消力戽消能

消力戽消能的工作原理是利用戽坎在水下的特點，使水流分別在戽內和戽後旋滾，形成“三滾一浪”，進而達到消能目的。優點是工程量比消力池小，沖刷坑比挑流消能小，不存在霧化問題。

基本介紹

• 中文名：消力戽消能
• 外文名：Cancellation bucket
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 目的：消能

簡介

壩址岩性主要為淺變質中厚層石英砂岩，層間夾千枚狀粉砂岩、細砂岩和頁岩。壩址地質構造複雜，壩址正處於由NE向SW傾伏背斜的軸部，背斜軸走向N40°E，與河流近於直交；河床中雖不存在較大的順河向斷層，但在背斜軸部附近的兩翼，存在7條較大逆斷層；特別是壩腳下游約10m處有1條橫跨河床的F6逆斷層，寬約11m(含影響帶)，帶內充填千枚岩及破碎岩、碎塊岩，風化較深。當施工圍堰越過F6斷層邊緣後，基坑抽水困難。這就限制了溢流堰下游消能工的長度，給大壩泄洪消能設計帶來一大難題。

壩上水電站壩雖不高，但有3個明顯的特點。一是單寬流量大，最大可達100.24m³/(s·m)在類似工程中較為少見；二是佛氏數低，約為1.7，是典型的弱水躍；三是樞紐布置緊湊，下游沖淤和運行條件的惡劣，直接關係到壩後式水電站的運行。

1.單項消能工及其參數選擇

原布置試驗後，為了論證各種消能工在壩上水電站特定的水力邊界條件下產生的作用，以設計工況2900m3/s為控制，進行了3個對比試驗。下面所述沖深以消力池尾坎高程212.0m為基點。

(1) 消力池與消力戽。試驗中發現，在保留寬尾墩的情況下，如將消力池長由10m縮至5m，最大沖深8.30m，比原布置加深了1.45m；如在反弧後直接用R=7.0m挑角45°的消力戽取代消力池，最大沖深7.22m ，優於單純縮短消力池的做法。

(2) 寬尾墩的作用。將消力戽取代消力池後，試驗中發現，一是改變原寬尾墩的上下位置對壩上的消能影響甚微；二是如將寬尾墩尾部由1m加寬至2m，最大沖深10.41m，沖坑加深較大，明顯不利；三是取消寬尾墩，最大沖深6.78m ，不但沒有加深，反而略有有減小。可見，寬尾墩在壩上水電站特定的水力邊界條件下作用不大，為此取消寬尾墩。

(3) 消力戽反弧半徑的選定。取消寬尾墩後，消力戽反弧半徑先後採用R=7.0m、R=8.0m、R=9.0m 進行比較試驗。

由於在大流量情況下，消力戽中的消能水體不足，小半徑條件下常常造成較大沖刷，而R=9.0m方案沖坑反坡適中，綜合考慮，選取反弧半徑R=9.0m。

2.聯合消能工選擇

在論證了取消寬尾墩，並選取反弧半徑R=9.0m的消力戽後，接下來是如何選擇聯合消能工的問題。在我國東北地區，T形墩被用於中低壩，收到較好的消能效果，但佛氏數低到1.7 左右則較少見。為此，進行了較詳細的水工模型對比試驗分析論證。

T形墩位置、體型選擇

(1) 位置選擇。以9個墩高1m、墩長4m的T形墩進行比較。消力池方案，在閘墩尾部布設最大沖深比在尾坎處布設減少0. 58m；消力戽方案在閘墩尾部布設較合理。綜合考慮，選取在閘墩尾部布設T 形墩。

(2) 體型選擇。將T形墩長度由4m縮至3m時，沖深相差無幾，由3m縮至2m時，沖深增加了0.77m；將T 形墩高度由1m 增至2m ，將T 形墩的排列由“一字形”改為“箭頭形”，對消能影響不大。綜合考慮，選定T形墩長度3m、高度1m ，沿溢流壩寬度方向“一字形”排列，布設9個。

聯合消能工選擇

以T形墩+ 消力池、T形墩+消力戽兩種聯合消能工進行模型試驗比較分析。沖深數據分別以消力池尾坎頂高程212.0m、消力戽鼻坎頂高程211.65m為基點。

T形墩+消力池聯合消能方式不理想，設計工況下沖坑反坡大於設計規範要求，池長10.8m不夠，若要加長消力池，勢必要跨過F6斷層，施工困難，投資大。

T形墩+消力戽聯合消能工，池長10.8m ，小於傳統設計的池長，但其消能效果明顯。設計工況下：

①最大及最不利點沖坑反坡滿足設計規範要求，最大沖刷比T形墩+ 消力池方案減少了約56%；

②沖坑形態為底部較平的鍋底形狀，從中孔河床距鼻坎24m處出現最不利點沖深3.52m，上游以1∶6.85反坡延伸至鼻坎，40m處出現最大沖深4.14m，然後以平緩後坡延伸至80m處，堆砂高程高出河面約2.4m，左導牆末端外8m處沖深2.75m，右導牆末端處約有8m×8m的範圍被淘刷深3.88m，然後以平緩坡度向左右岸山坡延伸；

③上游庫水位為230.37m，相應下游水位為223.31m，其相應的流量係數0.4564，泄流能力較原方案大19%左右；

④在設計流量及以下各級流量水流流態均為淹沒戽流，戽內消能充分，鼻坎處測得最大流速23.01m/s，河床流速4.5～6.5m/s，面流速大，而底流速小，左右岸回流範圍及強度較原方案縮小了，最大回流速2.5m/s，約減少了25%～32%。在校核工況下，消力戽流態為臨界戽流，在距鼻坎64m 處最大沖深加大為6.70m，坡比1∶9.55 (滿足設計規範要求)，其餘沖坑形態、淘刷範圍、流量係數、流速及回流情況均與設計工況差不多，僅數據增大。所以，最終決定採用T形墩+消力戽聯合消能工為壩上水電站泄水建築物消能方式。

T形墩+消力戽聯合消能工的布置設計

1.堰面曲線

泄水建築物溢流堰淨寬36m不變，仍布設3扇12m×10m 弧形鋼閘門。溢流堰上游曲線採用橢圓曲線X2/2.52+(1.5-Y)2/1.52=1，下游曲線採用Y=0.077X1.85的WES曲線，接一坡度為1.16∶1的直線段，下接一半徑R=4.87m、角度為49.26°的反弧段。

2.牛腿及閘墩

牛腿及閘墩根據溢流堰水面曲線及弧形鋼閘門尺寸、啟閉設備布置。弧門牛腿支鉸中心高程226.40m ，高於該處水面線高程225.88m；閘墩總長20.9m(由於取消了寬尾墩，比原方案縮短了2.8m)，墩厚2.0m，頂高程237.0m。

3.T形墩+消力戽

反弧段後接一長為4.34 m 的平段，其上布置9個高1m、長3m的T形墩，最後接一半徑R = 9.0m、角度為45°的消力戽，閘墩尾至消力戽末長度10.8m，戽末鼻坎頂高程211.65m ，閘墩末端消力戽淨寬40m。

4.左右岸導流牆

為了減弱左右岸回流影響，減輕水流對下遊河床及壩腳的淘刷，左右岸導牆(頂高程為223.31 m)向外擴散。左導牆擴散角為16.59°，長度為10.8m ，右導牆擴散角為7.84°，長度為15.52m。由於在模型試驗中發現右導牆末端處約有8m×8m的範圍被淘刷至207.66m(深3.88m) ，此處又正處於橫跨河床的F6 斷層處，所以設計上考慮在消力戽末端開始，從河床以下右導牆擴大為1.5m ，基礎應挖至206.5m ，然後用毛石混凝土回填。

按T形墩+消力戽方案布置後，壩上水電站溢流壩及消能工總寬度不變，底部總長29.7m ，比原方案縮短2.0m。

總結

壩上水電站由於特殊的地形地質及大流量、弱水躍、壩後式電站樞紐布置緊湊等問題，使大壩泄洪消能設計複雜，經分析計算及水工模型試驗，設定了T形墩+消力戽聯合消能工。工程於2000年1月試運行以來，泄洪多次，其中“2000/08/25”洪水時，3孔弧形閘門全開，最大下泄流量1700m³/s，上游最高水位228.0m，下游最高水位217.0m，T 形墩處水花濺起約20m。5年多的運行泄洪消能驗證，溢流堰未發現氣蝕現象，戽內消能充分，下遊河床及兩岸均未發現明顯沖刷，回流消失或極小，泄洪不影響電站正常運行，達到了較好的消能效果。也證明了T形墩+消力戽聯合消能工對低弗氏數的中低壩的消能效果是比較理想的。