“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能在大華橋水電站的設(shè)計(jì)應(yīng)用

丁浩鐸

摘 要：本文講述了“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工在瀾滄江大華橋水電站泄洪表孔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。大華橋水電站泄洪表孔體型包括敞式WES曲線溢流堰、1：0.70的臺(tái)階斜坡、反弧段和戽式消力池，寬尾墩設(shè)計(jì)為Y型。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，Y型寬尾墩收縮比在0.45時(shí)，挑射水舌縱向拉伸充分、形態(tài)穩(wěn)定且摻氣效果好；戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2時(shí)尾坎后下游水面涌動(dòng)明顯減弱，流態(tài)更趨于穩(wěn)定。體型優(yōu)化后，大華橋水電站泄洪表孔布置能夠滿足樞紐泄洪運(yùn)行需要。

關(guān)鍵詞：大華橋水電站 寬尾墩 臺(tái)階壩面 戽式消力池 計(jì)優(yōu)化

1.工程概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，是瀾滄江上游河段的第七級(jí)電站，該電站為碾壓混凝土重力壩，泄水建筑物級(jí)別為2級(jí)，最大壩高106m，多年平均流量925m3/s，總庫容3.15億m3，電站裝機(jī)容量900MW；其攔河壩壩頂高程為1481m，最大壩高106m，壩頂寬度11m，壩頂軸線長度231.5m，其中，泄洪表孔壩段長度91.5m（5孔），采用“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合效能形式并集中布置在主河床，以便水流原位歸槽，減少對(duì)岸坡的沖刷。

2.初步設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1泄洪表孔初步設(shè)計(jì)

2009年，北京國電水利電力工程有限公司完成了大華橋水電站初步設(shè)計(jì)工作，其中：

（1）擋水、泄水建筑物正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期（即設(shè)計(jì)洪水）采用500年一遇，相應(yīng)洪峰流量為11600m3/s；非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期（即校核洪水）采用2000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為13700m3/s；消能防沖設(shè)施：正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量為8300m3/s。

（2）泄洪表孔采用5孔13.5×17m的開敞式溢流堰，堰頂高程1460.00m，采用“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”消能方式；每孔泄洪表孔上游壩面為鉛直面，堰頂上游段堰面曲線采用三心圓曲線，堰頂下游面曲線采用開敞式溢流堰堰面曲線（堰面曲線方程為y=0.047366x1.85，起點(diǎn)高程為堰頂，末點(diǎn)高程為1439.397m，樁號(hào)為下0+029.189），顏面曲線后接1：0.80摻氣槽，摻氣槽末端與1：0.70的臺(tái)階斜坡段相切連接，臺(tái)階斜坡段后接反弧段和戽式消力池，Y型寬尾墩收縮比0.43。

2.2初步設(shè)計(jì)優(yōu)化

大華橋水電站水工整體模型試驗(yàn)由北京國電水利電力工程有限公司委托西安理工大學(xué)水力學(xué)所實(shí)施。西安理工大學(xué)水力學(xué)所需根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)溢洪表孔總體布置及體型修改意見，并提出優(yōu)化方案。

2.2.1模型試驗(yàn)

①模型比尺：大華橋水電站水工模型制作比尺為1：80，由模型試驗(yàn)基本理論可知，模型內(nèi)的水流流態(tài)處于紊流平方區(qū)，故阻力處于自模擬區(qū)，因此模型試驗(yàn)只需滿足重力相似準(zhǔn)則即可。

②模型制作：模型溢洪道均采用透明有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，糟率滿足模型相似率，且易于觀察流態(tài)；試驗(yàn)范圍為上游電站進(jìn)水口上游280m至下游壩軸線下游710m，模型沙粒徑采用公式V=（5～7）d0.5進(jìn)行計(jì)算；供水、穩(wěn)水、量水系統(tǒng)等滿足模型試驗(yàn)要求。

2.2.2初步設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄水建筑物的泄流能力符合并滿足設(shè)計(jì)要求，堰面曲線、消能工整體設(shè)計(jì)合理，局部仍需修改，具體結(jié)論如下：

①為保證堰面部位流態(tài)的穩(wěn)定以及牛腿結(jié)構(gòu)合理可行，5#表孔邊墩向上游延長處理不宜過長，宜控制在9m以內(nèi)。

②原方案寬尾墩收縮比較小、水舌較細(xì)，略有下垂，與類似工程相比不甚理想，建議對(duì)收縮比調(diào)整為0.45，對(duì)寬尾墩的長度，高度進(jìn)行優(yōu)化研究。

③原方案戽池尾坎高6m，下游水面線波動(dòng)仍較大，建議對(duì)消力池尾坎進(jìn)一步降低進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.優(yōu)化方案體型及試驗(yàn)成果

3.1優(yōu)化方案體型

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案的不足，經(jīng)多次體型修改，最終優(yōu)化泄洪表孔體型如下：

3.1.1邊墩體型

邊墩墩頭縮回至壩上0+008.50m，邊墩墩頭曲線為1/4橢圓，橢圓曲線方程為（x2/42）+（y2/62）=1，具體如圖4所示。

3.1.2寬尾墩體型

中孔寬尾墩末端頂高程抬高至1463.50m，邊孔寬尾墩則將外側(cè)墩抬高至1464.00m，內(nèi)側(cè)墩抬高至1462.00m；考慮到抬高寬尾墩末端頂高程會(huì)影響到泄流能力，并且會(huì)使水流觸及閘門支座底緣，優(yōu)化方案中將寬尾墩收縮比ε增大至0.45，則中墩墩厚為3.71m；邊孔寬尾墩的體型仍采取不對(duì)稱布置型式，其中外側(cè)墩厚取4.213m，內(nèi)側(cè)取3.213m，體型如圖5.1～5.2所示。

3.1.3戽池尾坎體型

保持保持戽池坡度1：2.0不變，將尾坎高程調(diào)整至1390.00m，尾坎頂部平面寬度調(diào)整為3m，具體尾坎體型見圖6。

3.2優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

3.2.1泄流能力

泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求：在2000年一遇（大壩校核）洪水位、500年一遇（大壩設(shè)計(jì)）洪水位和200年一遇（廠房設(shè)計(jì)）洪水位工況下，表孔實(shí)測(cè)泄流量分別為11995m3/s、10263m3/s、9895m3/s，與設(shè)計(jì)泄流量的相對(duì)差值分別為-1.28%、0.20%、1.24%。

3.2.2流態(tài)

在進(jìn)行寬尾墩優(yōu)化后，挑射水舌上沿落點(diǎn)更遠(yuǎn)，水舌下垂趨勢(shì)也得以明顯緩解；在消力池尾坎降至1390m高程后，戽式消力池末端及附近下游水面涌動(dòng)明顯減弱，流態(tài)更趨于穩(wěn)定。

3.2.3壁面壓力

堰閘段局部有負(fù)壓，其中2000年一遇洪水在壩0+000.00斷面壓力最小，為-0.20m；寬尾墩壁面壓力最大值約處在寬尾墩銳形迎水面尖角處，最大值不超過11m水頭，整個(gè)寬尾墩上無負(fù)壓產(chǎn)生；臺(tái)階溢流壩面位于水面線以上處壓力最大值不超過8m水頭，位于水面線以下處在10～37m水頭變化；反弧段壁面壓力沿程增大，壓力最大值出現(xiàn)在2000年一遇洪水和500年一遇洪水工況，位于反弧段末端壩下0+071.40m處，壓力均為47.86m。

3.2.4流速

表孔WES堰面段各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)位置臨底流速最大值出現(xiàn)在500年一遇洪水工況，位于壩下0+026.40m斷面，其值為19.6m/s；在臺(tái)階溢流面段臨底流速最大值出現(xiàn)在500年一遇洪水工況下，位于壩下0+040.55m斷面，其值為27.3m/s；從壩下0+080.00m、壩下0+107.60.00m和壩下0+120.00m三個(gè)斷面的臨底流速對(duì)比來看，最大臨底流速出現(xiàn)在50年一遇洪水時(shí)壩下0+080.00m斷面消力池左側(cè)，其值為19.5m/s，表面流速多為負(fù)值，一般為-1～-3m/s，最大值為-5.3m/s，出戽水流表面流速大下部流速小，有利于減輕河床沖刷。

4. 小結(jié)

本文詳細(xì)講述了瀾滄江大華橋水電站泄洪表孔“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工的體型設(shè)計(jì)及優(yōu)化，優(yōu)化方案經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)水力參數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)要求，能夠應(yīng)用于工程實(shí)際。在進(jìn)行“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工設(shè)計(jì)時(shí)，主要需注意以下兩點(diǎn)：

（1）寬尾墩收縮比ε是體型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。恰到好處的收縮比ε能夠使挑射水舌縱向拉伸充分、形態(tài)穩(wěn)定且摻氣效果良好，是保證泄洪表孔流態(tài)控制的關(guān)鍵；經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，大華橋水電站泄洪表孔寬尾墩收縮比ε=0.45選取較優(yōu)。

（2）戽式消力體型設(shè)計(jì)合理則能改善消力池后水面涌動(dòng)，從而減輕對(duì)下游河道和岸坡的沖刷。大華橋水電站泄洪表孔優(yōu)化方案戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2時(shí)尾坎后下游水面涌動(dòng)明顯減弱，流態(tài)更趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬春利，劉韓生，等.沙沱水電站寬尾墩聯(lián)合消能工的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008年第9期：106-109.

[2]劉金星，楊敏.東莊水利樞紐表孔寬尾墩水力特性研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，第25卷第6期，2014：187-191.