CN114150631A - 一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，属于水利水电技术领域，主要包括：电站引水系统、坝身泄洪系统、泄洪洞泄洪系统，其中电站进出水系统包括电站进水口和电站尾水出水口；坝身泄洪系统包括坝身泄洪表孔、坝身泄洪深孔及坝后水垫塘；泄洪洞泄洪系统包括泄洪洞进口及泄洪洞出水口。各泄洪建筑物的出水口的布置根据各建筑物的泄洪功率及河道地形特点确定，充分考虑了各主要坝身消能区、发电尾水区、泄洪洞消能区的河道环境容量，在合理范围内保证各功能区相互影响最小化；本发明有效解决了窄河谷特大泄洪功率枢纽主要泄洪建筑物合理布置的问题。

Description

一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体公开了一种表基于河道容量的泄洪枢纽布置方法。

背景技术

随着我国大型水利水电工程建设的发展，带来较大的社会、经济、环境等方面的综合效益的同时，存在水头很高、下泄流量大的特点，对泄洪消能方式提出了很高的要求。

西南地区的河流大都具有高山深谷型的特点，枢纽泄洪多由坝身孔口和两岸隧洞共同承担。如二滩水电站，河谷狭窄呈V型，坝身7个表孔、6个中孔的双层泄水孔口布置，辅以布设在右岸的2条泄洪洞。小湾水电站地处高山峡谷，泄洪消能采用5个坝顶溢流表孔6个坝身中孔，左岸一条泄洪洞，坝后设水垫塘和二道坝的联合泄洪方案。溪洛渡采用7表孔、8深孔和4条泄洪洞的泄洪设施共同承担泄洪。泄洪洞设在厂房与大坝之间，左右各2条，其进口在厂房进水口与大坝坝肩间的缓坡台地。锦屏一级水电站枢纽布置方案为:混凝土双曲拱坝，坝身4个表孔+5个深孔+2个放空底孔+坝后水垫塘与右岸1条有压接无压泄洪洞。

窄河谷特大功率泄洪枢纽中，过水建筑物较多，各泄洪建筑物与电站进出水口密集布置，其布置方式与工程特点、坝址的地形，泄量分配等方面都有着紧密的关系。泄洪建筑物运行时的水力学问题在窄河谷地形中尤其突出，并极易对邻近建筑物产生直接影响，如泄洪时引起电站尾水大幅度波动会影响机组出力，泄洪雾化容易导致发电建筑物运行安全等。现有的枢纽布置往往基于工程量考虑，布置的较为紧凑，对运行时的相互影响预计不足，为了解决上述问题，我们提出了一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，解决现有的枢纽布置基于工程量考虑，布置的较为紧凑，对运行时的相互影响预计不足的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，包括坝身泄洪消能区、发电尾水区和泄洪洞泄洪消能区，所述坝身泄洪消能区与发电尾水区之间为第一典型断面地形，所述发电尾水区与泄洪洞泄洪区之间为第二典型断面地形，所述坝身泄洪消能区与发电尾水区之间的距离D₁₂由坝身泄洪流量Q_坝及第一典型断面地形确定；所述发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由两者之间的第二典型断面地形确定。

优选地，所述距离D₁₂包括水垫塘长度D_水垫塘、二道坝后调整段长度D_调整和河道长度D_河1，所述水垫塘长度D_水垫塘包括坝身水舌最大挑距L1和水舌落水点后最大水跃长度L2，其计算公式为：

D_水垫塘＝L1+L2

所述二道坝后调整段长度D_调整为水垫塘断面过渡到河道断面的长度；所述河道长度D_河1由设计泄洪工况下的河道水力半径d1确定，其计算公式为：

D_河1＞(16～18)×d1

当工程考虑河道水位波动影响时，计算公式为：

D_河1＞(19～20)×d1

所述距离D₁₂＞D_水垫塘+D_调整+D_河1。

优选地，所述D₁₂包括坝身水舌挑距L1和50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3，所述50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3由坝身最大泄量Q坝、坝身水舌碰撞点以下河谷面积S_雾和碰撞点到尾水出口高程差H_雾决定，其计算公式为：

L3≈32.7×Q_坝/S_雾×(2×g×H)^0.5

所述距离D₁₂＞L1+L3。

优选地，所述泄洪洞泄洪区的第二典型断面地形应满足单位水体消能率不大于15kw/m³，消能区水体长度与宽度范围应包括泄洪水舌落水点与落水点后跃长并留有10％的距离。

优选地，所述发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由电站正常运行尾水位Ht、泄洪洞运行后河道堆积体最大高程H_堆、电站正常运行时堆积体顶部水深h和河道平均水力坡降i共同确定，其计算公式为：

D₂₃＞(Ht-h-H_堆)/i。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，具备以下有益效果：

本发明提出了一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，对枢纽的主要功能区进行分区布置，在合理范围内将不同功能区之间的相互水力学干扰最小化，可以避免工程运行的影响效应重叠，合理控制各功能区环境影响，本发明有效解决了解河谷特大泄洪功率枢纽主要泄洪建筑物合理布置问题。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的枢纽总体布置平面示意图；

图2为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的总体布置剖面示意图；

图3为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的各分区距离示意图；

图4为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的坝身泄洪区与电站尾水区的距离示意图；

图5为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的雾滴喷溅示意图；

图6为本发明提出的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法的泄洪洞泄洪区距离示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-6，一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，包括坝身泄洪消能区、发电尾水区和泄洪洞泄洪消能区，坝身泄洪消能区与发电尾水区之间为第一典型断面地形，发电尾水区与泄洪洞泄洪区之间为第二典型断面地形，坝身泄洪消能区与发电尾水区之间的距离D₁₂由坝身泄洪流量Q_坝及第一典型断面地形确定；发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由两者之间的第二典型断面地形确定。

距离D₁₂包括水垫塘长度D_水垫塘、二道坝后调整段长度D_调整和河道长度D_河1，水垫塘长度D_水垫塘包括坝身水舌最大挑距L1和水舌落水点后最大水跃长度L2，其计算公式为：

D_水垫塘＝L1+L2

二道坝后调整段长度D_调整为水垫塘断面过渡到河道断面的长度；河道长度D_河1由设计泄洪工况下的河道水力半径d1确定，其计算公式为：

D_河1＞(16～18)×d1

当工程考虑河道水位波动影响时，计算公式为：

D_河1＞(19～20)×d1

距离D₁₂＞D_水垫塘+D_调整+D_河1。

D₁₂包括坝身水舌挑距L1和50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3，50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3由坝身最大泄量Q坝、坝身水舌碰撞点以下河谷面积S_雾和碰撞点到尾水出口高程差H_雾决定，其计算公式为：

L3≈32.7×Q_坝/S_雾×(2×g×H)^0.5

距离D₁₂＞L1+L3。

泄洪洞泄洪区的第二典型断面地形应满足单位水体消能率不大于15kw/m³，消能区水体长度与宽度范围应包括泄洪水舌落水点与落水点后跃长并留有10％的距离。

发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由电站正常运行尾水位Ht、泄洪洞运行后河道堆积体最大高程H_堆、电站正常运行时堆积体顶部水深h和河道平均水力坡降i共同确定，其计算公式为：

D₂₃＞(Ht-h-H_堆)/i。

本发明提出了一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，对枢纽的主要功能区进行分区布置，在合理范围内将不同功能区之间的相互水力学干扰最小化，可以避免工程运行的影响效应重叠，合理控制各功能区环境影响，本发明有效解决了解河谷特大泄洪功率枢纽主要泄洪建筑物合理布置问题。

实施例2：

请参阅图1-6，基于实施例1但有所不同之处在于，

1、根据初步设计方案，按照从上游到下游的顺序依次布置上游进水口区、坝身泄洪区、电站尾水区和泄洪洞泄洪区，其中上游进水口区包括左右岸电站进水口、泄洪洞进口及坝身进水口；坝身泄洪区包括泄洪表孔、泄洪深孔及坝后水垫塘，电站尾水区包括左右岸电站出水口，泄洪洞泄洪区包括泄洪洞出口和下游消能河道。

2、根据坝身泄洪消能时下游河道流速分布调整距离确定坝身泄洪区与尾水区的距离，降低坝身泄洪对电站尾水区河道流速的影响。根据该方面要求，坝身泄洪区到电站尾水区的距离应满足D_河＝(16～18)×d1，其中D_河为坝身消能区末端到尾水区第一个出水口的距离；当水垫塘后方河道有明显收缩时，D_河为尾水区上游最近的一个河道收缩断面与尾水区第一个出水口的距离；d1为设计工况下的河道典型断面水力半径，根据河道断面体型及水位流量关系计算得出根据坝身泄洪规模。坝身泄洪区与尾水区的距离应满足D₁₂＞D_水垫塘+D_调整+D_河1。

3、根据坝身泄洪消能导致的水位波动影响距离确定坝身泄洪区与尾水区的距离。坝身泄洪枢纽运行时，泄洪导致的尾水波动在河道内沿程衰减，衰减趋势与距离成正比。按照河道水位波动均方根值σ<0.5m控制，则河道水位波动衰减所需的长度与河道水力半径有近似拟合关系D_河＝20×d。因此，按照避免尾水区水位波动过大的要求，坝身泄洪区到电站尾水区的距离应满足D_河≈(20)×d1。坝身泄洪区与尾水区的距离应满足D₁₂＞D_水垫塘+D_调整+D_河1。

4、根据坝身泄洪雾化影响范围确定坝身泄洪区与尾水区的距离。泄洪雾化由坝身泄洪产生，与坝身泄量相关。将坝身水舌碰撞点高程至电站尾水出口高程范围内的河谷面积记为S_雾，不考虑空气阻力情况下，物体从水舌碰撞点高程下落至电站尾水出口高程时间记为t。雨强不高于50mm/h为控制标准，50mm/h雾化雨强等值线的最大影响距离与坝身泄量有近似线性关系，碰撞点与尾水区的距离可按照L3≈32.7×Q_坝/S_雾×t估算。坝身泄洪区与电站尾水区的距离D₁₂应满足D₁₂＞L1+L3。

5、泄洪洞泄洪区河道断面应满足单位水体消能率不大于15kw/m³，消能水体体积V泄＝S泄×L泄，其中S泄为泄洪区水位以下河道断面面积，L泄为消能区长度。消能区水体长度与宽度范围应包括泄洪水舌落水点与落水点后跃长。

6、当泄洪洞泄洪区河床为动床时，泄洪洞泄洪区与发电尾水区的距离D₂₃应足够长，以保证在正常发电工况下，泄洪洞泄洪后河道内堆丘导致的水位雍高不影响电站尾水高程。发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃应由电站正常运行尾水位Ht、泄洪洞运行后河道堆积体最大高程H_堆，电站正常运行时堆积体顶部水深h和河道平均水力坡降i共同确定，计算公式为：

D₂₃＞(Ht-h-H_堆)/i。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，包括坝身泄洪消能区、发电尾水区和泄洪洞泄洪消能区，所述坝身泄洪消能区与发电尾水区之间为第一典型断面地形，所述发电尾水区与泄洪洞泄洪区之间为第二典型断面地形，其特征在于，所述坝身泄洪消能区与发电尾水区之间的距离D₁₂由坝身泄洪流量Q_坝及第一典型断面地形确定；所述发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由两者之间的第二典型断面地形确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，其特征在于：所述距离D₁₂包括水垫塘长度D_水垫塘、二道坝后调整段长度D_调整和河道长度D_河1，所述水垫塘长度D_水垫塘包括坝身水舌最大挑距L1和水舌落水点后最大水跃长度L2，其计算公式为：

D_水垫塘＝L1+L2

所述二道坝后调整段长度D_调整为水垫塘断面过渡到河道断面的长度；所述河道长度D_河1由设计泄洪工况下的河道水力半径d1确定，其计算公式为：

D_河1＞(16～18)×d1

当工程考虑河道水位波动影响时，计算公式为：

D_河1＞(19～20)×d1

所述距离D₁₂＞D_水垫塘+D_调整+D_河1。

3.根据权利要求1所述的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，其特征在于：所述D₁₂包括坝身水舌挑距L1和50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3，所述50mm/h雾化雨强等值线最大影响距离L3由坝身最大泄量Q坝、坝身水舌碰撞点以下河谷面积S_雾和碰撞点到尾水出口高程差H_雾决定，其计算公式为：

L3≈32.7×Q_坝/S_雾×(2×g×H)^0.5

所述距离D₁₂＞L1+L3。

4.根据权利要求1所述的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，其特征在于：所述泄洪洞泄洪区的第二典型断面地形应满足单位水体消能率不大于15kw/m³，消能区水体长度与宽度范围应包括泄洪水舌落水点与落水点后跃长并留有10％的距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于河道容量的泄洪枢纽布置方法，其特征在于：所述发电尾水区与泄洪洞消能区之间的距离D₂₃由电站正常运行尾水位Ht、泄洪洞运行后河道堆积体最大高程H_堆、电站正常运行时堆积体顶部水深h和河道平均水力坡降i共同确定，其计算公式为：

D₂₃＞(Ht-h-H_堆)/i。

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