通过旋流泄洪洞型式比选、体型优化和空化特性的大量研究工作,结合公伯峡水电站工程地形地质条件和运行的特点,设计确定了公伯峡水电站右岸旋流泄洪洞的型式和各部位体型。试验验证表明,设计方案满足设计泄量和消能率的要求,适应竖井上部围岩稳定性差的地质条件,较好地解决了抗空蚀问题,改善和减小了对下游河道的冲淤。因此,该方案优于原设计的“龙抬头”方案,是导流洞改建成永久泄洪洞的一种新型式。公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞,最大运行水头105m,最大泄量达1060m3/s的成功应用,在国内属首次采用。
公伯峡水电站采用的竖井水平旋流消能泄洪洞型式和体型,通过设计和试验研究,可得出以下结论:
(1)竖井旋流消能泄洪洞和水平旋流消能泄洪洞流量及消能率都能满足设计要求。但竖井旋流消能泄洪洞竖井段偏短,在竖井内水流环向旋流流态不稳定,消能主要由竖井底部的消力池水垫来完成,竖井结构振动较强烈且竖井直径大,施工安全风险较大。采用水平旋流消能泄洪洞的型式,可减小竖井施工风险和竖井结构振动,适应了竖井上部围岩为古风化花岗岩的不利工程地质条件,同时节省了工程投资。
(2)通过对旋流消能泄洪洞进口流态的比较研究,旋流消能泄洪洞进口采用淹没流流态,使竖井上部成为管流,入流顺畅,水流平稳,减少了水流脉动对钢筋混凝土衬砌和围岩的影响。
(3)起旋室是形成旋流的关键部位,起旋室及升坎部位又是空化空蚀的敏感位置,为提高其抗空蚀性能采用了两项措施:一是在竖井中上部设环形掺气坎,坎下用通气管补气,提高起旋室及升坎部位的掺气量;二是优化起旋室体型,即导流坎采用开口和削坡的体型,并在升坎后旋流段进口处设收缩环,提高起旋室及升坎部位的压力,较好地解决了抗空蚀问题。
(4)竖井掺气坎下部能形成较稳定的空腔,保证通气顺畅,泄流流量是由环形掺气坎控制,起旋室进口面积必须与环形掺气坎过流面积相匹配,当掺气坎坡度为1∶2.5~1∶3.0时,ω/A宜控制在1.05左右。(www.xing528.com)
(5)旋流洞及水垫塘是水流消能的主要部位,其消能和抗空蚀两个方面应综合考虑。采用体型突扩或急剧变化,有利提高消能率,但易造成边壁负压和脉动压力大的不利情况;采用渐变或流线型体型,可减小边壁负压和脉动压力,但对消能率有一定影响。经综合试验研究,最终采用水垫塘进口长渐变段和出口边底流线型坎的方案,既提高抗空蚀性能,保证运行安全,同时也满足消能率要求。
(6)水平旋流消能泄洪洞的防空蚀是本单项工程是否能安全运行的关键问题之一,其措施主要是采用合适体型的边界条件和掺气措施来提高掺气浓度和提高边壁压力。
(7)水平旋流消能泄洪洞的消能率达86.5%以上,退水洞段内的流速小于15m/s,导流洞混凝土衬砌可满足要求,不需进行特殊改建处理。
(8)出口利用原导流洞的出口已建成挑流鼻坎,在下泄设计或校核洪水时,下游水位较高,水流为面流衔接;下游水位低时,为挑流衔接。各工况下,下游河道冲淤情况有所改善,因此,挑流鼻坎不需改建。
综上所述,公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞内消能工的型式在技术上是可行的。
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