三河口水利樞紐泄洪消能布置優(yōu)化

趙 瑋 周春選

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

三河口水利樞紐是陜西省內(nèi)跨流域調(diào)水工程——引漢濟(jì)渭工程的兩個(gè)水源工程之一，是整個(gè)引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞，工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（一）型。樞紐地處漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處。壩址處屬秦嶺山脈典型峽谷區(qū)，河谷寬度50m～100m之間，河谷狹窄，壩址巖體主要為變質(zhì)砂巖夾薄層結(jié)晶灰?guī)r，河床砂卵石覆蓋層厚6m～8m，地質(zhì)條件較好。

三河口水利樞紐攔河大壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高145m，壩頂寬9m，壩底厚37m，壩頂上游弧長(zhǎng)500.9m。水庫(kù)正常蓄水位643.0m，水庫(kù)總庫(kù)容 7.1億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容 6.5億 m3，樞紐500年一遇設(shè)計(jì)洪水下泄流量6610m3/s，2000年一遇校核洪水下泄流量7580m3/s，50年一遇消能防沖下泄洪水流量為4560m3/s。

2 泄洪建筑物布置

三河口水利樞紐壩址區(qū)河谷狹窄、岸坡陡峻，參考國(guó)內(nèi)已成高拱壩泄洪建筑物的布置，結(jié)合本工程泄洪流量大、泄洪水頭高、泄洪功率大的特點(diǎn)，經(jīng)多方案研究比選論證，設(shè)計(jì)采用“壩身分層出流、水墊塘消能”的布置型式，泄洪落水區(qū)沿著河道縱向拉開(kāi)，又有橫向的擴(kuò)散，采用分散泄洪、分區(qū)消能。壩身泄洪采用表孔+底孔泄洪布置，表孔作為主要泄洪設(shè)施泄洪，底孔除了承擔(dān)泄洪任務(wù)、在施工期參與導(dǎo)流外，同時(shí)具有在特殊情況下放空水庫(kù)的功能。

泄洪表孔的布置盡可能利用主河床段寬度，3孔布置，孔口尺寸為15m×15m（寬×高，表孔堰頂高程628.0m，最大泄洪流量6020m3/s，與底孔聯(lián)合可宣泄2000年一遇洪水。

泄洪底孔采用2孔左右對(duì)稱布置，可有效地分擔(dān)泄洪任務(wù)，特別是工程運(yùn)行期宣泄常遇洪水，運(yùn)行安全可靠。底孔進(jìn)口高程550.0m，孔口尺寸4m×5m（寬×高），能有效分擔(dān)表孔的泄流壓力，其最大泄洪流量1560m3/s。

表1 近年來(lái)建設(shè)的碾壓混凝土拱壩泄洪能量比較表

為使樞紐下泄洪水能夠充分消能，減輕水流對(duì)壩腳及下游河床和兩岸坡的沖刷，保證大壩和邊坡穩(wěn)定安全，在大壩下游設(shè)置寬70m、長(zhǎng)200m的消力塘，在下泄洪水消能區(qū)形成人工水墊塘，保證下泄洪水的效能效果。

3 泄洪消能布置優(yōu)化研究

三河口水利樞紐由大壩（壩身設(shè)泄洪放空系統(tǒng)）、壩后引水系統(tǒng)、抽水發(fā)電廠房和連接洞等組成，承擔(dān)調(diào)蓄水量、供水、抽水、發(fā)電和防洪等任務(wù)，樞紐功能多、布置復(fù)雜。攔河大壩為碾壓混凝土高拱壩，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)同類大壩中高度位居第二、大壩泄洪流量和泄洪功率均居第一（見(jiàn)表1）。

根據(jù)樞紐壩址處地形、地質(zhì)條件，結(jié)合樞紐功能和建筑物多，經(jīng)過(guò)比較和論證，樞紐采用壩身泄洪是合理、經(jīng)濟(jì)的。由于泄洪建筑物布置集中、河谷寬度狹窄，表孔和底孔下泄水流落差大、落點(diǎn)集中，甚至疊加，使得下游水墊塘內(nèi)水流消能不夠充分，入射水流流速大，對(duì)水墊塘底板沖擊力大，影響水墊塘的結(jié)構(gòu)安全。因此，必須研究有效方式，優(yōu)化泄洪效能建筑物體型，使得下泄水流在空間上盡量均勻分散落入水墊塘內(nèi)，消能更充分，同時(shí)降低水墊塘底板壓力。

3.1 表、底孔泄量分配

泄洪建筑物泄量分配，對(duì)水庫(kù)樞紐的運(yùn)行、效益和消能效果等均有較大型影響。三河口水利樞紐表、底孔泄量分配按照以下原則進(jìn)行：宣泄常遇洪水時(shí)，優(yōu)先開(kāi)啟底孔泄洪，宣泄大洪水時(shí)，先將底孔全部打開(kāi)，表孔局部或全部開(kāi)啟泄洪。因此，底孔泄洪能力的大小選擇成為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)不同孔數(shù)和孔口尺寸的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較，一是考慮碾壓混凝土拱壩壩體填筑要求，不宜出現(xiàn)較大孔口影響壩體結(jié)構(gòu)安全和施工進(jìn)度；二是底孔獨(dú)立泄洪時(shí)水流對(duì)水墊塘底板的沖擊壓力不能過(guò)大，不能超過(guò)其允許值；三是底孔盡可能增加泄量，分擔(dān)表孔泄洪壓力，同時(shí)也能夠在施工導(dǎo)流期和特殊情況下放空水庫(kù)有足夠的過(guò)流能力。通過(guò)多方案研究比選后，確定表孔和底孔泄量分配如表2，和國(guó)內(nèi)同類工程底孔占總泄量15%～40%相比，底孔泄量分配合理。

3.2 表、底孔體型優(yōu)化布置

許多拱壩樞紐壩泄洪采用表孔大差動(dòng)齒坎，底（中）孔窄縫擴(kuò)散，表、底（中）孔分層出流，使得下泄水舌落水位置互相錯(cuò)開(kāi)，消減射流的集中強(qiáng)度，并在下游設(shè)水墊塘來(lái)集中消殺下泄水流能量，工程實(shí)踐證明，這是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的泄洪消能方式。三河口水利樞紐泄洪功率高達(dá)7923MW，采用上述方式后，仍然不能滿足要求，需進(jìn)一步分析研究，進(jìn)行體型優(yōu)化調(diào)整。

經(jīng)分析研究，對(duì)表、底孔體型設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次優(yōu)化調(diào)整，并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。最后布置體型根據(jù)下泄水流水舌落點(diǎn)，對(duì)3孔泄洪表孔的體型進(jìn)行了優(yōu)化，即左、右表孔出口進(jìn)行了采用設(shè)置大俯角跌坎加分流齒坎的形式，中表孔采用橫向擴(kuò)散的舌型挑坎。其中，左表孔坎槽寬度均為7.5m，齒槽俯角45°，齒坎反弧半徑20m，挑角0°，齒坎出口高程611.17m，齒槽末端加設(shè)舌形折坎，出口高程602.89m；右表孔坎槽寬度均為7.5m，齒槽俯角10°，齒坎反弧半徑18m，挑角10°，齒坎出口高程611.70m，齒槽末端末端加設(shè)舌形折坎，出口高程603.31m；中表孔采用舌型擴(kuò)散挑坎，寬度15m，末端為圓弧+折流挑坎，挑坎反弧半徑20m，起挑角度為32.5°，同時(shí)左側(cè)邊墻向外各擴(kuò)散，末端寬度增大至16.5m。

表2 三河口水利樞紐壩身表、底孔泄量分配表

圖1 三河口水利樞紐泄洪建筑物布置簡(jiǎn)圖

圖2 三河口水利樞紐校核洪水工況水位水舌軌跡簡(jiǎn)圖

兩個(gè)底孔相間布置在三個(gè)泄洪表孔中間，孔口尺寸4m×5m（寬×高），出口采用帶跌坎的窄縫挑流消能工，挑坎高程為549.0m，為了避免水舌向心集中，窄縫收縮采用不對(duì)稱式寬尾墩，內(nèi)側(cè)收縮1.75m，外側(cè)收縮1.25m，內(nèi)側(cè)收縮角大于外側(cè)，收縮段長(zhǎng)度為5m，收縮比0.4，見(jiàn)圖 1。

4 模型驗(yàn)證

4.1 水流歸槽及流態(tài)

根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，在泄洪表孔全開(kāi)運(yùn)行時(shí)，邊表孔水舌分為上、下兩層，中表孔則為單層橫向擴(kuò)散水舌，各層水舌挑距各不相同。中表孔水舌最高，挑距也最遠(yuǎn)，橫向擴(kuò)散寬度幾乎與水墊塘底寬相同；左、右表孔水舌挑距稍近，位于中表孔水舌之下，擴(kuò)散寬度各占水墊塘的一半左右。各股水舌落水位置互相錯(cuò)開(kāi)，挑距均不相同，有效對(duì)下泄洪水進(jìn)行了空間分散。

底孔在寬尾墩的作用下，底孔水舌呈直線縱向拉開(kāi)，側(cè)面呈掃帚狀各水位下水舌挑距相差不大，可見(jiàn)水舌外緣挑距135m左右，內(nèi)緣挑距25m左右，縱向入水長(zhǎng)度約110m，兩孔水舌接近平行，沒(méi)有產(chǎn)生向心集中現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

4.2 水墊塘底板壓力特性

泄洪底孔出口采用不對(duì)稱寬尾墩的形式，中表孔采用橫向擴(kuò)散的舌型，左、右表孔采用大俯角跌坎加分流齒坎的措施，通過(guò)設(shè)計(jì)和水工模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，該布置形式有效將下泄水流切割為不同挑射角度的水舌，控制水流落入消力塘預(yù)定位置，大大降低了水墊塘內(nèi)的動(dòng)水壓力。經(jīng)試驗(yàn)，在各種運(yùn)行工況下，該方案水墊塘底板最大沖擊壓力10.5×9.81kPa，小于規(guī)范建議的15×9.81kPa壓力的要求；在設(shè)計(jì)洪水工況下水墊塘底板脈動(dòng)壓力強(qiáng)度最大值61.74kPa，其余工況均小于60kPa，與國(guó)內(nèi)同類工程相當(dāng)。

因此，在各種運(yùn)行工況下，樞紐泄洪時(shí)，水流對(duì)消力塘底板壓力均滿足受力要求，樞紐泄洪安全的，消能是充分的。

5 結(jié)語(yǔ)

三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲高拱壩，是目前國(guó)內(nèi)在建碾壓混凝土拱壩第二高壩，樞紐泄洪總功率7923MW，居國(guó)內(nèi)第一，工程任務(wù)多，建筑物布置復(fù)雜，壩址區(qū)內(nèi)河谷狹窄，岸坡陡峻，設(shè)計(jì)采用壩身表、底孔平面相間布置、聯(lián)合泄洪的方式，壩身表孔和底孔泄洪按照縱向分層拉開(kāi)、橫向單體擴(kuò)散、總體分散歸槽的原則和方法，通過(guò)表、底孔的體型優(yōu)化調(diào)整，保證了樞紐泄洪消能安全。這與與其他類似工程既具有相似的地方，亦具備自己的獨(dú)特之處，為以后類似工程的泄洪效能設(shè)計(jì)提供了有實(shí)用價(jià)值的參考。陜西水利

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