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水口水電站水位治理工程研究

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水口水電站水位治理工程研究

模型概況

根據(jù)工程的規(guī)模與試驗(yàn)的特點(diǎn),確定模型比尺采用100L的正態(tài)模型,模型設(shè)計(jì)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型各項(xiàng)比尺要素為:流速比尺10,流量比尺100000Q,時(shí)間比尺10t,河床糙率比尺10n。通過驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)河道糙率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使得模型達(dá)到了阻力相似的要求。

原方案上引航道通航水流條件

試驗(yàn)觀測(cè)了1530~16900m3/s共6級(jí)流量下的上引航道的水流流速及流態(tài)情況,在小流量時(shí)水流條件較好,基本滿足安全通航的要求,但隨流量增大,水流條件變差,船舶通航安全難以保證。當(dāng)流量較小時(shí)(Q=1530m3/s),壩前水位與工程未實(shí)施相比壅高較多,上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn)、流速小,通航及停泊水流條件均較好。但由于靠船墩和調(diào)順段均無隔流建筑物,隨著上游來流量增大,越來越多的水流由引航道內(nèi)從停泊段和調(diào)順段流入河道,在引航道內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)的斜向流。在Q=2550m3/s時(shí),調(diào)順段水流條件指標(biāo)已超出規(guī)范要求,隨流量的增大其水流條件進(jìn)一步變差。另外,航道內(nèi)有一部分水流透過靠船墩之間的空隙流出航道,流量較大時(shí),在停泊段局部區(qū)域出現(xiàn)明顯漩渦水流,其范圍隨流量增大而增大,特別是左側(cè)停泊段,停泊條件很差。當(dāng)水口下泄流量Q≥7000m3/s時(shí)流速指標(biāo)也超出了規(guī)范要求。由試驗(yàn)結(jié)果看出,原布置方案中存在的主要問題是:調(diào)順段及停泊段的通航水流條件差。由于沒有隔流墻的阻擋,進(jìn)入航道的水流直接從調(diào)順段斜向流出,在調(diào)順段產(chǎn)生了較大的縱橫流和回流,造成調(diào)順段通航水流條件惡劣,即使在較小流量下,其最大縱橫向流速依然超出規(guī)范要求。另外相當(dāng)一部分水流從靠船墩的間隙中流出,在停泊段產(chǎn)生了較大的橫流,又由于靠船墩的擾流作用,使得左側(cè)靠船墩附近區(qū)域在稍大流量時(shí),水流流態(tài)紊亂、停泊條件差。

優(yōu)化方案Ⅰ上引航道試驗(yàn)研究

1優(yōu)化方案Ⅰ上引航道布置

原設(shè)計(jì)方案中上引航道通航的主要限制條件是調(diào)順段水流條件和停泊段的停泊條件,為此優(yōu)化方案Ⅰ在調(diào)順段增設(shè)隔流墻、在停泊段的靠船墩上懸掛隔流板,消除河道水流對(duì)引航道內(nèi)通航的影響。為了減小引航道口門區(qū)橫向流速,靠船墩間的隔流板底端距河底保留一定距離,形成透水孔洞,根據(jù)理論分析計(jì)算,布設(shè)了9個(gè)透水孔,為使引航道內(nèi)水流平穩(wěn)漸進(jìn)變化,沿水流方向透水孔高度逐漸降低(圖2)。

2優(yōu)化方案Ⅰ的上引航道通航水流條件

對(duì)通航建筑實(shí)施優(yōu)化后,河道的水流波動(dòng)與流速大小不再影響引航道內(nèi)的通航水流條件;隔流板底部設(shè)置透水孔后,既能減少通航建筑物對(duì)水流的頂托、降低口門區(qū)橫向流速[7],同時(shí)流入引航道內(nèi)的水流由隔流板底部的透水孔流向河道,又能減少水流對(duì)表面流態(tài)的不利影響,可有效的改善引航道內(nèi)的停泊條件。通過模型試驗(yàn)看出,對(duì)引航道建筑物設(shè)計(jì)實(shí)施優(yōu)化后,上引航道內(nèi)及口門區(qū)的流速、流態(tài)在相同流量下較原方案有了明顯改善。在流量較小時(shí),上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn),調(diào)順段基本為靜水。隨著流量的增大,調(diào)順段并未受較大影響,仍保持了較好的通航水流條件。各級(jí)典型流量下,調(diào)順段水流條件均滿足通航要求。停泊段獨(dú)立靠船墩之間采取增加隔流板的工程措施后,航道內(nèi)的水流透過靠船墩間的底孔流入河道,相比原方案,通過停泊段流出引航道的水流大幅降低,引航道內(nèi)的縱橫流速也隨之減小。同時(shí)大大消除了靠船墩附近的不良流態(tài),改善引航道的停泊條件,有效地提升通航建筑物的最大通航流量。由表1可以看出,優(yōu)化方案Ⅰ調(diào)順段水流條件能滿足通航要求,引航道內(nèi)的停泊段停泊條件亦得到改善,但水口電站下泄流量Q>10000m3/s后,僅內(nèi)側(cè)(岸側(cè))引航道的停泊條件滿足要求,而且口門區(qū)水流條件也較差。若要保證通航建筑物在最大通航流量Q=16900m3/s時(shí)滿足安全通航要求,需采取進(jìn)一步的工程優(yōu)化措施來改善停泊段及口門區(qū)的水流條件。

優(yōu)化方案Ⅱ上引航道試驗(yàn)研究

1優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道布置

為改善引航道內(nèi)的水流條件,優(yōu)化方案Ⅱ?qū)⒏袅鲯彀鍙目看涨岸讼蛏嫌窝娱L215m、透水孔設(shè)置位置亦上移同樣的距離,透水孔的大小與變化規(guī)律同優(yōu)化方案Ⅰ,為降低大流量下口門區(qū)橫向流速的大小,延長段隔流掛板的頂高程降低3m,由17.00m降至14.00m,船閘上引航道其余布置同優(yōu)化方案Ⅰ(圖3)。

2優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道水流條件

模型試驗(yàn)顯示,引航道隔流掛板向上游延伸后,引航道內(nèi)的靜水范圍亦向上游推移約200m,引航道內(nèi)水流流態(tài)更加平穩(wěn),在來流量Q≤16900m3/s下,引航道內(nèi)的全部靠船泊位的水流條件均滿足規(guī)范要求。由于隔流建筑物延伸段高程由17.00m降低至14.00m,當(dāng)來流量Q>10000m3/s后,部分來流量開始由隔流建筑物頂部溢出流入河道,即可增加引航道口門段流量,又可減弱通航建筑物對(duì)水流的頂托、阻擾作用,降低橫向流速,改善水流流態(tài)。同時(shí)進(jìn)入引航道內(nèi)的水流全部由延伸段隔流掛板的底部透水孔和板頂缺口溢出,停泊段內(nèi)除受上游段水流運(yùn)動(dòng)慣性影響存在回流外,水面基本靜止,水流條件滿足正常停泊要求,具體數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)語

1)無閘溢流壩上游引航道水流條件較差,來流量對(duì)安全通航影響明顯,若采用獨(dú)立靠船墩結(jié)構(gòu),停泊條件難于滿足規(guī)范要求;同時(shí),在調(diào)順段外側(cè)(河道側(cè))需要設(shè)置隔流建筑物將引航道與河流隔開,否則調(diào)順段的水流紊亂、流態(tài)差、縱橫流速大,當(dāng)上游來流量Q>7000m3/s后其水流條件不符合安全通航要求。2)通過調(diào)順段增設(shè)隔流墻和靠船墩上掛隔流板,可使引航道調(diào)順段與河道主流之間隔開,減少水流進(jìn)入引航道,降低其縱橫流速,改善停泊條件,有利于船舶安全停泊。設(shè)置于隔流掛板底部的透水孔,能夠弱化通航建筑物對(duì)來流的阻礙作用,減小口門區(qū)橫流流速,增強(qiáng)船舶進(jìn)出閘的安全性,優(yōu)化方案Ⅰ實(shí)施后可抬高最大通航流量至Q=10000m3/s。筆者在靠船墩上掛隔流板的方法,不僅能有效地改善引航道的通航條件,而且造價(jià)低廉,施工簡(jiǎn)單高效,在同類工程具有廣泛的應(yīng)用前景。3)延長上游引航道隔流板(墻)是改善無閘溢流壩上游引航道停泊水流條件的有效方法,通過延長隔流板,可使停泊段遠(yuǎn)離口門區(qū),受來流慣性作用的水流也很難到達(dá)此處,明顯地改善了停泊水流條件。降低口門區(qū)段隔流板高度的方法,即可增加引航道口門段流量,又可減弱通航建筑物對(duì)水流的頂托、阻擾作用,降低橫向流速,改善水流流態(tài),通過優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案后,壩下水位治理工程上游引航道的安全通航流量可提高至Q=16900m3/s,滿足了該河段的通航要求。(本文作者:王慶龍、陳野鷹、扈曉雯、彭凱 單位:重慶交通大學(xué)、中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)