樂昌峽水利樞紐工程溢流壩泄洪消能研究

黃智敏，何小惠，鐘勇明，陳卓英，付 波

樂昌峽水利樞紐工程溢流壩泄洪消能研究

黃智敏，何小惠，鐘勇明，陳卓英，付 波

（廣東省水利水電科學研究院廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510610）

樂昌峽水利樞紐工程壩址處河道狹窄，溢流壩的泄洪落差和單寬流量較大，且電站尾水出水口靠近溢流壩，因此，溢流壩泄洪安全是樞紐工程的關鍵技術問題。通過溢流壩泄洪消能模型試驗研究，對溢流壩堰面曲線、兩側收縮邊墻、閘墩、挑流鼻坎等布置和體型進行了優(yōu)化，改善了其運行水力特性，妥善解決了溢流壩泄洪消能防沖的問題。關 鍵 詞：溢流壩；溢流堰；寬尾墩；差動式挑流鼻坎；消能；模型試驗；樂昌峽水利樞紐工程

1 工程簡介

1．1 工程概況

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省樂昌市境內(nèi)的北江一級支流武水樂昌峽河段內(nèi)，樞紐工程是以防洪為主，結合發(fā)電、灌溉、供水、改善航運等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐工程的正常蓄水位為154．5 m，汛限水位為144．5 m，死水位為141．5 m，設計洪水標準為100年一遇（P＝1%），校核洪水為1 000年一遇（P＝0．1%）。樞紐工程水庫總庫容為3．439億m3，防洪庫容為2．113億m3。

樂昌峽水利樞紐工程主要由擋水大壩、溢流壩、放水底孔、電站等建筑物組成（見圖1）。溢流壩布置在壩址河道中間，共分5孔，每孔凈寬12 m，中墩、邊墩厚3 m，溢流壩段長度為78 m。溢流壩堰頂采用雙胸墻與弧形閘門共同擋水的形式，胸墻底緣為圓弧曲線、底高程為145．5 m；溢流堰頂高程134．8 m，單孔孔口尺寸12 m（寬）×10．7 m（高），初設方案的溢流堰面（WES）曲線方程為y＝0．034 108x1．85，下接1∶1的陡坡段，陡坡段下游接半徑R＝26 m的反弧段，反弧段挑流鼻坎挑角為32°，出口斷面高程116．95 m。溢流壩兩側邊墻由樁號0＋040．92斷面以5．41°收縮角往下游收縮，至挑流鼻坎出口斷面（樁號0＋061．5）寬度為68．1 m（見圖2）。

壩址附近兩岸地形對稱，河谷呈“V”形，河道呈微彎、斷面狹窄，河床面高程約90．0～92．0 m。壩址兩岸和河床的弱風化巖體埋深較淺，河床弱風化帶

圖1 樂昌峽水利樞紐工程平面布置圖Fig．1 Layout of Lechangxia water control project

圖2 溢流壩初設方案布置圖Fig．2 Layout of initial scheme of the overflow dam

上界面埋深約1．6～8 m，弱風化巖厚約3～5 m，往下為微風化基巖。河床基巖較新鮮堅硬、強度較高，巖體完整性較好。

1．2 工程主要特點

（1）攔河壩最大壩高約83 m，溢流壩泄流最大落差和單寬流量分別約50m和142（m3／（s·m）－1），溢流壩屬高水頭、大流量泄水建筑物。

（2）樞紐工程是以防洪為主，溢流壩泄流孔口超泄能力較大，在各級洪水流量泄流條件下，泄流孔口采用閘門控泄運行。

（3）溢流壩下游河道狹窄，樞紐工程主要泄水建筑物（溢流壩和放水底孔）平面布置基本占據(jù)了壩址河床面寬度，溢流壩泄流挑射水舌易對下游河道兩岸造成沖刷破壞。

（4）電站尾水出水口上邊緣距離溢流壩出口斷面約160 m，溢流壩挑射水舌易對電站出水口區(qū)域產(chǎn)生沖刷影響。

1．3 水工模型設計

為了解決溢流壩泄洪下游消能防沖和電站出水口區(qū)域沖刷的2大關鍵問題，開展了樞紐工程溢流壩的整體水工模型試驗。水工模型按佛勞德準則設計為正態(tài)，模型幾何比尺Lr＝60。

溢流壩下游河床動床模型設計，選擇河床弱風化基巖抗沖流速V＝（7～8）m／s、微風化基巖抗沖流速V＝（10～12）m／s。由伊茲巴什公式D＝V2／K2（式中：D為散粒體粒徑（m）；V為基巖抗沖流速（m／s）；K為系數(shù)，一般取5～7，本文取K＝6），可計算出弱風化基巖的模型沖料散粒體粒徑Dm＝2．3～3．0 cm，微風化基巖的模型沖料散粒體粒徑Dm＝4．7～6．7 cm。

溢流壩下游河道模型動床范圍為樁號0＋061．5至電站出水渠未端（樁號約0＋330）。為了減輕下游河床覆蓋層沖刷對電站出水口出水渠區(qū)域淤積的影響，在下游河道樁號0＋090至電站出水渠上游右導墻前緣（樁號約0＋200），將河床表層覆蓋層開挖掉，高程約85．0～86．0 m以下按基巖模擬，下游河道兩岸坡基巖按設計提供的基巖等高線模擬。

2 溢流壩初設方案試驗

2．1 溢流壩運行流態(tài)

（1）在各級洪水流量泄流運行時，庫區(qū)上游來流較平順地進入溢流壩前，溢流壩各泄流孔口入流較平順，溢流壩的泄流能力可以滿足工程設計的要求。

（2）在水庫正常蓄水位（Z＝154．5 m）、閘門控泄運行條件下，溢流堰頂下游堰面的負壓值約－25～－30 kPa；在設計洪水頻率流量泄流運行時（P＝1%，Q＝3 900 m3／s，閘門開度e＝4．15 m），溢流堰面負壓值約－48 kPa。溢流堰面負壓值較大，不能滿足設計規(guī)范的要求［1］。

（3）溢流壩泄流在兩閘孔之間的中墩末端交匯后，閘墩末端水流出現(xiàn)脫壁、產(chǎn)生沖擊波，墩后沖擊波的水花飛濺，閘墩末端區(qū)域流態(tài)較紊亂。

2．2 挑射水舌和下游河道沖刷特性

（1）由于溢流壩泄洪流量較大、下游河道較狹窄，因此，溢流壩泄流挑射水舌對下游河道及其兩岸坡會產(chǎn)生不同程度的沖刷。在設計洪水頻率流量（P＝1%）泄流運行時，溢流壩挑射水舌下游入水斷面寬度約63 m，挑射水舌的下游左、右側水舌撞擊下游河道兩岸坡，對河道岸坡造成較明顯的沖刷。

（2）在設計洪水頻率流量（P＝1%）和200年一遇壩址洪峰流量（Q＝6 860 m3／s，e＝7．3 m）泄流運行時，溢流壩下游河床遭受較嚴重的沖刷，測試的溢流壩下游河床沖刷坑底高程分別約為78．0 m和74．0 m，沖刷坑底部上邊緣到溢流壩出口斷面距離分別約為97 m和108 m，沖刷坑上游坡度i分別約為1∶8．08和1∶6．75；沖刷坑底部到電站出水渠上游右導墻的距離分別約為42 m和15 m，沖刷坑下游坡度分別約為1∶3．3和1∶2．7。在洪水流量Q＝6 860 m3／s泄流運行時，電站上游端1＃機組出水口出水渠區(qū)域河床遭受嚴重沖刷和淘刷，沖刷區(qū)域河床較低處高程約78．0 m，電站出水渠上游右導墻被沖垮（出水渠區(qū)域河床弱風化基巖面高程約85～86 m），危及電站尾水出水口的安全運行（見圖3）。

圖3 溢流壩下游河道及電站出水渠沖淤地形剖面圖Fig．3 Sectional draw ing of scouring at the downstream river channel of the overflow dam and the outlet channel of the station

3 溢流壩優(yōu)化方案試驗

3．1 優(yōu)化的基本思路

針對初設方案存在的問題，溢流壩體型修改和優(yōu)化的基本思路為：①在滿足溢流壩泄流能力要求的前提下，改善溢流堰面體型，盡量減小堰面的負壓值；②借助現(xiàn)有溢流壩工程寬尾墩的成果，改善溢流壩面各中墩末端區(qū)域的流態(tài)，增加溢流壩下游反弧段泄流的摻氣和消能率；③為了避免或減輕溢流壩挑射水舌對下游河道兩岸坡的沖刷，溢流壩下游出口斷面需進一步縮窄，為了減輕溢流壩高速泄流對收縮邊墻產(chǎn)生急流沖擊波的影響，需對溢流壩兩側收縮邊墻布置和體型進行優(yōu)化；④為了減輕溢流壩泄洪對下游河床和電站出水口區(qū)域的沖刷影響，一方面在滿足壩基安全的前提下，盡量減小溢流壩挑射水舌的挑距，使壩下游河床沖刷坑盡量往壩址前移，減輕挑射水舌對電站出水口區(qū)域的沖刷破壞；另一方面增加挑坎挑射水舌的豎向和縱向拉開擴散，增大挑射水舌在空中的碰撞、摻氣和消能，減小水舌下游入水區(qū)域的單位面積能量，盡量減輕下游河床的沖刷深度。

3．2 溢流堰面優(yōu)化

經(jīng)模型試驗比較，將溢流堰面設計水頭Hd由0．835Hm修改為0．971Hm（Hm＝28．2 m為堰頂最大水頭），則溢流堰面曲線方程由初設方案y＝0．034 108x1．85修改為y＝x1．85／（2Hd0．85）＝0．03x1．85，堰面曲線下游壩面陡坡段與水平線夾角為42．5°（見圖4）。溢流堰面曲線修改之后，在各級洪水流量泄流運行條件下，堰面的負壓強絕對值｜p｜＜30 kPa，滿足了工程設計規(guī)范的要求［1］。

3．3 壩面流態(tài)改善

參考有關工程的研究成果和經(jīng)模型試驗比較，在溢流壩各閘孔中墩下游端設置寬尾墩（樁號0＋017至0＋028），寬尾墩的尺寸為：寬尾墩首端閘孔的斷面寬度B1＝12 m（墩厚3 m，樁號0＋017）、末端斷面寬度B2＝9．7 m（墩厚5．3 m，樁號0＋028），寬尾墩閘孔斷面收縮率η＝B2／B1＝0．808（見圖4，圖5）。

圖4 溢流壩泄流流態(tài)示意圖Fig．4 Sketch of flow pattern of the overflow dam

圖5 溢流壩推薦方案布置圖Fig．5 Layout of recommended scheme ofthe overflow dam

溢流壩泄流進入寬尾墩區(qū)域之后，寬尾墩兩側導墻區(qū)域水深逐漸壅高，至墩末出口斷面形成兩側高、閘孔中心區(qū)域低的凹型水冠狀；寬尾墩改善了原流線型閘墩末端區(qū)域水流脫壁、水花飛濺的不良流態(tài)，且寬尾墩末端下游局部區(qū)域為無水區(qū)域，有利于反弧段水流的摻氣；相鄰兩閘孔泄流在寬尾墩未端下游交匯后，形成高而窄的水冠狀水舌躍起，往下游挑射，大大增加了挑射水舌在空中的碰撞、摻氣和消能（見圖4）。

3．4 溢流壩兩側收縮邊墻優(yōu)化

經(jīng)模型試驗比較，將溢流壩下游出口斷面寬度由初設方案68．1 m縮窄至60 m（見圖5）。同時，為了減輕溢流壩高速泄流對收縮邊墻產(chǎn)生急流沖擊波的影響，兩側收縮邊墻采用分兩段收縮的形式：第一段邊墻（樁號0＋017至0＋028）收縮角為4．68°；第二段邊墻（樁號0＋028至0＋061．5）收縮角為8．66°，第二段收縮邊墻收縮角相對于第一段收縮邊墻收縮角只增加3．98°，各段收縮邊墻的相對收縮角度相應較小。

試驗表明，溢流壩兩側邊墻采用分段收縮之后，泄流時收縮邊墻區(qū)域無較明顯的沖擊波產(chǎn)生，收縮邊墻區(qū)域的水深無明顯的壅高，溢流壩兩側收縮邊墻布置和體型是合理的。

3．5 挑流鼻坎推薦方案

參考有關文獻［2］和經(jīng)模型試驗優(yōu)化之后，溢流壩反弧段挑流鼻坎采用抗空化性能良好的擴散式梯形差動式挑流鼻坎，其布置和體型尺寸為（見圖5，圖6）：①高坎反弧段曲率半徑R＝35 m，出口挑角為20°；高坎始起斷面樁號為0＋047．42、寬度為3．5 m，出口斷面寬度為6 m（樁號0＋059．39）、高程為115．61 m，高坎兩側面坡度為1∶1；②挑流鼻坎低坎為水平挑坎，高程為113．5 m，挑角為0°。

圖6 擴散式梯形差動式挑流鼻坎布置圖Fig．6 Layout of diffusional trapezoidal differential flip bucket

3．6 挑射水舌和下游河道沖刷特性

推薦方案差動式挑流鼻坎的挑射水舌和下游河床沖刷特性見表1，表2。

表1 溢流壩挑射水舌特性Table 1 Flip nappe characteristics of the overflow dam

表2 溢流壩下游河道沖刷特性Table 2 Scouring characteristics of downstream river channel of the overflow dam

試驗表明：

（1）溢流壩挑流鼻坎出口斷面寬度由初設方案68．1 m縮窄為60 m之后，挑射水舌下游入水斷面寬度比初設方案明顯減?。ㄒ姳?），大大減輕了溢流壩挑射水舌對下游河道兩岸坡的沖刷。由于溢流壩下游河道較狹窄，因此，應根據(jù)溢流壩下游河床的沖刷狀況，對下游河道兩岸坡進行加固防護。

（2）差動式挑流鼻坎和寬尾墩的聯(lián)合運用，寬尾墩后和挑流鼻坎形成多層次的挑射水舌，增大挑射水舌在空中的碰撞、摻氣和消能，明顯減輕了水舌對下游河床的沖刷（見表2和圖3）。

（3）差動式高坎平面布置前窄、后寬，使低坎水流形成窄縫式收縮狀水流，且高坎兩側坡面坡度放緩至1∶1，使高坎側坡面保持為正壓狀態(tài)，明顯改善了高坎的抗空化性能。

（4）擴散式梯形差動式挑流鼻坎高、低坎挑角分別為20°和0°，挑射水舌的挑距明顯縮短（見表1），壩下游河床沖刷坑往壩址前移，但由于差動式挑坎大大減輕了下游河床的沖刷坑深度，在各級洪水流量泄流運行條件下，溢流壩下游河道沖刷坑上游坡度i＜（1∶4）（見表2），滿足工程設計規(guī)范的要求。

（5）溢流壩挑射水舌挑距減短和沖刷坑深度減小，明顯減輕了對電站出水渠區(qū)域河床的沖刷。溢流壩下游河床沖刷范圍只限于電站出水渠右導墻上游區(qū)域，右導墻下游出水渠河床為沖刷坑沖渣淤積區(qū)（見圖3）。測試的電站出水渠右導墻上游側底部沖刷高程見表2，供工程設計和施工參考。

3．7 差動式挑流鼻坎消能特性探討

本工程挑坎采用差動式挑流鼻坎之后，雖然挑坎出口斷面寬度由68．1 m縮窄至60 m，但壩下游河床沖刷坑深度仍比初設方案明顯減小。本文對差動式挑坎增大水流消能特性作初步分析探討。參照常規(guī)的連續(xù)式挑坎下游河床沖刷坑計算公式，可以寫出差動式挑坎下游河床的沖刷坑深度計算公式

式中：T為沖刷坑深度，由下游水位與沖刷坑底高程之差計算；q為挑坎出口單寬流量；Z為泄流上、下游水位差；K為下游河床基巖沖刷系數(shù)；β為差動式挑坎消能增大系數(shù)。

由初設方案溢流壩下游河床沖刷坑深度T，可以計算出本工程壩址下游河床基巖沖刷系數(shù)K≈1．47。由于溢流壩挑坎兩側邊墻為收縮狀，其挑射水舌下游入水斷面寬度明顯小于挑坎的出口斷面寬度（見表1），挑射水舌下游入水斷面單寬流量明顯大于挑坎出口斷面的單寬流量。為了便于分析，本文計算下游沖刷坑深度的單寬流量仍采用挑坎出口斷面單寬流量。

采用基巖沖刷系數(shù)K＝1．47，可計算出溢流壩各級泄洪流量的差動式挑坎消能增大系數(shù)β，見表3。結果表明：差動式挑坎消能效果比連續(xù)式挑坎明顯增大，其消能增大系數(shù)β約達0．8～0．9，即其下游河床沖刷坑深度只有連續(xù)式挑坎相應沖深的80%～90%。由于本工程差動式挑坎出口斷面收縮較窄，其下游河床入水單寬流量比初設方案相應更為增大（見表1），因此，若本工程差動式挑坎出口斷面寬度仍為68．1 m，則差動式挑坎的消能作用更加顯著，壩下游河床沖刷坑深度可進一步減小。

表3 差動式挑坎消能增大系數(shù)β計算Table 3 Calculation of energy dissipation augmenting factorβof the differential bucket

4 結 語

（1）樂昌峽水利樞紐工程溢流壩具有泄流落差和單寬流量較大、下游河道狹窄、電站出水口靠近溢流壩出口等特點，溢流壩的消能問題較突出。通過水工模型試驗研究，優(yōu)化了溢流壩溢流堰型，在溢流壩設置了分段收縮邊墻、寬尾墩、擴散式梯形差動式挑流鼻坎等工程措施，改善了溢流壩泄流流態(tài)，妥善解決了溢流壩消能的問題。

（2）模型試驗推薦的擴散式梯形差動式挑流鼻坎，具有抗空化性能良好、挑射水舌擴散和消能特性好、施工方便等特點，在減小溢流壩挑射水舌挑距的同時，大大減輕了下游河床的沖刷，滿足了工程布置和安全運行的要求。本文研究成果可供類似工程設計參考。

［1］ 中華人民共和國水利部．SL319－2005，混凝土重力壩設計規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2005．（Ministry ofWater Resources of the People’s Republic of China．SL319－2005，Design Specification for Concrete Gravity Dams［S］．Beijing：China Water Power Press，2005．（in Chinese））

［2］ 華東水利學院．水工設計手冊（第6卷）［K］．北京：水利電力出版社，1982．（East China Institute of Water Conservancy．Handbook of Hydraulic Structure Design（Volume 6）［K］．Beijing：Water Power Press，1982．（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

長江科學院主編的兩個規(guī)范送審稿通過審查

2011年4月13－16日，長江科學院主編的《水工混凝土摻用天然火山灰技術規(guī)范》和中國長江三峽集團公司、長江科學院共同主編的《水工混凝土摻用氧化鎂技術規(guī)范》送審稿審查會在湖北宜昌召開，會議由電力行業(yè)水電施工標準化技術委員會主持。來自中國電力企業(yè)聯(lián)合會、武警水電指揮部、中國葛洲壩集團公司、中國水利水電建設集團公司、金安橋水電站有限公司、武漢大學、中國水電顧問集團成都勘測設計研究院、中國水利水電科學研究院、南京水利科學研究院、葛洲壩集團試驗檢測有限公司、中國水利水電第三工程局有限公司、中國水利水電第七工程局有限公司、中國水利水電第十六工程局有限公司等單位的專家，以及中國長江三峽集團公司、長江水利委員會長江科學院、南京工業(yè)大學、江蘇博特新材料有限公司等單位的編寫人員代表參加了會議。

專家組認為這兩部規(guī)范為水工混凝土摻用氧化鎂或天然火山灰提供了技術依據(jù)，內(nèi)容豐富，科學實用，達到了國際先進水平，滿足報批要求，同意通過審查。

（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）

Flood-Releasing and Energy Dissipation of Overflow Dam at Lechangxia Water Control Project

HUANG Zhi-min，HE Xiao-hui，ZHONG Yong-ming，CHEN Zhuo-ying，F(xiàn)U Bo
（Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangdong Research Institute ofWater Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China）

This paper studies the flood-releasing and energy dissipation of the overflow dam at Lechangxia water control projectwhich is located in a narrow river valley．The flood-releasing safety of the overflow dam therefore is a critical technical issue as it has large water head drop and the discharge per unitwidth of the dam is large，and moreover，the tailrace exit of the hydropower station is in the vicinity of the dam．Based on hydraulicmodel tests，the hydraulic property of the overflow dam is improved and hence problems of flood-releasing and energy dissipation and scour protection are solved in this paper by optimizing the layout and configuration of overflow weir and both the contracted sidewalls aswell as piers and flip buckets．

overflow dam；overflow weir；flaring gate piers；differential flip bucket；energy dissipation；model test；Lechangxia water control project

TV135．2

A

1001－5485（2011）05－0018－05

2010-05-31

黃智敏（1957-），男，廣東惠州人，教授級高級工程師，主要從事水工水力學研究，（電話）020-38491159（電子信箱）hzm3011＠gd-sky．com．cn。