维普资讯 http://www.cqvip.com 2OO7年第3期 20【玎NIII ̄I"3 湖北水力发电 HUBEI 厦R POWER Total No. 7O 总第70期 文章编号:1671—3354(2oo7)o3—052—06 丹江口工程大坝加高后的几个水力学问题 段文刚,张晖,侯冬梅 430010) (长江科学院水力学研究所,湖北武汉摘要:依托I:100水工模型试验成果,重点介绍了丹江口大坝加高后的几个水力学问题如泄流能力、坝面压力特性、河 床局部冲刷、下游河道流速流态、泄洪对电厂及航运的影响等。研究显示:大坝加高后泄流能力可满足设计要求,坝下河 床冲刷加重,挑距加远,设计洪水22 300 m3/s时坝下冲坑最低点高程为43.0 m,各级泄量冲坑上游坡均缓于临界坡,也 略缓于初期工程同级流量冲坑的上游坡;坝下6OOm以内为护岸工程重点防护段,岸边流速为5.8~9.8 m/s;泄洪对丹江 口电厂影响较小,对自备电站不利影响较为显著;最大通航流量6 200 m3/s时下游引航道口门区流态复杂,水流较混乱。 关键词:大坝加高;泄流能力;岩基冲刷;坝面压力;通航条件;流速流态 中图分类号:TV135 文献标志码:A Itydraulic problems caused by heightening of 1)anjian ̄ou Dam DUAN Wengang,ZHANG Hui,HOU Dongmei (Hydraulics Research Institute,Yangtze River Scientiifc Academy,V/uhan 430010,China) Abstract:The hydraulic condition after Danjiangkou Dam being heightened is researched by 1:100 hydraulic model test,the result shows that the discharge capacity meets the design objective,the bedrock of downstream channel is scoured more se'ri— .ously;the jet flow distance is longer than before,the lowest elevation of SCour pit(corresponding to design lfood 22 300 m3/ s)come8 up to 43.0 m,the slopes of¥o._otlr way(corresponding to diferent discharge lfow)are less than the critical slop and less than the slope in early operating days,protection should be stressed Oil the 600 m long downstream banks; flow velocity near bank is 5.8~9.8 m/s;the flood discharge influences a little on power generation;the flow condition in the entrance of downstream approach channel is more complex(corresponding to the lnaxilnUlTl navigation discharge 6 200 m3/s). K呵WOrds:dam heightening;discharge capacity;bedrock scour;pressure Oil dam;navigation condition;flow velocity condi— tion 丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市汉江干流 上,具有防洪、供水、发电、航运等综合效益,是开发治 理汉江的关键工程,是南水北调中线提供重要的水源 工程,丹江口工程分期兴建。初期工程1958年9月正 式开工,19r73年底全部建成。后期续建工程混凝土坝 顶高程176.6 m(大坝加高14.6 m),正常蓄水位170 m, 保坝洪水位174.35 m,总库容339.1亿m3,电站装机 900 Mw,过坝建筑物可通过300 t级驳船。大坝洪水 标准按1 000年一遇洪水设计,可能最大洪水(10 000 年一遇洪水加大2o%)校核。大坝加高后枢纽特征水 位、流量见表1,河床坝段平面布置见图1。本文介绍 丹江口大坝加高工程1:100水工整体模型试验研究主 收稿日期"-2007—03一O1 作者简介:段文刚,男,工程师。 52 要成果。 表1大坝加高工程枢纽特征水位流量表 项目 鞲 维普资讯 http://www.cqvip.com 段文刚等:丹江口工程大坝加高后的几个水力学问题 2OO7年5月 曩。 。。o o 。 。 @ ///。 。 @ 栅 。 @。@ 。 ・ @ @ @。 口 0I吕媚I吕媚l吕由吕l口I口 图1大坝加高工程河床坝段平面图 1泄洪水流特性 鲁fH ___}___ 1.1泄流能力 加醯 ∞弛 深孔泄流能力在低库水位下略小于设计值(约为 1%),随着库水位的逐步抬高,试验成果与设计计算成 果趋于一致,流量系数在0.873~0.904之间;表孔泄 流能力与设计计算值吻合较好,随着库水位的升高,表 孔溢流坝段下泄流量逐步加大,且流量系数逐步增大, 试验条件下流量系数在0.429~0.471之间,泄流能力 满足设计要求;表孔及深孔联合过流时,试验成果与设 计值吻合较好,二者基本趋于一致。见图2、3。 图3表孔及联合泄流能力曲线 内均出现不同程度的负压,且随泄量的加大,负压区范 围加大,负压值也随之加大。设计22 300 m3/s泄量下 (库水位172.3 m),最大负压值为一3.0×9.81 kPa;保 坝47 400 m3/s泄量下(库水位175.0 m),最大负压值 为一4.6×9.81 kPa。初期工程运行过程中也经历过 多次泄洪考验,如1975、1979及1983年洪水。1979.年 库水位在156.41 m泄洪时,原型观测坝面未发现负压 现象,门槽下游边出现4.7×9.81 kPa的负压;1983年 汉江出现特大洪水,库水位达160 m,运行水头22 m, 图2深孔单独泄流能力曲线 坝面出现2.92×9.81 kPa的负压,门槽下游出现 7.4×9.81 kPa自勺负压,但泄洪后原型观测表明,坝面 1.2表孔堰面时均压力 及闸墩并未发生空蚀破坏。大坝加高后表孔运行水头 大坝加高后,表孔堰顶高程为152 m,堰面曲线仍 同初期工程基本一致(试验条件下万年一遇洪水表孔 采用初期的型式,即堰头采用双圆弧,半径分别为 运行水头与1983年洪水相近),根据以往多次原型观 0.4 m和1 m,堰面曲线采用WES曲线,曲线方程为 测成果,由于大坝加高后表孔仍采用原溢流曲线,预计 X ~=2 。_ y,设计水头 =20.02 m。后接坡度为 坝面不致出现严重的空蚀破坏。 1:1的直线段,然后接反弧段,反弧半径25 m,鼻坎高 1.3坝下河床局部冲刷 程115 m,鼻坎挑角26.14。。试验表明各级特征流量下 坝面压力分布规律基本趋于一致,堰顶下游20 m范围 泄洪射流水股挑离鼻坎后,在空气中掺气扩散跌 人下游河床,在水下淹没扩散。冲刷坑的深度与尾水 53 维普资讯 http://www.cqvip.com 湖北水力发电 2O07年第3期 水深共同组成水垫总水深,射流水股的动能在水垫内 消散。为研究大坝加高后坝下河床泄洪冲刷情况,试 验选取20%、5%、2%、1%、0.1%、0.01%及保坝条件 等7级特征洪水,且对每级泄量都采取两种以上不同 运行方式共l5组工况进行了系列冲刷试验,成果列于 表2。 表2坝下局部河床冲刷形态特征值表 成果表明:随着下泄流量加大,冲刷深度有加深的 游,且最深点高程降低,冲刷加深,说明表孔水舌能量 对坝下冲刷影响较大。此外,18坝段下游中隔墙尾端 趋势,而且由于水舌挑距增加,冲坑最低点距鼻坎的距 离也愈远,冲坑上游坡亦愈加陡峭。1 000年一遇洪水 22 300 m3/s时坝下冲坑最低点高程为43.0 m,保坝洪 水47 400 m3/s时坝下冲坑最低点高程为28.6 m,冲刷 深度为57.4 m,最深点出现在23坝段下游,主要是由 处于冲坑影响范围之内,100年一遇及以上泄量条件 下,该部位河床冲刷高程均在75 m以下。 2下游河道水流特性 2.1流速流态 于20号边孔侧墙向河心偏转7。角,使其水舌向右偏 移,导致与相邻17、l8、19号表孔水舌叠加,使入水单 宽流量加大造成的,冲坑最低点距鼻坎180 m,冲坑上 游坡为1:3.1。各级试验泄量下冲坑上游坡均缓于临 界坡,也缓于初期工程同级流量冲坑的上游坡。成果 100年一遇及以下泄量运行时,基本运用深孔和 14~17坝段表孔泄洪,19~24坝段未参与泄洪。挑流 水舌外缘落点下游区域旋滚剧烈,右岸进厂公路9.80 亦表明,对于同一级洪水,由于调度方式不同,坝下冲 坑最深点部位及高程均有所不同。在原调度方案下, 尽量多开深孔,少用表孔。如泄洪组次8、10、12、14方 案,冲刷坑最低点部位均在13、l4坝段下游,主要是深 断面(坝轴线以下200 m,坝轴线坐标为10.O0 km,其 余依次类推)附近,水流旋滚强烈,对岸坡淘刷影响不 容忽视。由于泄洪水流左侧扩散作用,泄洪区下游流 速流向向左偏转。冲坑下游由于堆丘的阻隔,下游河 道基本形成两个主流带:其一沿右岸进厂公路边坡受 孔与相邻表孔水舌叠加,使入水单宽流量加大引起的, 而且最深点距鼻坎较近。若将上述泄洪调度原则稍作 变动,减少深孔开启孔数,适当增加表孔运用孔数,即 局部河床地形影响呈波状流速带下泄,随后受下游航 道导墙的平面挑流作用斜向汇入河心;其二泄流出中 导墙横向(或斜向)扩散后与大电站尾水交汇沿左边坡 下泄,两主流至下游河道8.60断面上下交汇在一起, 保持深孔开启5孔,如9、11、13、15组次方案,可以看 出,冲刷坑最低点向左移动,多集中在16、17坝段下 54 , 之后基本居河道左侧深槽下泄(见图4、5)。由于堆丘 维普资讯 http://www.cqvip.com 段文刚等:丹江口工程大坝加高后的几个水力学问题 2007年5月 的阻隔在其下游形成一个不稳定的回流区。坝下600 2.2泄洪对电厂的影响 m以内为护岸工程重点防护段,尤以右岸为甚。在护 岸工程设计标准50年一遇及以下洪水条件下,该区域 右岸岸边流速在5.8—9.8 m/s之间;左岸岸边流速在 3.0 6.6 m/s之间。断面9.10以下河道两侧近岸区 丹江口电厂(大电站)为坝后式厂房,位于河床左 部25 32坝段下游,长175.5 m,装机6台,总容量 900 MW,电站引水进口底板高程为v 115 m,尾水管出 口底板高程为v 75.567 m。电站厂房设计洪水标准为 域为顺向缓流区,流速为0.5—2.0 m/s,伴有微弱回流 产生,对岸坡的冲刷及淘刷影响较轻,有利于两岸边坡 防护。此外,20年一遇洪水下泄12 370 m3/s条件下, 200年一遇,校核洪水标准为1 000年一遇。试验各级 泄量下,库水位在165.8 175.0 m,下游尾渠水位在 91.2—108.6 m运行时,上游电厂进口前水面平静,均 断面9.10以下由于河道突然展宽,两侧开始形成不稳 未发现漩涡等不良流态出现。在电站运行条件下(100 定微弱回流区,水流较为混乱,流速流向不稳定,有阵 年一遇及以下流量),电厂尾水出流较为平顺,底部顺 发性回流斜流产生。而且,溢流4号表孔水舌沿鼻坎 向流速在1.1 2.2 m/s之间;随着下泄流量的加大, 向左侧扩散,其水舌外缘落点距下游中导墙很近,约为 泄洪坝段泄流左侧扩散后与电厂尾水交汇,对其影响 8 m,对中导墙基础的冲刷不利。 渐大;尾渠内有轻微泡水流态,水面波动较小,电厂尾 渠流速、波浪见表3、4。 表3电厂尾渠流速表 , 泄量 自备防汛电站 大电站尾渠底 大电站尾渠 /(m3・S一 )尾渠流速/(m・S一 )部流速/(m・S一 ) 水位/m 图4 50年一遇洪水(Q=13 680 m3/s)泄洪流态 注:数据为原调度方案下成果,除6 200 m3/s外其余流量级深孔 均开8孔(5~12号) 表4电厂尾渠波高表 m 5 100年一遇洪水(Q=17 170 m3/s)泄洪流态 随着下泄流量的加大,如在1 000年一遇及以上 洪水运行时,泄洪19 24坝段开始运用,河道主流区 不再明显,基本呈满河槽下泄流态。自备防汛电站尾 渠处于强烈旋滚回流区,泄洪坝段泄流出导墙左侧扩 散后在大电站尾渠内形成回流,且随泄量继续加大,回 下泄流量加大至1 000年一遇22 300 m3/s时(此 流的范围和强度愈大,最大回流流速约为3.7 m/s。此 时电厂已关闭),19 24坝段开始泄洪,受泄流左侧扩 外,在断面9.10以下,由于河道边界突然展宽,使水流 散影响,在其尾渠形成微弱回流,回流沿尾水平台右 产生扩散作用,两侧各形成侧向回流区,左岸回流流速 行,回流流速为1.76 m/s。当泄量继续加大至10 000 10 000年一遇泄量下最大约为3 m/s,右岸回流强度略 年一遇34 400 m3/s及保坝条件47 400 m3/s时,进厂公 小,流速为1.74 m/s。下游河道右侧大片滩地仍处于 路和尾水平台全部被洪水淹没,尾水渠内形成一个逆 低速行进区。 时针的大回流,且随泄量加大,回流范围增大,强度也 55 维普资讯 http://www.cqvip.com 湖北水力发电 2O07年第3期 更趋强烈,可能引致该区域发生淤积。19—24坝段泄 洪时,由于表孔挑流水舌下水位低,电厂尾渠水位高, 引致厂坝导墙两侧形成水位差,产生横比降和横向流 速,故回流沿尾水平台翻越导墙进入表孔水舌下。各 级泄量下,除保坝条件下泄洪在大电站尾渠下游产生 淤积外,其他条件下均无淤积。 此外,在19 24泄洪坝段运行时,表孔水舌沿鼻 坎左侧扩散后,其水舌外缘距厂坝导墙较近,最短约 10 m左右,运行时应密切关注闸门运行方式,注意闸 门启闭顺序,防止高速挑流水舌直接冲击在导墙及厂 房上,对机组的平稳运行不利。 厂房侧墙2 3_m),对电厂正常运行不利。试验过程 中,将2号深孔尾端右侧横向扩散取直,体型修改后进 行同级泄量放水试验,发现水舌流态良好,略向左偏 移,试验测得水舌边缘距厂房侧墙约6 Il'l左右,较修改 前距离明显加远。而且体型修改后未见其他不利 影响。 2.3泄洪对航运的影响 根据通航水流标准要求,①引航道口门区表面流 速:纵向流速vr≤2.0 m/s,横向流速 ≤O.3 m/s,回 右岸自备防汛电厂进水口利用8坝段泄洪深孔右 边1号孔改建而成,进口孔底高程113 m,孔口尺寸 5×6 m22台20 MW防汛自备电厂布置在混凝土坝右 ,流流速Vo≤0.4 m/s,②航线上的波高高度不大于 0.5 0.6 m;③水流方向与航道中心线的夹角不宜大 于15。。丹江口通航条件最大流量6 200 m3Is,相应下 游水位93.08 m;最小流量200 m3Is,相应下游水位 88.3O m。在电厂过流2 000 m3Is条件下,下游航道口 门区流态较好,基本处于顺向缓流区,水面平静,水位 波动甚小,最大波高0.2 In,表面纵向流速最大约 岸联结坝段下游岸边。自备电厂距常用泄洪坝段近, 受深孔泄流及其边界岸坡条件影响(右侧岸坡对深孔 水舌泄流的顶冲作用),试验特征洪水运用工况条件 下,在其尾水渠内均出现不同程度的回流,且随下泄流 量的加大,该区域内回流强度有加剧的趋势,水面波动 也随之加强,与大电站尾水波动相比显著为大。此外, 由于泄洪深孔挑射水流距右岸自备电厂较近,泄洪时 产生的雾化水气对电站电气设施的不利影响应引起重 视。特别在1 000年一遇洪水开启深孔2号边孔时,挑 流水舌因掺气而出现的跳动水花擦厂房边墙而过(距 1.68 m/s,回流及横向流速均很微弱,斜流效应很小, 利于船只行驶;通航最大流量6 200 m3Is时下游引航 道口门区前面大片的广阔水域(断面8.90—9.15之 间)处于不稳定的回流区,水面有波浪,由于阵发性逆 向水流及斜流运动使该区域水流混乱,流态复杂,流速 流向不稳定。VI门区内水面最大纵向流速为0.9 m/s, 最大回流速度为1.3 m/s,横向流速为0.4 m/s,最大波 高0.4 m,船只进出引航道口门较为困难。见表5、6。 m 表5下游航道口门波高表 56 维普资讯 http://www.cqvip.com 段文刚等:丹江VII程大坝加高后的几个水力学问题 20o7年5月 3结语 (4)下游河道坝下600 m以内为护岸工程重点防 护段,尤以右岸为甚,在护岸工程设计标准5O年一遇 及以下洪水条件下,该区域右岸岸边流速为5.8~ 9.8 m/s,左岸岸边流速为3.0~6.6 m/so (1)深、表孔单独过流及其联合过流三种工况泄流 能力试验表明,试验成果与设计计算值吻合较好,可满 足设计泄流能力要求。 (2)各级特征泄量下堰面压力分布规律趋于一致, 坝面均出现不同程度的负压,且随泄量的加大,坝面负 (5)在电站运行条件下,泄洪对大电站影响较小, 其尾水出流较为平顺,水面波动较小。而自备防汛电 站尾渠内在试验条件下均出现不同程度的回流,表明 泄洪对其平稳运行不利,但可经泄洪调度优化得到 改善。 压区分布的范围有加大的趋势,负压值也随之加大。 (3)坝下河床冲刷试验成果表明:随着下泄流量加 大,冲坑最低点距鼻坎的距离愈远,冲刷深度加深。设 计洪水22 300 m3/s泄量下,坝下冲坑最低点高程为 (6)通航过流2 000 m3/s时下游航道口门区通航 水力条件良好,水面平静,利于船只行驶。通航最大流 量6 200 m3/s条件下,下游引航道口门区水流混乱,流 态复杂,不利船只行驶。 43.0 m,保坝洪水47 400 m3/s泄量下,坝下冲坑最低 点高程为28.6 Ill,各级泄量冲坑上游坡均缓于临界 坡,也略缓于初期工程同级流量冲坑的上游坡。 (上接第32页) (3)工程成本低 6结语 机械化施工成本与人工衬砌对比(分析单位:3 000 m2本处只分析混凝土浇筑这一项,导轨铺设拆除 ,借助南水北调工程这个工作平台,在总结国内外 最新研究成果的基础上潜心研究试验,不断提高、创 新,研发既适合南水北调工程时代特点、又满足机械化 费用与垫层压实均分)见表6。 表6工程成本对比表 元 大生产的高效优质的机械化衬砌设备及施工技术,为 渠道衬砌机械化施工积累了宝贵的施工管理经验。机 械化衬砌混凝土施工工艺的应用能够满足工程设计要 求,速度快、工程成本低,并且进一步提高了混凝土表 观和内在质量。对于建设时间紧、工程量大、质量要求 高的衬砌工程,采用大型渠道混凝土机械化衬砌成型 通过表6可以看出:仅混凝土浇筑这一项人工衬 砌3.33元/m2,机械化衬砌2.45元/m2。 设备将是保证施工质量、降低工程运行成本的必然选择。 湖北清江水布垭电站开始二期蓄水 湖北清江水布垭电站6月21日17时开始二期蓄水,为该工程今年7月首台机组投产发电奠定了基础。 清江水布垭电站设计安装4台水轮发电机组,最大出力184万kW,去年1O月19日实现一期蓄水。二期下闸 蓄水前,由中国水电工程顾问集团公司等单位组成的安全鉴定专家组,对水布垭电站二期蓄水进行了安全验收 鉴定。 目前水布垭坝前水位海拔高程259 m。综合考虑水布垭库区水文特点和各方面协商意见,阶段性库水位控 制要求为:5月1日前按280 m高程控制,5月11日前按300 m高程控制,6月1日前按330 m高程控制,6月21日 达到347 m高程以上。未来两个月时间里,水布垭库水位将上升88 m以上。 7月份水布垭首台机组具备投产条件。由于建设各方全力以赴强化关键环节施工,加强土建施工与机电安 装的协调、配合,目前净高233 m的世界最高混凝土面板堆石坝——水布垭大坝的面板浇筑已经全部完成,一号 机组安装调试正在紧张进行。 水布垭电站位于湖北省巴东县境内,是国家第一个水电流域开发试点——清江梯级电站开发的龙头工程,属 国家“十五”和“十一五”规划重点建设项目。 (摘自http://www.qo1.qde.eom.cn) 57