水电站泄洪消能问题探究

　　1 工程概况

　　某水电站主要由混凝土双曲拱坝、泄水建筑物、水垫塘、二道坝和地下厂房等组成，是一座兼顾发电、航运、环境保护、推动经济社会发展的综合型电站，其平面布置见图1.该水电站混凝土双曲拱坝最大坝高213m,电站装机容量2 220MW,多年平均发电量为100×108kW·h.大坝校核洪水标准为5 000年一遇，相应洪峰流量为11 300m3/s,经水库调蓄后库水位为2 305m,枢纽下泄流量（电站不泄流）为11 115m3/s;大坝设计洪水标准为1 000年一遇，相应洪峰流量为9 970m3/s,经水库调蓄后库水位为2 302m,枢纽下泄流量（含电站）为9 850m3/s;大坝正常蓄水位为2 302m,正常蓄水位以下库容为7.81×108m3.坝址附近为深切峡谷地形，横断面为典型的V型谷，河谷两岸地形对称性较好，坝址区地表基岩广布，第四系覆盖层分布范围小，建坝岩体主要为花岗岩、斜长角闪片岩和混合岩，均为坚硬岩。

　　枢纽布置方案采用双曲拱坝+坝身泄洪（3个表孔，从左至右依次为#1、#2、#3+4个中孔，从左至右依次为#1、#2、#3、#4）+右岸地下厂房（4台机组）+左岸2条导流洞（图1）。表、中孔按泄洪中心线对称间隔布置，无岸边泄洪设施。

　　溢流表孔单孔净宽12m,堰顶高程为2 286m,表孔孔口尺寸为12m×16m（宽×高），堰面采 用WES曲 线，堰 面 曲 线 方 程 为y =0.045 29x1.85.泄洪中孔采用有压管型式，进口底板高程为2 222.00m,顶板高程为2 232.65m,进口顶板、侧墙曲线均采用椭圆曲线。顶板曲线方程为x2/92+y2/32=1,侧墙曲线方程x2/3.62+y2/1.22=1,底缘曲线半径为2m的圆弧。中孔洞身段孔宽6m,孔高8m,出口控制断面尺寸为7m×5 m（宽×高），中孔出口采用平底型（#2、#3）和上翘型（#1、#4）两种形式，采用挑流消能。其中#2、#3中孔洞长44.1m,整个洞身底板（包括出口）均为2 222.00m,出口段平面上孔宽由6m渐扩至7m,洞顶采用1∶6.9的压坡，孔高 由8 m渐 缩 至5 m（出 口 洞 顶 高 程 为2 227.00m），出口挑角为0°；#1、#4中孔洞长43.7m,出口底板高程为2 226.15m,顶板高程为2 230.72m,出口挑角10°。下游消能防冲建筑物为混凝土水垫塘+二道坝。水垫塘采用复式梯形断面，塘底平面尺寸为280m×60m（长×宽），底板高程为2 108m,校核工况下水垫塘水深58.8 m,水面宽约110 m（下游水位2 166.80m）；二道坝采用混凝土坝，坝顶高程为2 152.50m,上游侧坝坡比1∶0.5,下游侧坡比1∶0.3,顶宽5m,底宽40.6m,二道坝顶面上游侧距中孔挑坎水平距离约300m.

　　该水电站是典型的高水头、窄峡谷、大单宽流量的混凝土双曲拱坝水电站，水舌碰撞、落点及水垫塘底板防冲是需重点解决的问题[1].对此，本文通过整体水工模型试验研究，较好解决了泄洪消能问题，保证了大坝和消能建筑物的安全。

　　2 模型

　　采用水工正态整体模型，按重力相似准则建模[2].根据试验任务和要求，结合试验场地和模型规模，取模型几何比尺为1∶100.模拟范围包括大坝、泄水建筑物（含表孔和中孔）、消能防冲建筑物（含水垫塘）和电站建筑物（含进、出口），上游水库河道模拟长度为800m,下游河道模拟长度为1 800m.根据水垫塘底板高程2 108.00m,并考虑测压管和压力传感器安装要求，确定大厅地坪高程为2 050.00m;根据模型最高洪水位（上游2 305.00m,下游2 167.00m）和富裕超高，确定上、下游导墙顶高程分别为2 330.00、2 190.00m.模型全长约30m,最大宽度6m,上游高2.8m,下游高1.4m,见图2.
　　
　　3 结果与分析

　　3.1试验工况

　　试验条件和工况见表1.各试验工况下分别进行表孔单泄、中孔单泄和表中孔联泄放水试验。

　　当无下游防洪任务时，对入库洪水自正常蓄水位起调节。当洪水来量低于正常蓄水位泄流能力时，控制下泄流量，按来量下泄，坝前水位为2 302.00m;当洪水来量高于正常蓄水位泄流能力时，敞泄，坝前水位相应壅高。

　　3.2流态

　　表孔单独泄洪时，水流前后呈两层落入水垫塘中。各工况下，#2表孔水舌挑距最近，#1、#3表孔水舌挑距最远。表孔水流最大入水宽度为115m,未见水舌直冲干砸水垫塘边墙。表1中孔水舌交汇处形成水翅，入塘水流形成淹没水跃。

　　二道坝下出塘水流呈急流，水面跌落明显，近似二次水跃。塘内桩号0+50~0+200区域涌浪较大，塘底水舌冲击区为桩号0+120~0+140区域，附壁射流在桩号0+130~0+220区域，底部水流与表面水流旋滚，掺混剧烈，桩号0+100~0+250为主要旋滚消能区域，两侧桩号0+150以上为岸边回流带。塘中部水面隆起，二道坝及下游水流衔接平顺，未出现二次水跃。

　　中孔单独泄洪时，4股水舌前后两层落入水垫塘，入水角较表孔小。

　　#1、#4边孔入水处两股水舌内侧相连，#2、#3中孔两股水舌同样也在入水处相连，且#2、#3水舌入水处外缘与#1、#4水舌内缘相连。总体上四股水舌入水集中在水垫塘中部，未见水舌直冲干砸水垫塘边墙。水流入塘后形成淹没射流，射流水股刚好触及底板，底部附壁射流特征不明显。底部旋滚与表面旋滚卷吸，掺混剧烈，水垫塘内为白色泡沫状水体，掺气明显，岸边出现回流。

　　表、中孔联合泄洪时，表、中孔水舌呈上下、左右碰撞消能特点。

　　#1表孔水舌与右侧#3表孔水舌左右碰撞，之后与#1中孔水舌上下碰撞，再与#2、#3中孔水舌碰撞，由于对称布置，#1、#3表孔水舌左右碰撞，之后与#4中孔水舌上下碰撞，再与#2、#3中孔水舌碰撞。而#2表孔仅与#2、#3中孔水舌碰撞。中孔水舌与表孔水舌碰撞后，水体掺气充分，裂散充分，呈白色不连续水体，掺气较碰撞前更明显。上下水舌碰撞消能，效果良好。

　　3.3压力

　　消能效果的优劣，主要表现在水垫塘底板上冲击动水压力的大小和压力梯度的均匀性。水垫塘底板冲击动水压力[3]

　　为：P=Pmax-T（1）式中，P为水垫塘底板冲击动水压力；Pmax为冲击区最大时均动水压力；T为水垫深度。

　　由式（1）可知，水垫塘底板冲击动水压强与冲击区最大时均动水压力、水垫深度密切相关。前者通常可由测压管系统量测，而水垫深度的选取却不太统一[4].结合该项目实际情况，采用挑流水舌内缘入水点上游水深（桩号0+088断面）作为计算塘内冲击动水压力的水垫深度。各工况下，坝身孔口挑射水流进入水垫塘均能形成淹没水跃。各工况水垫塘底板动水压力分布见表2.

　　1MATLAB软件拟合模型试验数据，得到底板动水压力立体图和等值线。

　　由表2、图3可知：

　　①表孔单泄时底板最大冲击压力为42.2~80.4kPa,冲击区为桩号0+120~0+140段，距坝址92~112m,主要为#1、#3表孔内侧水舌交汇和#2水舌叠加效应引起。

　　②中孔单泄底板冲击区峰值不明显，实测最大冲击压力为36.3~46.1kPa,冲击区为桩号0+200~0+230段，距坝址172~202m.③表、中孔联合泄流时，表、中孔水舌上下空中碰撞。

　　#1、#4中孔分别与#1、#3表孔水舌碰撞，碰撞后混为一股，基本沿中孔抛射轨迹行进，射距有所减小，水舌掺气、裂散更为明显，基本为不连续水股；#2、#3中孔先与#2表孔碰撞后，又与#1、#3表孔水舌内侧横向搭接部分水股碰撞，基本无法“冲出重围”,最后#2、#3中孔水股、#2表孔水股及#1、#3表孔横向交汇搭接，形成一道“水帘”,落入水垫塘，造成水垫塘底板冲击压力集中。底板冲击区峰值不明显，实测最大冲击压力为175.6~346.3kPa,冲击区为桩号0+200~0+230段，距坝址172~202m.

　　以上分析表明：

　　①中孔单独敞泄时水舌挑距较远，水垫塘长度略嫌不足；②大流量表、中联泄时，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大冲击压力远远超标，大坝校核工况5 000年一遇洪水实测底板时均冲击压力达282.5kPa.因此，应调整下泄水舌形态，提高水垫塘消能效果。通过观测发现，水舌空中碰撞后集中入水，造成底板最大冲击压力P较大，主要由相邻表孔下泄水舌搭接造成。根据已建工程经验，在表孔出口加设齿坎，分散表孔水舌，从而避免相邻孔水舌搭接，达到降低P值的目的。修改方案主要参数见表3.修改方案后，水舌纵向分散，集中入水现象明显改善，底板最大P为138.3kPa,在设计标准147.2kPa以内，可保证工程安全运行。【1】

　　
　　4 结论

　　该水电站大坝采用坝身3个表孔、4个中孔集中泄洪，下游水垫塘及二道消能的方案是可行的。表孔出口加设齿坎不仅可以调整水舌落点，还可起到分散水舌的作用，有效降低冲击动水压力。研究成果可供类似工程参考。
　　
　　参考文献：

　　[1] 王均星，尹浩，刘金秀，等.龙开口水电站的泄洪消能防冲试验[J].武汉大学学报：工学版，2008,41（1）：27-30,34.
　　[2] 左东启.模型试验的理论和方法[M].北京：水利电力出版社，1984.
　　[3] 吴持恭.14版）[M].北京：高等教育出版社，2008.
　　[4] 程子兵，韩继斌，黄国兵.构皮滩水电站泄洪消能试验研究[J].人民长江，2006,37（3）:84-86.