白鶴灘水電站泄洪洞水力特性研究

徐建榮，彭 育，薛 陽，陶俊佳，都 輝

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，311122，杭州）

一、概 述

白鶴灘水電站3條泄洪洞均布置在左岸，采用進(jìn)口短有壓接龍落尾型式的長無壓隧洞，由進(jìn)口閘門段、上平段、龍落尾段和挑流鼻坎組成。3條洞長度分別為2317.0 m，2258.5 m和2170.0m，單洞最大泄量4100m3/s，最大流速達(dá)45 m/s。進(jìn)口為短有壓進(jìn)水口，控制閘門孔口尺寸15 m×9.5 m（寬×高），進(jìn)口底檻高程 770 m，設(shè)計(jì)水頭57.83 m。無壓洞段為城門洞形，斷面尺寸為 15 m×18 m（寬×高），直墻高14 m。上平段底坡為1.5%，上平段末端通過渥奇曲線與龍落尾段陡坡相接，陡坡段沿程共設(shè)置3道摻氣坎，泄洪洞出口高程650 m，分別采用斜切坎和扭曲鼻坎挑流。

二、壓坡曲線對泄洪洞進(jìn)口段水力特性的影響研究

有壓進(jìn)口段在弧形工作閘門上游設(shè)有平板事故閘門，事故閘門與工作閘門之間的頂部壓坡坡比原設(shè)計(jì)為1∶4，通過常規(guī)水工模型試驗(yàn)和閘門水力學(xué)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泄洪洞正常泄洪時進(jìn)口段壓強(qiáng)分布均勻，流態(tài)平順，但在事故閘門動水關(guān)閉過程中，當(dāng)工作閘門開度為25%～50%時，門后回溯水流沖擊事故閘門下游面板。為改善事故閘門動水關(guān)閉過程中的不利水流流態(tài)，將頂部壓坡由1∶4調(diào)整為1∶5，壓坡長度由10 m增至12.5 m。調(diào)整后的有壓進(jìn)口段體型模型試驗(yàn)結(jié)果表明，閘門后水流條件得到明顯改善。同時，為了進(jìn)一步驗(yàn)證進(jìn)口體型的合理性，對有壓進(jìn)口段的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析。從有壓進(jìn)口段流線及等流速線分布圖（見圖1）可以看出，進(jìn)口段水流流線平順，流速分布均勻，隨著壓坡段斷面收縮，流速逐漸加大。從有壓段末端斷面流速分布（見圖2）也可以看出，有壓段末端的流速分布均勻。進(jìn)口段無負(fù)壓出現(xiàn)，水流空化數(shù)均大于0.3。研究結(jié)果表明，泄洪洞進(jìn)口體型合理。

三、上平段底坡的選擇

泄洪洞上平段單洞最大長度為1908 m，為同類工程中最長的無壓緩坡洞。泄洪洞是白鶴灘工程宣泄常年洪水最主要的泄洪通道之一，要求泄洪洞在防洪限制水位下具備一定的泄流能力，進(jìn)口底板應(yīng)位于防洪限制水位以下一定深度，因而上平段全段流速較大，存在空化空蝕風(fēng)險(xiǎn)。泄洪洞單寬流量高達(dá) 272 m3/（s·m）， 上平段摻氣試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上游庫水位在防洪限制水位785 m至正常蓄水位825 m之間時，摻氣坎下游難以形成穩(wěn)定的摻氣底空腔，通氣孔完全被回溯水流封堵，不能正常工作。即使上游水位超過正常蓄水位，回溯水流強(qiáng)度雖有所減弱，但摻氣底空腔的有效長度仍較小。由此可見，難以保證各種泄洪工況下設(shè)在上平段的摻氣坎能正常工作，而高速水流下的摻氣坎一旦不能正常工作，將成為空化空蝕破壞的潛在源。因此，大單寬流量、高流速、小弗氏數(shù)、長距離緩坡度條件下的泄洪洞上平段不宜設(shè)置摻氣坎。經(jīng)過多方案計(jì)算和試驗(yàn)比較，上平段底板縱坡坡比采用1.5%。此坡比下在工作閘門在600 m后的洞內(nèi)流態(tài)達(dá)到近似均勻流狀態(tài)，斷面平均流速至上平段末端已逐漸降至26 m/s左右，水流空化數(shù)不低于0.41，上平段發(fā)生空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖1 有壓進(jìn)口段流線及等流速線分布圖

圖2 有壓段末端斷面流速分布

四、龍落尾段摻氣坎研究

1.摻氣位置及數(shù)量的確定

白鶴灘泄洪洞龍落尾段水流流速高達(dá)45 m/s，極易發(fā)生空化空蝕破壞，是泄洪洞設(shè)計(jì)面臨的重要技術(shù)難題，強(qiáng)迫摻氣減蝕措施是防止過流面遭受空蝕破壞的常用手段。摻氣坎的位置和數(shù)量，根據(jù)水流流速、易發(fā)生空化的部位及每級摻氣坎能保護(hù)的范圍等因素綜合確定。

由于渥奇曲線末端后的流速已經(jīng)超過30 m/s，其下游斜坡段最小空化數(shù)為0.24，因此第一道摻氣坎應(yīng)布置在渥奇曲線末端。一般情況下，摻氣設(shè)施能覆蓋保護(hù)的長度在反弧段為 70～100 m，在平直段為 100～150 m。#1和#2泄洪洞的陡坡段長約260 m，反弧段末端直接連挑流鼻坎，分別在陡坡段中部、反弧起點(diǎn)上游45 m處設(shè)置第二道和第三道摻氣設(shè)施，3道摻氣設(shè)施保護(hù)的水平長度分別為100 m、110 m和110 m。#3泄洪洞的陡坡段長約220 m，反弧段下游連接長約120 m的斜坡段，在陡坡段中部和反弧末端分別設(shè)置第二、三道摻氣設(shè)施，3道摻氣設(shè)施保護(hù)的水平長度分別為100 m、150 m和120 m。

2.底摻氣坎體型研究

泄洪洞單寬流量大、水深厚，為提高渥奇曲線及其下游斜坡段底板壓力，龍落尾段采用了1∶3.72和1∶4的較緩底坡，增大了底摻氣坎體型的設(shè)計(jì)難度。常規(guī)的摻氣槽型式易積水，單純采用挑坎摻氣或者跌坎摻氣難以實(shí)現(xiàn)龍落尾段的有效摻氣。根據(jù)水工模型試驗(yàn)研究成果，底摻氣設(shè)施采用了挑坎加跌坎型式。位于渥奇曲線末端的第一道摻氣坎處，水流流速約30 m/s，但由于水較深，弗氏數(shù)相對較小，受跌坎下游底坡影響，底空腔回水較明顯。該道底摻氣坎采用了“跌坎+坎后變底坡”的型式，減小了摻氣射流的沖擊角，增加了射流長度，從而有效地消除了底空腔回水現(xiàn)象?；诙喾桨改Ｐ驮囼?yàn)比較論證，第一道摻氣坎挑坎高度為0.44 m、跌坎高度為2 m，第二道摻氣坎挑坎高度為0.5 m、跌坎高度為1.5 m，第三道摻氣坎挑坎高度為0.3 m（#3泄洪洞為 0.2 m）、跌坎高度為1.5 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，各道摻氣坎最大底空腔長度約為23～27 m，空腔長度合適，空腔形態(tài)穩(wěn)定。

3.側(cè)摻氣坎體型研究

大單寬流量、高流速泄洪洞由于水較深，僅設(shè)底部摻氣時，邊墻會存在摻氣盲區(qū)，白鶴灘泄洪洞曾在水工模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了邊墻摻氣盲區(qū)。所以邊墻摻氣減蝕同樣應(yīng)引起重視，邊墻摻氣坎有側(cè)收縮和側(cè)突擴(kuò)兩種型式。1∶40比尺模型試驗(yàn)的大量比較研究表明，無論是收縮式側(cè)摻氣，還是突擴(kuò)式側(cè)摻氣，只要體型參數(shù)設(shè)計(jì)合理，均可形成穩(wěn)定、有效的側(cè)空腔，起到保護(hù)邊墻免于空蝕破壞的作用。但側(cè)突擴(kuò)型式的邊墻摻氣坎對體型尺寸變化的敏感性相對較小，不會因?yàn)轶w型尺寸的微小變化而引起明顯的水流形態(tài)改變，工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)相對較小，更適合于白鶴灘工程泄洪洞。龍落尾段沿程流速逐漸增大，側(cè)摻氣坎空腔越往下游越容易形成，因此龍落尾段三道側(cè)墻突擴(kuò)式摻氣坎的變化厚度逐漸減小，分別為0.35 m、0.25 m和0.15 m。水流通過邊墻側(cè)擴(kuò)后，流向發(fā)生改變，易在摻氣坎后出現(xiàn)水翅，惡化下游水流流態(tài)。經(jīng)過試驗(yàn)研究，提出了側(cè)摻氣坎與底摻氣坎不在同一斷面位置的摻氣坎型式，第一道和第二道側(cè)摻氣坎位置向上游后退分別為0.8 m和1.2 m，第三道側(cè)摻氣坎不后退，有效解決了設(shè)置側(cè)摻氣坎引起的水翅問題。

五、出口挑流鼻坎體型研究

白鶴灘3條泄洪洞均布置在左岸，對岸灘地適當(dāng)擴(kuò)挖后，有充足的河道寬度和水體進(jìn)行挑流水舌的消能和水流歸槽。泄洪洞出口挑流鼻坎體型必須控制水舌落點(diǎn)位于河道中部，盡量分散水舌，降低單位入水能量。通過1∶100比尺的水工定床和動床模型試驗(yàn)，對連續(xù)式、斜切式、扭曲式、窄縫式、舌形擴(kuò)散式、燕尾式等各種類型鼻坎進(jìn)行了充分的比較試驗(yàn)研究，#1泄洪洞采用斜切式鼻坎、#2和#3泄洪洞采用扭曲鼻坎，#1鼻坎邊墻平面不偏轉(zhuǎn)，#2和#3鼻坎邊墻向下游偏轉(zhuǎn)。3條泄洪洞挑射水舌空間分布合理，充分利用河道寬度分散消能，無水舌重疊、碰并現(xiàn)象，水流歸槽順暢。

六、出口消能防沖研究

泄洪洞出口消能區(qū)原河道枯水期水面寬度為70～110 m，出口對岸為寬約200 m、厚20～30 m的崩坡積灘地。覆蓋層受泄洪洞挑流水舌沖刷和霧化降雨沖刷，將在下游河道形成淤積堆丘，抬升電站尾水位。因此，須在出口消能區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮拥劳赝?，并形成消能沖坑，對消能區(qū)河道兩岸岸坡進(jìn)行防護(hù)。通過河道動床模型試驗(yàn)研究，選擇河床底部預(yù)挖沖坑底高程為585m（天然河道枯水期最低水位），預(yù)挖范圍沿河道縱向長約900 m。預(yù)挖后河床寬度可增至170～280 m，河道流態(tài)改善，岸邊流速和回流流速都明顯降低，均小于基巖的抗沖流速。水舌沖坑位于河床中央，不影響兩岸岸坡坡腳。對于泄洪后產(chǎn)生的淤積堆丘，將結(jié)合后期電站尾水要求進(jìn)行二次挖除。

七、結(jié) 語

白鶴灘泄洪洞規(guī)模和技術(shù)難度大，針對泄洪洞水力特性，開展了大量的模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究成果表明，較緩的進(jìn)口有壓段頂坡有利于改善有壓段水流流態(tài)，避免回溯水流沖擊事故閘門；對于弗氏數(shù)較小的高

水頭長距離緩坡洞段，選擇合適的底板縱坡，使得水流流態(tài)接近均勻流，能夠?qū)⒀爻塘魉倏刂圃谙鄬^低范圍，避免發(fā)生空化空蝕現(xiàn)象；對于高流速、大單寬流量、水深較厚的龍落尾陡坡段，采用側(cè)摻氣坎與底摻氣坎錯開布置的新型聯(lián)合摻氣設(shè)施，能夠同時保證水流底部和側(cè)邊均能形成摻氣水流，也避免了因側(cè)摻氣的設(shè)置而造成水翅現(xiàn)象的發(fā)生；泄洪洞出口挑流采用斜切式鼻坎與扭曲鼻坎組合的型式，達(dá)到了水流充分?jǐn)U散、控制水舌落點(diǎn)和降低河道沖刷的效果。