机电设备安装等, 工序繁多, 环环相扣, 相互干扰大。

2 方案比选简介

2.1 初选改建型式初选

目前, 导流洞后期改建为泄洪洞的经验日趋成熟, 改建形式基本有“龙抬头”式、“龙落尾”式、竖井式和孔板 (洞塞) 式。其中, 竖井式主要包括旋流式和消力井式。

1#导流洞进口和出口高程分别为45.5 m和42.5 m, 洞顶的地形远低于坝顶高程233 m。同时, 导流洞断面尺寸大, 内径达12 m;而水库的运行水位很高, 要求下泄的生态流量又很小, 仅150 m3/s。另外, 1#导流洞的混凝土衬砌厚度仅0.5 m, 且已连续过水运行了10余年。

因此, 从地形条件、水力条件、洞衬结构、工程量和投资上分析, 不适合采用“龙抬头”式、竖井式和孔板 (洞塞) 式等形式, 一般导流洞改建方式难以满足巴贡水电站放水孔的要求。

2.2 初步布置及其水工模型试验成果

在巴贡水电站的可行性研究报告[1、4]中, 推荐1#导流洞的改建方式为:在封堵段内留两个方形孔洞过流, 孔口尺寸为2.25 m×2.4 m (宽×高) 。

改建段总长度26 m。进口的顶部和两侧均为椭圆曲线, 进口面积为14.042 m2, 进口底板高程为46.73 m;出口面积为5.40 m2 (2.25 m×2.4 m) , 出口底板高程为46.33 m;有压流道的坡度为2.125%。在有压流道和弧形门后的突扩门槽及其下游隧洞的两侧边墙和底板均采用钢板衬护。

放水孔运行水头极高, 流速超高, 水流条件复杂, 特别是弧门下游的突扩门槽及下游隧洞等处易发生空蚀破坏, 下游的水流条件很差。采用了突扩门槽、折流器, 长约56 m的钢衬和长约120 m的三道环形掺气坎槽等体型复杂的措施, 经过1∶28大比尺水工模型试验验证[5], 该方案并不能有效解决高速水力学问题, 体型复杂, 工程量大, 结果不令人满意。

因此, 要寻求其它方案, 解决放水孔的泄洪消能问题。通过国际咨询专家的建议、查阅资料、调研, 放水孔采用适应性强的锥阀方案。

3 锥形阀及消能室的工程运用情况

3.1 特点及运用情况

固定锥阀, 亦称中空喷射排放阀, 具有适应中高水头、各级流量、承压范围内无振动、无气蚀、消能率高、施工简单、维修要求低、综合成本效率高等特点, 同时, 在锥阀后设置圆形消能室, 可消除狭窄场地内的能量。

固定锥阀在国际水利工程中常作为水轮发电机组旁通阀的自由排放阀, 也可作为大坝末端放空泄流阀, 或用在大容量水库释放管路上的流量控制阀。目前, 已经建成的意大利ATB公司生产的HOWELL-BUNGER固定锥形阀, 最高水头达350 m, 最大直径达2.8 m, 可满足巴贡放水孔的要求。

3.2 已建工程实例

已建工程的锥阀及消耗室实例见表1。

3.3 工程适应性

3.3.1 技术可靠性

锥阀方案可允许阀门局部开启, 可控制下泄流量, 并可充分的消能, 使下游流道避免了空蚀破坏, 简化了下游流道的防护工作, 同时提高了工程可靠性。而且, 锥阀为成套设备, 在工厂内加工制造, 工程现场仅进行设备安装, 加工精度可以得到很好的保证。锥阀无特殊施工要求, 施工和运行可靠性较高。尽管在中国境内的工程中较少采用, 但其他国家应用较为普遍, 技术成熟。

3.3.2 施工

锥阀方案可取消下游的钢衬和混凝土衬护, 施工程序相对简单, 混凝土浇筑施工与闸门安装施工干扰小。闸室下游段仅做简单的防护, 施工工序少, 施工难度小。

锥阀方案, 在放水孔闸室段蝶阀关闭后, 通过锥阀进行放水孔流道钢衬处理及混凝土回填施工。封堵施工相对简单。

4 锥形阀方案布置及水工模型试验

4.1 锥形阀及消能室的方案布置

放水孔是由原1#导流洞改建而成, 整个放水孔改建段长度35 m, 主要作用是在水库下闸蓄水期间向下游供水。在原导流洞进口处设拦污设施。改建后的导流洞内设置放水孔闸室段, 闸室段内布置2个锥阀向下游供水, 每个锥阀上游设1个直径为2.3 m的蝶阀。锥阀直径为1.92 m, 其下游设长约7 m的椭圆形消能室。闸室左侧设通往外界的交通洞, 消能室下游左侧设2 m×2.5 m的通风廊道与交通洞相通。放水孔的锥阀及消能室方案的纵剖面图见图1。

4.2 水工模型试验及结论

4.2.1 实验目的

参考放水孔的作用水头, 采用比尺为1∶30的水工模型试验, 试验范围包括蝶阀、锥阀、锥阀通风室、通风管、消能室、通风廊道及下游隧洞, 范围约780 m长。重点测试消能室出口及下游导流洞内的水流流态﹑流速和压力分布、洞内水深﹑水跃等水力学参数。

4.2.2 实验建议和成果

(1) 放水孔采用2个锥阀的消能方案合理, 双孔运行方案与单孔运行方案均可行。

(2) 在水库水位62～100 m泄流时, 消能室出口没有形成明显的射流;在100 m及以上水位时, 消能室出口呈明显的射流流态, 射流水舌的挑距随库水位的升高而增大, 水库水位228 m运行时, 水舌的外缘挑距约为56 m。

消能室出口射流水舌下游是急流区, 水深较浅, 流速较大。导流洞下游段为缓流, 水深较深, 流速较小, 并与急流区之间以水跃衔接。随着库水位的升高, 水跃位置逐渐向下游移动。

(3) 当锥形阀双孔全开运行时, 消能室周壁为掺气水流, 流向偏向下游;受出口断面收缩的影响, 消能室中部为回流流态, 流向指向上游, 加大了消能率。消能室出口两股射流, 受消能室体型的作用, 每股射流先向轴线方向收缩一定距离后, 又向四周扩散。

当锥形阀单孔运行时, 消能室出流偏向于导流洞的一侧, 水舌下游急流区有明显的折冲水流, 但由于水深较浅, 流速较小, 不会造成大的不利影响。

(4) 导流洞下游设置通风廊道, 低水位运行时, 水流的掺气浓度比较小, 但水流流速很小, 不易发生空蚀破坏;当库水位超过150 m时, 水流的掺气浓度明显增大, 已可保护边壁不受空蚀破坏。

(5) 消能室出口处水舌周围的空腔最大负压值为-3.0 kPa, 不超过-5.0 kPa的规范规定值。

(6) 水库水位150～228 m时, 消能室内的流速为25.6～39.8 m/s, 收缩断面处的流速为20.2～32.3 m/s;距消能室320 m处的流速为12.4～15.5m/s;距消能室580 m处的流速为5.4～7.1 m/s;导流洞出口处的流速仅为2.2～2.9 m/s。射流收缩断面的消能率为48%～63%, 导流洞出口处的消能率达95%以上。

5 结语

巴贡水电站的放水孔具有高水头、高流速、空化、空蚀问题非常突出, 以及连续运行时间长、施工技术难度大等特点和难点。

经过对锥阀及消能室方案的水工模型试验, 消能室内水流的掺气量比较充分, 消能室出口形成水跃, 导流洞下游流速低, 冲击压力不大, 消能率高。采用成套设备, 施工安装方便、技术成熟、可靠, 改建范围小工程量小, 投资较少;因此, 放水孔的最终方案采用锥阀及消能室方案。

参考文献

[1]马来西亚巴贡水电站工程CW2标业主招标文件:Employer’sRequirements–Bakun Hydroelectric Project, Package CW2-MainCivil Works, Volume 2 of 7, Books 1 and 2[Z], 2001.

[2]王君利, 安盛勋, 范建朋.放水孔运行条件及有关设计问题[R].西安:西北勘测设计研究院, 2005

[3]卞全, 陈炀, 王康柱.马来西亚巴贡水电站放水孔设计准则[R].西安:西北勘测设计研究院, 2004

[4]严优丽, 范建朋, 杨建红.马来西亚巴贡水电站工程概念设计报告[R].西安:西北勘测设计研究院, 2002

[5]严根华, 胡去劣, 陈发展.马来西亚巴贡水电站放水孔水工模型试验研究[R].南京:南京水利科学研究院, 2005