大单宽、中水头水流挑流消能试验研究

蒲 云 娟， 王 一 飞， 吕 海 艳， 李 光 伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

大单宽、中水头水流挑流消能试验研究

蒲 云 娟， 王 一 飞， 吕 海 艳， 李 光 伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

结合某国外水电站工程，通过1∶80的整体水工模型对其泄洪消能布置方案进行了系列优化试验研究，最终提出了小差动坎的泄洪消能体型。该体型能使挑射水舌在纵向充分拉开，入水宽度增加，改善了传统的连续式挑坎所存在的挑射水舌集中、空中扩散差的不足，大大增加了挑射水流的消能率，使下游河道的冲刷明显减轻。试验结果表明：该体型很好地适应了某国外水电站单宽流量大、泄流水头适中的特点，为类似工程提供了一种新的泄洪消能思路。

大单宽流量；中水头；水工模型试验；挑流消能；下游冲刷

1 问题的提出

泄水建筑物常用的消能形式有底流消能、面流消能、挑流消能以及上述三种形式的结合运用[1]。在一般工程中，大单宽流量、泄洪水头适中的溢流重力坝基本采用底流消能。虽然底流消能工作可靠，但其存在工程量大、工程造价高的不足。如果水电站坝址区工程地质条件良好(基岩出露明显、基岩岩性好)，采用挑流消能更能节约工程量、降低工程造价。因此，研究大单宽流量、水头适中的水流的挑流消能形式十分必要。

笔者结合某国外水电站进行了试验研究。该水电站为大型工程，永久建筑物洪水标准按10 000年一遇(P=0.01%)洪水设计，相应流量为3 870 m3/s。枢纽建筑物主要由河床碾压混凝土重力坝、右岸心墙土质坝、垭口土质副坝及坝后厂房等建筑物组成。泄洪建筑物由四孔溢流表孔、一孔泄洪底孔、一孔生态流量孔组成。溢流表孔布置于主河床，每孔净宽12 m，采用挑流消能，挑坎挑射半径为18 m，挑角为15°，挑坎出口高程为49 m。

根据相似原理，该水电站的水力学模型按重力相似准则设计，采用正态模型[2～6]，模型的比尺为1∶80。

2 原设计方案的泄洪消能分析

大单宽、中水头水流挑流消能存在的主要问题：(1)泄洪的单宽流量大，导致下游河道冲刷较深；(2)泄洪水头适中，导致挑坎出口水流流速不高，挑射水舌的挑距较近，下游河道冲刷严重可能会对工程建筑物的安全以及下游河道岸坡的稳定不利。

设计流量3 870 m3/s时，该电站表孔溢流坝的单宽流量达59.25 m3/s·m，泄洪水头为28.2 m，挑坎出口流速为23.71 m/s。溢流表孔挑射水舌水体集中、挑距较近，下游河道冲坑最深点高程为6.36 m，冲深达17.64 m，溢流坝坝脚处的贴壁冲刷高程为25.4 m，冲深达7.6 m(图1)。鉴于原设计方案的下游河床冲刷比较严重，因此，从增加工程安全的角度考虑，需进行泄洪消能体型的优化研究。

3 体型优化试验成果的研究与分析

该水电站泄洪消能的最大问题是下泄水流的单宽流量较大，导致下游河道冲刷较深。对于单宽流量较大的泄洪消能问题，传统的解决办法是采用使水流纵向或横向扩散的方法。所以，笔者在不修改该电站泄洪消能总布置的前提下，尝试采用差动式挑流消能工，使挑射水舌在纵向充分扩散拉伸以减轻其对下游河道的冲刷。

经过一系列的优化方案试验研究，得出两种效果较好的挑流消能体型：高低坎(图2)和小差动坎(图3)，其体型主要参数见表1，各方案的试验结果见表2和图4。

高低坎方案其实是传统差动式鼻坎的一种延伸和变形，它将高坎的位置提前，增大高坎和低坎的高差，其试验结果研究表明：高低坎方案采用分流扩散碰撞的工作原理，下泄水流一部分通过高坎提前挑出，其余水体则均匀分成两部分通过高坎两侧、在低坎上发生碰撞后挑向下游，高坎挑出的水体与低坎挑出的水体在空中发生碰撞消能。高低坎方案的挑射水舌拉伸充分，下游河道冲刷有明显改善。但该方案会导致雾化现象，可能会危及建筑物的安全运行和下游岸坡的稳定。

(a)水流流态 (b)冲淤形态图1 设计流量为3 870 m3/s时的工况

图2 高低坎方案示意图

图3 小差动坎方案示意图

表1 各泄洪消能方案布置体型参数表

表2 各优化方案在设计流量为3 870 m3/s工况的试验结果表

试验中观察到：在原设计方案中，各表孔中部下泄的这部分水体挑距较近，相邻两表孔在中墩尾部交汇的这部分水体挑距较远。因此，考虑在中墩正对下游处的溢流坝末端设置一大挑角的高坎将使这部分水体的挑距增大；而在表孔正对下游处设置小挑角的低坎，能够使这部分水体的挑距减小，那么，挑射水舌在纵向上就可以充分拉开。同时，为了使挑坎末端的水流流速增大、水舌挑距增加，将挑坎末端高程降低，由此而得到了小差动坎方案。小差动坎方案挑射水舌的纵向拉伸长度增至42.4 m，下游河床的冲刷深度有了明显的改善。小差动坎方案实质上是传统差动式鼻坎的极限化，它将高坎的挑角最大限度地增大，将低坎的挑角尽量减小，并且通过调整高坎和低坎的宽度比来改善挑射水舌内缘和外缘的水量分布，在保证挑射水舌能顺利挑出和溢流坝坝脚不被淘刷的范围内，让挑射水舌在纵向充分拉伸以减轻其对下游河道的冲刷。

(a)高低坎方案 (b)小差动坎方案图4 各优化方案设计洪水3 870 m3/s工况挑射水舌形态

根据试验结果并从有利于建筑物安全以及减轻下游河道冲刷综合考虑，最终选取了小差动坎方案作为该水电站的泄洪消能布置体型。

4 结 语

大单宽、中水头的水流采用挑流消能。由于其具有单宽流量大和挑射水舌挑距较近的特点，其泄洪消能问题较为突出。笔者结合某国外水电站的实际情况进行了消能工体型优化的试验研究。试验结果表明：选择小差动坎可以改变连续式挑坎所存在的挑射水流集中、空中扩散差的问题。其挑射水舌可沿纵向充分拉开，使入水宽度增加；水舌的挑射高度增大，在空中形成高低不一的多层次水舌，增加了水舌在空中的扩散消能效果，明显减轻了其对下游河道的冲刷，效果良好。该消能工布置体型为解决以单宽流量大、泄洪水头适中为特点的溢流重力坝泄洪消能问题提供了一种新的设计思路。

[1] 李建中,宁利中.高速水力学[M].西安:西北工业大学出版社,1994.

[2] 夏毓常,张黎明.水工水力学原型观测与模型试验[M].北京:中国电力出版社,1999.

[4] 王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[5] 陈 立,明宗富.河流动力学[M].武汉:武汉大学出版社,2001.

(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7;TV32+1;TV31;TV32

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1001-2184(2017)01-0069-03

蒲云娟(1987-)，女，四川成都人，工程师，硕士，从事水力学研究；

王一飞(1985-)，男，甘肃兰州人，工程师，硕士，从事水利水电工程施工技术研究；

吕海艳(1981-)，女，吉林农安人，高级工程师，硕士，从事水力学研究；

李光伟(1962-)，男，湖北武汉人，副所长，教授级高级工程师，学士，从事水利水电工程材料及水力学研究.