五强溪水电站右消力池底板块失事分析

1999年1月水利学报SHUILIXUEBAO第1期*刘沛清(北京航空航天大学,北京,100083)高季章李桂芬(中国水利水电科学研究院,北京,100044)本文利用总流动量定理系统地分析了宽尾墩消力池的消能机理,导出有关水力计算公式,并详细地阐述了消力池底板块的稳定性设计.针对五强溪水电站右消力池的泄洪运行情况,利用本文提出的方法从流态结构、板块的稳定性受力等方面,分析了消力池底板块失事的主要原因.宽尾墩,消能机理,底板块.TV135121五强溪水电站泄洪消能型式与右消力池底板块失事概况[1,2]五强溪水电站位于湖南省沅凌县境内的沅水上,距省会长沙市约310km,系沅水干流和湖南省最大的一座水电站,具有发电、防洪和航运等效益.整个枢纽建筑物由河床左侧溢流坝、右岸坝后式厂房和左岸三级船闸组成,坝顶长度71917m,最大坝高85183m,坝顶高程11715m,正常蓄水位10810m,设计水位(P=011%)111162m,下泄总流量约44000m3/s,校核水位(P=0101%)11417m,下泄总流量约54000m3/s.电站装机容量120万kW(5台机组).由于沅水峰高量大,且五强溪水库对洪水的调蓄能力有限,下泄流量大,泄洪时上下游水位差约40m,水流Froude数为3~4,这给下游消能防冲带来一定难度.经组织中国水利水电科学研究院和电力部中南勘测设计院多年的研究,最后确定采用/宽尾墩-消力池0和/宽尾墩-底孔挑流-消力池0新型联合泄洪消能方案.在溢流坝段布置了9个表孔,位于河床左侧,被泄洪中孔泄槽分隔为右3孔和左6孔,包括中孔在内总宽度为24415m,堰顶高程8718m,表孔弧门尺寸(宽@高)为19m@23m,闸墩厚515m,在堰顶下游2018m处开始扩宽,至401101m处墩厚为1715m,尾墩扩散角为171526b,出口宽度710m,溢流孔宽度收缩比为01368.在左6孔溢流坝的5个中墩下坝体内设5个泄流底孔,底孔进口尺寸(宽@高)为215m@16m,并设有相同尺寸的事故门,出口断面尺寸(宽@高)为315m@7m,用相同尺寸的弧形工作门控制,进口底板高程6710m,尾部是反弧半径20m、挑角45b的反弧挑流鼻坎,高程为6915m.坝下消力池总长120m,被中孔泄槽分隔为左、右消力池,池底高程4210m,池尾设雷伯克坎,高、低坎顶高程分别为5110m、4610m,尾坎平均高度615m,坎后接坡度1/10、长50m并倾向上游的混凝土海漫.对于右消力池,池宽7210m,底板厚度4m,板块的横向宽度16m,纵向长度不等(=151133~1816m),平均长度为161124m.消力池底板下的基岩由前震旦纪板溪群砂岩、石英岩、板岩和千枚状板岩组成,岩层厚104138m,共148层,岩层呈中厚、厚层或块状产出.岩体节理裂隙较发育,纵横交错分布.NNE至NW节理多为石英脉充填,单条长5~8m,追踪状分布;NEE向陡倾角和反倾向节理多在单层内发育,一般不切层,分布在坚硬的石英岩内,面较平整,无充填,长2~5m.消力池底板块一般建在新鲜岩体上,完整性较好,呈块状,互层或间互层状结构产出,属Ò类岩体;部分破碎带及影响带或节理密集带为弱风化带,属Ó类岩体,岩石抗冲流速为5~6m/s.该工程属一等工程,1983年初设报告审查通过,1991年11月一期工程截流,1994年11月5日下闸蓄水,泄洪底孔向下游供水发电,1996年6月4日机组投入运行,1996年底第5台机组投产完)8)*本文于1997年6月27日收到.本文得到国家自然科学基金项目的资助,批准号/596790040.建.1996年7月沅水发生了历史上特大洪水,洪水过程为复峰,五强溪坝址出现了2次40000m3/s的洪峰,3次超过30000m3/s的洪峰.工程在尚未完建的情况下,经受了巨大的考验,发挥了巨大的作用.在这次抗洪抢险中,为了保护下游桃源、常德及洞庭湖等经济发达地区人民的生命财产安全,严格控制下泄流量不超过26400m3/s,使库水位被迫抬高113126m,超出正常蓄水位5162m,按近5000年一遇洪水库水位,坝下游水位6715m(5000年一遇下游水位77188m),再加上工程尚未完建,泄洪设施不能全部投入正常运行,闸门调度受到种种条件的限制,无法按照设计提出的要求,做到均匀、同步、对称开启运行,致使消力池较长时间处于一种十分恶劣的水流运行状态.洪水过后,经查明右消力池(宽尾墩-消力池),部分底板块被水流掀起冲走,基岩冲坑深度超过30m,威胁大坝的安全,必须进行处理.2宽尾墩消力池内水流特征与消能机理分析211宽尾墩消力池系一种新型的消能型式.由大量的模型试验表明[3]:由溢流坝面下泄的水流,经宽尾墩横向迅速收缩、纵向扩展,出墩后形成一高耸的水舌,其上部为冲击波击起的水冠,并以不同角度连续射向空中跃入池内,底部水流贴坝面而下,形成水跃.上述过程中水舌同时坦化扩向两侧形成水翅,并为池中水体淹没,形成空间水跃,贴底流水跃成为挑流水舌的水垫.池中水流紊动剧烈,大量掺气,旋涡破碎,水面升高,紊动剪切作用增强,消能效果理想,其典型流动结构如图1所示.图1宽尾墩消力池内典型流动结构示意图现取一溢流表孔给出分析.设溢流坝顶净宽为B,坝顶下泄单宽流量为q(可通过堰流公式计算获得),宽尾墩出口宽度为b,宽尾墩收缩比E=b/B.对于宽尾墩出口底流水股跃首断面1)1的平均流速V1,可由能量方程获得.即V1=U2g(H0-Nh1)(1)式中,U为溢流坝面流速系数(U0175~0195);H0为上游水位与消力池底高程之差;g为重力加速度;h1为1)1断面平均水深(Uq/V1);N为压力修正系数,决定于宽尾墩收缩比和底流水股上方的水舌厚度,可由试验确定,一般N110.现取1-1、2-2、3-3断面之间的水体为控制体,沿着主流方向总流动量方程可近似写为QQ3V3-(QQ1V1+QQ2V2cosB)=Qg2bN2h21-Pd-Qg2Bh23(2)其中,2-2断面的压强近似按大气压处理;Q1-Q3分别为1、2、3断面流量;V3和h3为断面3-3的平均流速和水深;V2为断面2-2的平均流速;Pd为消力池尾坎的阻力;B为射流水舌的入水角度,与E和水流条件有关,可由试验确定,一般B=30b)45b.又由连续方程可近似得到)9)Q1=qbQ2=q(B-b)Q3=Q1+Q2=qB(3)对于消力池尾坎的阻力,根据文献[4]的实验结果,由于尾坎位于水跃旋滚区的尾部,对水跃的阻力大大减小,可用下式表示.即Pd=Cd12QV23hbB(4)其中,hb为尾坎高度;Cd为尾坎阻力系数,初估时可近似取CdU0112[4].利用连续方程V1=q/h1和V3=q/h3,式(4)可进一步写为Pd=CdG212QV21hbB(5)式中,G=h3/h1,为共轭水深比.现把式(3)和(5)代入式(2)中,经整理后可得G=N2E+2Fr21E+(1-E)V2V1cosB-1G-Cd2G2Gb式计(6)式中,E为宽尾墩收缩比(b/B);Fr1为1-1断面的Froude数(=V1/gh1);Gb为尾坎无量纲高度(=hb/h1).如近似取V2=C0V1(比例系数C0与宽尾墩收缩比有关,可由试验确定,一般位于0175至0195之间),则式(6)可进一步改写为G=N2E+2Fr21E+(1-E)C0cosB-1G-Cd2G2Gb1V(7)式(6)和(7)即为宽尾墩消力池水力计算公式.注意,利用上述求解时,须进行试算.如取E=1时,并略去尾坎阻力,式(6)将简化为经典的平底自由水跃方程式.G=1+8Fr21-12(8)对于无宽尾墩的平底自由水跃,水跃消能系数K[5]j(=水跃消能量与跃首断面水流能量之比)为Kj=1+8Fr21-3力池消381+8Fr21-1b2+Fr21电,(9)当存在宽尾墩时,水跃总流的机械能损失为$E=CQ1Nh1+V212g+CQ2V222g-CQ3h3+V232g2、(10)根据Kj的定义,可得Kj=$ECQ1Nh1+V212g植面(11)利用式(3)和(10),式(11)可写为Kj=E(2N+Fr21)+(1-E)C20Fr21-(2G+Fr21/G2)E(2N+Fr21)(12)当然,当E=1时,式(12)可化简为平底自由水跃的关系式(9).消力池的长度,由池内水跃长度确定.对于无宽尾墩的平底自由水跃长度Lj,由作者[6]给出的一个半分析公式为Lj=6155h1Fr1tg-1G-1(13)注意,式(13)tg-1的数值用弧度计.由于消力池尾坎的存在,使水跃的长度有所缩短,初设时常按下式计算.即LS=(017-018)Lj(14))10)当存在宽尾墩时,考虑到宽尾墩消力池内水流紊动剧烈,消能效果好,消力池的长度可适当综合,故初估时,本文建议用下式.LSU0165Lj(15)212对于五强溪水电站宽尾墩消力池,在不同泄流工况下的有关水力参数由表1给出.表1五强溪水电站在不同泄流工况下消力池水力计算有关参数表泄流工况序号洪水频率P上游水位zu/m下游水位zd/m溢流坝顶单宽流量q/m2/s坝址1-1断面流速V1/m/s坝址1-1断面水深h1/m1-1断面Fr1数11%108125721891901402813561723152011%1111667611824611028172815731130102%1131267718827910028184916831040101%114166791102971602910310125219注:B=19m,b=7m,消力池底板高程zb=4210m,U=0183,近似取N=110.表2五强溪水电站在不同泄流工况下不考虑宽尾墩消力池水力计算结果泄流工况序号上游水位zu/m跃首断面Fr1数跃后断面共轭水深h3/m下游水深ht/m淹没系数R=ht/h3消力池长度Ls/m消能系数Kj110812531530100301891103011610001328211116631133194341181100712815901277311312631035197351880199713417301251411416621937117371100199813815701240注:ht=zd-zb,LS=017Lj,U=0183,hb=615m,Cd=0112.当不考虑宽尾墩时,可按有关自由水跃公式计算,计算结果列于表2中.由表2可见,在不同泄流工况下,跃首断面Fr1位于219~315之间,故在无宽尾墩的情况下消力池内水跃为不稳定水跃(或摆动水跃),消能效率低,池内旋滚不稳定,跃后水面波动大,且水跃的淹没系数接近110,出现临界水跃状态,较难控制.此外,设计取消力池长度120m也是不够的.表3五强溪水电站在不同泄流工况下宽尾墩消力池水力计算结果泄流工况序号上游水位zu/m跃首断面Fr1数跃后断面共轭水深h3/m下游水深ht/m淹没系数R=ht/h3消力池长度Ls/m消能系数Kj110812531525126301891122310218301592211116631127196341181122211215301444311312631029120351881122911617901367411416621929197371101123811915901337注:LS=0165Lj,U=0183,hb=615m,Cd=0112,E=7/19,C0=019,B=35b.当考虑宽尾墩时,按本文导出的宽尾墩有关公式计算,计算结果列于表3中.比较表2和表3计算结果可见,由于宽尾墩对水股产生的横向收缩效应,使池内水流在不同泄流工况下能保持具有一定淹没度(R=11223~11238)的稳定水跃,跃后水深小于无宽尾墩的情况,水跃消能效率明显提高,水跃的长度有所减小,设计取消力池长度120m是满足要求的.为了便于比较,现由图2和图3分别给出有无宽尾墩情况下水跃共轭水深比G和消能系数Kj与跃前断面Fr1的关系曲线.由此可见,宽尾墩的作用是明显的,具有稳定水跃、降低跃后水深、提高消能效率和缩短水跃长度等优点