一种海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的设计方法
技术领域
本发明涉及一种海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的设计方法，是一种水利工程的设计方法，是一种海水抽水蓄能电站的附属构筑物的设计方法。
背景技术
抽水蓄能电站是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。
海水抽水蓄能电站以大海作为下水库，在地理位置和地形合理的海岸山地上修建上水库。海洋边界条件下，除传统水力学问题外，波浪对抽水蓄能电站的运行会产生较大影响。尤其在海浪较大的情况下，大浪传播到工程附近，一方面会影响尾水围护防波堤的稳定性，另一方面还会造成下水库内水位较大的波动，进而影响电站的安全平稳运行。由于海水抽水蓄能电站应用量甚少，缺乏对可应用与下水库尾水围护的防波堤结构型式的相关研究，设计方法则更为缺乏。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的设计方法。所述的方法选择垂直挡板式透水防波堤为防波堤的基本结构，并通过一系列步骤精准确定垂直挡板式透水防波堤的各项参数，为海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的布置、透水防波堤结构型式的选取及工程设计提供了适用性的参考依据。
本发明的目的是这样实现的：一种海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的设计方法，所述的尾水围护是至少一排垂直挡板式透水防波堤，所述透水防波堤的堤身下部设有若干矩形透流孔，所述透流孔下边缘至防波堤底部段设有挡沙坎，所述方法的具体步骤如下：
步骤1，分析透水防波堤需求：分析透水防波堤的功能需求，从防波、透流、防沙、防漂和易清理方面提出所述透水防波堤结构的基本要求；
步骤2，确定防波堤的基本参数：获得电站的规划装机容量，从而确定规划装机容量下的最大取或排水流量Q，调研包括地形、地理位置在内的电站所在海域的条件，从而获得透水防波堤的长度L及透水防波堤前水深d；针对不同的环境流条件根据电厂机组能够安全平稳运行的水位波动要求，获得透水防波堤堤后允许波高Hs；
步骤3，获取透流孔水体限制流速：通过调研电站所在海域水文和海生物浮游特征资料，从对周围海域水体环境的影响角度考虑，得到不易发生漂浮物卷吸至透流孔和海生物可游离挣脱的透流孔水体限制流速v；
步骤4，得到透流孔参数：根据水库防止漂浮物和挡沙要求以及从后期容易清理、结构稳定、强度、过孔流速要求和排水流速要求方面考虑透水防波堤上透流孔的开孔尺寸和间隔，确定开孔的上下位置限制；
步骤5，计算透流孔高度：根据电站最大取水或排水量Q、防波堤长度L和透流孔水体限制流速v以及开孔宽度Bs、开孔间隔Ds，计算透流孔开孔高度B：
步骤6，模型实验：通过波浪物理模型试验验证堤后透射波高Ht是否满足要求Ht≤Hs，若满足要求，则可确定所述透水防波堤的结构型式；若不满足要求，则调整透流孔开孔宽度Bs或高度B，并判断开孔尺度是否超出限制范围，如果超出限制范围则在当前防波堤后再增设一排或多排所述透水防波堤，以满足下水库堤后透射波高Ht≤Hs的要求。
本发明的优点和有益效果是：本发明通过总结海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的防波堤结构，包括防波、透流、防沙、防漂和易清理等方面基本要求，提出了一种能够兼顾各方面功能的透水防波堤结构型式——垂直挡板式透水防波堤，从防漂的角度，垂直挡板式透水防波堤不易吸附或勾连漂浮物，通过所述的垂直挡板式透水防波堤的设计方法，能够实现下水库防波堤结构型式的精准确定，为海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的布置、透水防波堤结构型式的选取及工程设计提供了适用性的参考依据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例所述方法所述涉及的垂直挡板式透水防波堤的结构图；
图2是本发明实施例所述设计方法的流程图。
具体实施方式
实施例：
本实施例是一种海水抽水蓄能电站下水库尾水围护的设计方法，所述的尾水围护是至少一排垂直挡板式透水防波堤，所述透水防波堤的堤身1下部设有若干矩形透流孔2，所述透流孔下边缘至防波堤底部段设有挡沙坎3，如图1所示。
本实施例所述的设计方法所涉及的是海水抽水蓄能发电站下水库尾水的围护，所述的围护即为在抽水蓄能发电站的防波堤。本实施例选中的垂直挡板式透水防波堤的基本结构是竖直的板状堤身，由钢筋混凝土构成，板状堤身在水下部分设有矩形的透流孔，透流孔设计为矩形主要是设计和建造都比较方便，成本低廉，如果设计为圆孔则需要将矩形孔的长宽尺寸换算为圆形孔的当量直径。
下水库尾水围护结构需要达到防波和透流等两方面的基本要求，而这两方面处于相互矛盾、相互制约的关系。该结构需要透水，则需要在结构内部开孔，与此同时外海波浪将传入防波堤围护水域。开孔的大小决定了透过该结构的水体流速，流速的大小决定了对周围水域影响的大小。若开孔面积越大，过孔水体流速越小，对周围水域影响越小，而由此导致外海透射至堤内侧(下水库)的波浪能量增大，进而影响电站的安全平稳运行。因此，需要通过调节开孔大小和结构布置方式的手段以寻求防波和透流两者的平衡。
本实施例的基本思路是：通过调研和获取抽水蓄能发电站下水库的围护设计要求以及相关的各个参数，确定竖直挡板式透水防波堤的透流孔的宽度和高度上下限，以及透流孔的水体限制流速。通过透流孔水体限制流速以及相应的透水防波堤的相关参数计算出透流孔的高度，之后构建物理模型，通过模型试验验证透流孔的高度是否在堤后允许波高的限制范围内，如果超出允许波高的限制就需要调整透流孔的高度，如果透流孔的高度超出了事先设定的上下限，就要增加防波堤的排数，直至满足堤后允许波高的限制。本实施例所述的透水防波堤是一种竖直挡板式透水防波堤，堤身为直立的平板，堤身下部开孔用于透流，上部挡浪，通过透水防波堤所处海域最小水深和过孔限制流速，调节开孔高度B以实现该结构防波和透流两者的平衡。
所述方法的具体步骤如下，所述方法的流程如图1所示：
步骤1，分析透水防波堤需求：分析透水防波堤的功能需求，从防波、透流、防沙、防漂和易清理方面提出所述透水防波堤结构的基本要求。
根据电站所处海域的客观条件，提出透水防波堤的防波要求，即堤后的波高限制，以及透流的数量。还需关注过多的泥沙进入尾水库中，以防止库中淤积大量泥沙，减少库容。防漂和易清理是防止杂物过多的进入尾水库，并能够方便的将杂物清理掉。
从防漂的角度，透水防波堤宜采用垂直挡板式，漂浮物不宜被吸附或勾连于防波堤，开孔高度在静水面以下。漂浮物多数漂浮在距离水面2米以上的位置，为防漂浮物，静水面以下2m不得开孔，避免漂浮物进入尾水库。
水底的泥沙在海浪的推动下容易泛起，防波堤底部设置挡沙坎，挡住泛起的泥沙。
步骤2，确定防波堤的基本参数：获得电站的规划装机容量，从而确定规划装机容量下的最大取或排水流量Q，调研包括地形、地理位置在内的电站所在海域的条件，从而获得透水防波堤的长度L及透水防波堤前水深d；针对不同的环境流条件根据电厂机组能够安全平稳运行的水位波动要求，获得透水防波堤堤后允许波高Hs。
针对不同的环境流条件，根据电厂最大装机容量，得到透水防波堤透流孔内进出的水体流速和防波堤布置长度。根据电站机组能够安全平稳运行的水位波动要求，获得下水库内透水防波堤堤后允许波高。因此，最大取或排水流量Q、透水防波堤的长度L、透水防波堤前水深d、堤后允许波高Hs均由电站或电站环境所决定，即作为设计的已知数。
步骤3，获取透流孔水体限制流速：通过调研电站所在海域水文和海生物浮游特征资料，从对周围海域水体环境的影响角度考虑，得到不易发生漂浮物卷吸至透流孔和海生物可游离挣脱的透流孔水体限制流速v。
透流孔水体限制流速的确定条件主要是海生物可游离挣脱的速度，这主要是为了保护海生生物，即主要出于环境的考虑，同时这个流速也是漂浮物不易被吸入透流孔中，但由于透流孔一般设置在水中较深的位置，因此可以避免漂浮物被吸入透流孔中。
步骤4，得到透流孔参数：根据水库防止漂浮物和挡沙要求以及从后期容易清理、结构稳定、强度、过孔流速要求和排水流速要求方面考虑透水防波堤上透流孔的开孔尺寸和间隔，确定开孔的上下位置限制。
垂直挡板式透水防波堤下部开孔，上部挡浪兼防漂，静水面以下某一段范围内不开孔，从结构稳定的角度，下部间隔开孔。从防漂的角度采用垂直挡板式，漂浮物不宜被吸附或勾连于防波堤，开孔高度在静水面以下，防波堤底部设置挡沙坎，阻挡海底被海浪泛起的泥沙进入尾水库中。
为避免防波堤外的漂浮物进入围护的水库中，同时也防止水底的泥沙进入水库中，透水孔的位置设定在水下一定深度，不能太浅以避免漂浮物随浪穿过透流孔，也不能太深，以满足防漂和防沙要求的防波堤布置型式和最小开孔高度。
本步骤所确定的透流孔参数主要是透流孔在长度为L的透水防波堤上的开孔数量和开孔宽度。由于透水防波堤的长度是确定的，处于堤坝本身强度的考虑，透水孔不能太密，同时每个孔的宽度实际上也不能太宽，透水孔的数量和宽度实际上是外部因素确定的，只有透水孔的高度有一定的选择范围。
步骤5，计算透流孔高度：根据电站最大取水或排水量Q、防波堤长度L和透流孔水体限制流速v以及开孔宽度Bs、开孔间隔Ds，计算透流孔开孔高度B：
针对电厂装机容量下的取水或排水流量，可得到其与防波堤布置长度、开孔间隔、开孔宽度和高度与孔洞内进出的水体流速的关系式
步骤6，模型实验：通过波浪物理模型试验验证堤后透射波高Ht是否满足要求Ht≤Hs，若满足要求，则可确定所述透水防波堤的结构型式；若不满足要求，则调整透流孔开孔宽度Bs或高度B，并判断开孔尺度是否超出限制范围，如果超出限制范围则在当前防波堤后再增设一排或多排所述透水防波堤，以满足下水库堤后透射波高Ht≤Hs的要求。
在计算获得初步的设计方案后，根据这一设计方案建造一个缩小的海水抽水蓄能电站下水库围护模型，通过模型试验验证在堤前入射波浪、开孔高度情况下满足堤后波高要求的防波堤排数。由于透流孔的宽度和高度有一定限制，不能无限制的扩大，当透水孔宽度增大时，可能不满足结构稳定性要求，当透水孔的高度达到限制时，则不能再扩大透水孔，需增加透水防波堤的排数，即在增加一排透水防波堤，如果还是不能满足要求，则再继续增加一排透水防波堤，直至满足堤后透射波高Ht≤Hs的要求。
应用举例：
透水防波堤应对海水抽水蓄能电站下水库尾水起到围护的作用，同时从防波、透流、防沙、防漂和易清理等方面综合提出海水抽水蓄能电站下水库尾水围护防波堤结构的基本要求。
某海水抽水蓄能电站规划装机容量下最大排水流量Q为24m3/s，透水防波堤前水深d＝5m。根据地形条件防波堤可布置长度L约100m。从防漂的角度，透水防波堤宜采用垂直挡板式，漂浮物不宜被吸附或勾连于防波堤，且挡漂浮物的高度不宜小于静水面以下2m；防波堤底部设置挡沙坎，其高度不宜小于0.5m。
通过对规划电厂附近海域水文和海生物浮游特性等资料，得到不易发生漂浮物卷吸至防波堤透水孔和海生物可游离挣脱的过孔水体限制流速v≤0.3m/s。
根据防波堤挡漂浮物的上部实体高度不宜小于静水面以下2m，且防波堤底部设置挡沙坎高度不宜小于0.5m，则可计算出防波堤可透水段高度在水底以上0.5m至静水面以下2m之间的2.5m范围内。
孔宽取2m，孔之间隔距离为孔宽的1.5倍即3m；根据电厂取/排水流量Q、防波堤长度L、过孔限制流速v从而获得透水堤下部开孔高度B：
初步确定防波堤开孔高度B＝2m。
根据电厂机组能够安全平稳运行的水位波动要求，获得下水库内透水防波堤堤后波高Hs＝0.5m。
防波堤布置与外海波浪入射方向呈90度角，即波浪正向入射至透水堤。根据堤前入射波浪条件、开孔高度和间隔，构建波浪物理模型。通过物理模型试验获得堤后透射波高Ht，若Ht≤Hs＝0.5m，则该透水堤结构满足要求；若Ht＞Hs＝0.5m，则可通过调节开孔宽度或在堤后增设一排或多排的透水防波堤，以满足下水库堤后透射波高Ht≤Hs＝0.5m的要求。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
