大渡河沫水電站樞紐泄流能力及消能防沖研究

諶祖安 ，張緒進 ，劉 洋 ，張 湛 ，李戰(zhàn)強

（1.重慶交通大學河海學院，重慶400074；2.重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016）

1 工程概況

大渡河沫水電站壩址位于大渡河干流與玉溪河匯流處上游250 m處，距上游沙灣水電站尾水渠出口約4 km，控制流域面積 76 587 km2，河道比降 1.23‰，多年平均流量1 490 m3/s。電站初步擬定正常蓄水位405.00 m，額定水頭5.0 m，設(shè)計引用流量 2 569 m3/s，單機引用流量513.80 m3/s。電站采用單一級開發(fā)方式，為河床式方案，裝機容量5×22 MW。各特征水位及流量見表1。沫水電站主要建筑物包括：泄洪沖砂閘、電站主副廠房、副壩等，次要建筑物包括：攔砂坎、上、下游導墻等，樞紐布置圖見圖1。本文通過整體水工模型試驗對大渡河沫水電站樞紐工程泄洪閘的規(guī)模和泄洪能力、閘下消能型式與消能效果進行研究和論證，優(yōu)化沫水電站樞紐布置，保證泄洪、防沖的安全、高效。

表1 各特征水位及流量表

2 模型的設(shè)計

模型設(shè)計時考慮了在樞紐上、下游留有足夠長的調(diào)整過渡段，使研究河段的水流流態(tài)及流速分布達到相似。沫水電站整體水工模型選用幾何比尺為λL=λh=80的正態(tài)模型[1]。模型范圍包括：從壩軸線上游約1.2km開始至壩軸線下游約1.3 km為止，模擬原型河道總長約2.5 km。 模型水流運動各項相似比尺值為

3 泄流能力研究

3.1 閘壩平面布置[2]

沫水電站樞紐壩頂高程408.60 m，最大壩高17.10 m，樞紐壩軸線總長532.00 m。泄洪沖砂閘布置在主河床中部位置，閘段全長258.00 m，共15孔，其中緊靠電站廠房的5孔為沖砂閘，其余10孔為泄洪閘，采用相同結(jié)構(gòu)布置，閘底板每兩孔分一永久縫，每個泄洪（沖沙）閘孔凈寬 14.00 m，閘室凈高 11.60 m（擋水高度8.0 m），閘室順水流方向長 21.00 m，閘墩厚度 3.00 m，墩頂高程408.60 m。 閘底板厚 3.00 m，底板高程 397.00 m，基本與原河床地面平均高程持平，建基面置于白云巖弱風化層T 2 L上，建基面高程387.00 m。閘室下游采用底流消能，設(shè) 35.00 m 長，3.00 m 深的消力池，消力池內(nèi)設(shè)Φ80 mm的排水孔，孔排距3.00 m，梅花型布置。始端以 1∶4的坡度連接，連接段長12.00 m。泄洪閘剖面圖如圖2所示。

圖1 沫水電站樞紐平面布置圖

3.2 泄流能力研究[4]

為掌握沫水電站的泄流能力，試驗在電站停機、閘門全開（即當上游來水流量Q＞4 500 m3/s時，電站停止發(fā)電，泄洪、沖砂閘敞泄）情況下，實測了Q=4500～12200 m3/s共9級流量的壩前水位資料。模型推薦方案相比設(shè)計方案上游疏浚范圍從壩上250.00 m延長至360.00 m，疏浚高程仍為 397.00 m，攔沙坎外壩軸線上游250.00 m范圍內(nèi)沖沙閘所在分廂一側(cè)區(qū)域進一步疏浚至395.00 m，電站前池底高程由 397.00 m 降低至 393.00 m。試驗觀測表明：模型推薦方案實測壩前水位較設(shè)計計算的壩前水位偏低0.07～0.34 m；隨著上游來水流量的增大，模型實測壩前水位逐漸接近設(shè)計計算的壩前水位，其中當上游來流量為100年一遇頻率洪水Q=10 800 m3/s時，模型實測壩前水位較設(shè)計計算的壩前水位略高1 cm；當上游來流量為300年一遇校核洪水Q=12 200 m3/s時，模型實測壩前水位較設(shè)計計算的壩前水位略高 4.00 cm?？梢缘贸觯涸摌屑~在Q≤9 970 m3/s（P=2%，設(shè)計洪水）的各級流量情況下，樞紐實際泄流能力略大于設(shè)計計算的泄流能力，而當流量Q＞9 970 m3/s（P=2%）以后，樞紐實際泄流能力與設(shè)計計算的泄流能力基本一致，說明該樞紐的泄流能力基本滿足設(shè)計要求。模型實測與設(shè)計壩前水位流量關(guān)系如圖3[5]。

圖3 模型實測與設(shè)計壩前水位～流量關(guān)系曲線

4 壩下消能及改善措施

4.1 設(shè)計方案壩下消能[6]

按照設(shè)計擬定的沫水電站水庫運行方式，當上游來水流量Q≤4 500 m3/s時，電站正常發(fā)電，水庫水位控制在正常蓄水位405.00 m運行；當上游來水流量Q＞4 500 m3/s時，電站停止發(fā)電，泄洪、沖砂閘敞泄。試驗觀測表明：各級流量敞泄情況下，由于閘門全部開啟，故樞紐河段水流流速相對較為均勻，壩前100.00 m處最大面部流速在 6.02～6.90 m/s之間，最大底部流速在4.35～4.72 m/s之間。 壩下 150.00 m 處最大面部流速在6.75～8.19 m/s之間， 最大底部流速在 6.51～7.65 m/s之間，由此可以看出，隨著流量逐漸增大壩前水位也逐漸增大，各斷面流速變化并不大。因此，設(shè)計方案在全閘開啟敞泄洪的情況下，由于壩上、下游水位差較小，消力池內(nèi)及下游水深較大，出池水流擴散均勻，水流平穩(wěn)，涌浪較小，消能效果良好。

為了了解樞紐在小流量情況下的消能情況，試驗觀測了設(shè)計的擬定閘門控制開啟方式情況下，即當2 576 m3/s≤Q≤4 500 m3/s，電站滿發(fā)，水庫保持正常蓄水位 405.00 m 運行，閘門隔孔全開（閘門均開 1#、3#、5#、7#、9#五孔）時的壩下游消能情況。試驗表明：在5孔閘門局部開啟的各種工況下，由于壩上、下游水位差較大，閘后水深淺、水流急、池內(nèi)未形成明顯的淹沒水躍，主流持續(xù)距離較遠，流速較大，消能效果較差。如此高速的下泄水流連同所挾帶的粗沙卵石可能對閘下游的護坦和海漫造成嚴重的磨蝕破壞，并對下游河床產(chǎn)生較為嚴重的沖刷。

通過對沫水電站樞紐整體的消能情況進行觀測可知，全閘敞泄時大壩下游消能情況較好，但在電站蓄水運行，閘門隔孔全開情況下，大壩下游消能效果較差，需要針對泄洪（沖砂）閘作適當?shù)恼{(diào)整優(yōu)化以改善壩下游消能條件。

4.2 消能方案的優(yōu)化措施

為了優(yōu)化沫水電站樞紐消能工結(jié)構(gòu)尺寸，針對設(shè)計方案消能工在不同開度情況下水流流速、流態(tài)進行了觀測。由于設(shè)計方案Ⅰ區(qū)沖沙閘與Ⅱ區(qū)泄洪閘下游消力池的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，因此試驗中僅對Ⅰ區(qū)沖沙閘進行各種方案的調(diào)整優(yōu)化。試驗針對設(shè)計方案，觀測了電站5臺機組滿負荷發(fā)電、壩前保持正常蓄水位405.00 m運行條件下，沖沙閘不同開啟孔數(shù)和不同開啟高度情況下，大壩下游的水面銜接與消能情況，試驗時下游尾水位按電站滿負荷發(fā)電引用流量加局部下泄流量對應(yīng)的水位進行控制。在沖沙閘局部開啟，閘門開啟高度超過2 m的各種工況下，閘后水深淺、水流急、高速主流持續(xù)很遠，對下游河床產(chǎn)生較為嚴重的沖刷。由此說明設(shè)計方案沖沙閘下游消力池底板高程過高，池內(nèi)水躍紊動不充分，大壩下游水流擴散效果差，不能滿足消能要求。

針對沫水電站設(shè)計方案大壩下游消能設(shè)施存在的主要問題，綜合考慮沫水電站樞紐的總體布置與施工方案，經(jīng)反復對比試驗分析，主要對大壩下游的消能工布置作以下調(diào)整和優(yōu)化：①將泄洪（沖沙）閘下溢流堰和消力池底板之間順坡的斜率由1：4增大至1：3，池后反坡由1：1減緩至1：2；②將Ⅰ區(qū)沖沙閘和Ⅱ區(qū)泄洪閘下游消力池底板高程由394.00 m分別降低至392.00 m和 392.50 m，消力池池長均為 40.00 m；③池后海漫起點頂高程由 397.00 m 降至 395.00 m，其后以i=1/302.5的順坡降至河道整治高程394.50 m。

4.3 修改方案消能效果

試驗同樣觀測了沫水電站滿負荷發(fā)電，大壩前水位保持正常蓄水位405.00 m運行，沖沙閘不同開啟孔數(shù)和開度情況下，實測了消力池下游的流速分布（見表3）和閘下游的水面銜接與消能情況。試驗結(jié)果表明：修改方案在沖沙閘單孔和多孔局部開啟的各種試驗工況下，在沖沙閘下消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動充分，出池水流均勻、流速相對較小、擴散效果好，池后水流很快恢復到表面流速大、底部流速小的天然面流情況。與設(shè)計方案相比，海漫及下游河床底部流速均明顯減小，說明該方案消能效果顯著改善，試驗取得了較滿意的效果。此外，修改方案在沖沙閘單孔或多孔局部開啟且開度達到4 m以上時，消力池下游流速達到4 m/s以上的區(qū)域較大，將對海漫以下河床產(chǎn)生一定的沖刷[7]。

表3 推薦方案I區(qū)沖沙閘閘門局部開啟情況下閘下游最大流速統(tǒng)計表 m/s

5 結(jié)語

沫水電站樞紐在各級洪水流量情況下，模型實測壩前水位與設(shè)計的壩前水位較為接近，當上游來水流量P=1%的洪水Q=10 800 m3/s時，模型實測壩前水位較設(shè)計計算的壩前水位略高1 cm；當上游來流量為P=0.33%的校核洪水Q=12 200 m3/s時，模型實測壩前水位較設(shè)計計算的壩前水位略高4.00 cm。說明該樞紐的實際泄流能力基本滿足設(shè)計要求。

修改方案通過對閘下消力池的結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)整、對閘門開啟順序與開啟高度進行適當控制，有效地改善了大壩下游的消能條件：

（1）修改后的沖沙閘在單孔或多孔局部開啟且開度小于4.00 m的各種工況下，消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動充分，出池水流均勻、流速相對較小，池后水流很快恢復到表面流速大、底部流速小的天然狀況，消能效果良好。

（2）在泄洪（沖沙）閘組合開啟的條件下（即先開啟5孔沖沙閘、后局部開啟泄洪閘），泄洪閘下游消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動充分，出池水流較為平緩，消能效果亦較良好。

（3）在實際運用中，應(yīng)盡量避免沖沙閘單孔局部開啟較大或多孔開啟超過4 m以上，以減小大壩下游的流速，確保大壩下游河床穩(wěn)定。

［1］吳持恭.水力學［M］.北京：高等教育出版社，1979.

［2］ 張緒進，樊衛(wèi)平，張厚強.低閘樞紐泄流能力研究［J］.水利學報，2005.(10).

［3］左啟東.模型試驗的理論和方法［M］.北京：水利電力出版社，1984.

［4］王海云，楊 慶.大單寬流量泄流消能方式研究［J］.水力發(fā)電，2006.(08).

［5］張春財，杜 宇.低水頭泄水建筑物消能防沖研究［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，2008，(02).

［6］ 李東開.低水頭、大流量消能設(shè)計幾點體會［J］.東北水利水電，1995（12）.

［7］毛 野.水工定床模型相似度的研究［J］.水利學報，2002(07).