阿扎德帕坦水電站基本設(shè)計(jì)階段泄洪消能建筑物布置方案研究

楊海燕 鄭慧洋 彭小川 呂會(huì)嬌

大流量、高尾水且河谷狹窄是多個(gè)大型水利水電工程存在的技術(shù)特點(diǎn)之一，由于流量大而溢流前沿寬度有限，泄水建筑物的單寬流量往往比較大，下游河谷狹窄水流下泄動(dòng)能難以及時(shí)消納，泄洪消能建筑物布置設(shè)計(jì)技術(shù)難度較大。根據(jù)中國西南部分地區(qū)水利工程泄洪流量大、單寬流量大、河谷狹窄、下游尾水深的特點(diǎn)，廣西巖灘、云南大朝山、廣西平班和云南功果橋等工程均采用寬尾墩加戽式消力池型式，消除傳統(tǒng)戽流消能中“三滾一浪”流態(tài)及其對(duì)工程的負(fù)面影響，消力戽內(nèi)形成了三元水躍，不僅各水股之間存在強(qiáng)烈的碰撞與摻混作用，各水股與消力池內(nèi)水墊之間也存在強(qiáng)烈的紊動(dòng)摻混作用，該泄洪消能體型能使消能區(qū)與下游水流平順銜接、提高消能率、減輕泄洪霧化影響。工程經(jīng)過多年的實(shí)際運(yùn)行，泄洪水流流態(tài)及消能效果良好，提供了寬尾墩加戽式消力池綜合消能工在解決高壩大單寬流量、低弗氏數(shù)工程泄洪消能問題上的成功經(jīng)驗(yàn)。

巴基斯坦阿扎德帕坦水電站是巴基斯坦吉拉姆河梯級(jí)水電開發(fā)中的一級(jí)，水庫總庫容1.119 億m3，裝機(jī)容量為700.7 MW，最大壩高103 m，工程為Ⅱ等大（2）型工程。1 000 年一遇洪水流量為21 600 m3∕s，10 000 年 一 遇 洪 水 流 量 為29 600 m3∕s，PMF洪水達(dá)到了35 650 m3∕s，按照國外工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照PMF 洪水設(shè)計(jì)，表孔堰頂最大泄洪單寬流量達(dá)到335 m3∕（s·m），超過巖灘（308 m3∕（s·m））和大朝山（193.6 m3∕（s·m）），泄洪單寬流量在國內(nèi)位列前茅。壩址河谷較為狹窄，下游水深達(dá)到54.46 m，該工程具有典型的大流量、高尾水和河谷狹窄特點(diǎn)。

1 泄洪消能建筑物布置

阿扎德帕坦水電站原設(shè)計(jì)方案重力壩布置成曲線形，夾角為33.975°，泄水建筑物布置由7 個(gè)表孔、2 個(gè)底孔組成。表孔布置在大壩底孔兩側(cè)，左壩肩3 孔，右壩肩4 孔，閘門尺寸為14 m×20 m（寬×高），堰頂高程為506 m。采用消力戽消能，消力戽底板高程為450 m，末端布置有挑坎。底孔位于大壩中部，共2 孔，孔口尺寸為7 m×8 m（寬×高），進(jìn)水口底坎高程473 m，采用挑流消能，末端為半徑40 m 的反弧，戽底設(shè)置差動(dòng)坎，反弧挑角25°，挑坎弧長為64.5 m。二道壩在大壩下游約200 m 處，壩頂高程465 m，在二道壩前形成水墊塘，以保證小流量時(shí)溢洪道消力戽末端產(chǎn)生淹沒。原設(shè)計(jì)方案阿扎德帕坦水電站樞紐布置如圖1 所示，表、底孔剖面如圖2 所示。

圖1 阿扎德帕坦水電站樞紐平面布置圖

2 研究線路

阿扎德帕坦水電站泄水建筑物集中布置在主河道且表孔和底孔采用“七表二底”方案，泄洪單寬流量較大，最大單寬流量為335 m3∕（s·m），考慮洪峰流量大、下游水深較大的特點(diǎn)采用戽流消能，壩址兩岸河谷狹窄抗沖能力較差，下游河道消能防沖問題較為嚴(yán)重。通過整體水工模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算，對(duì)樞紐布置方案及各個(gè)泄洪消能建筑物的布置形式和結(jié)構(gòu)尺寸的合理性進(jìn)一步研究驗(yàn)證，優(yōu)化消能設(shè)施及泄水建筑物開啟運(yùn)用方式，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。阿扎德帕坦水電站水工模型試驗(yàn)研究通過建立物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型（采用FLOW-3D 軟件）計(jì)算相結(jié)合的綜合技術(shù)手段開展，對(duì)各典型工況消能工消能效果及下游河道水流流速分布及流態(tài)進(jìn)行了模擬研究。

整體水工模型對(duì)原設(shè)計(jì)方案的泄流能力及消能流態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案1 針對(duì)原設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)的問題對(duì)泄水建筑物進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，在表孔末端增設(shè)寬尾墩及擴(kuò)展消力戽挑坎段出流寬度。優(yōu)化方案3 在優(yōu)化方案2（數(shù)模計(jì)算）的基礎(chǔ)上對(duì)建筑物消能工的體型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，改為寬尾墩加戽式消力池消能方式，取消二道壩布置（本文各方案流態(tài)描述以10 000 年一遇洪水工況為主）。

圖2 原設(shè)計(jì)方案表、底孔剖面圖（單位：m）

3 試驗(yàn)研究成果

3.1 原設(shè)計(jì)方案

10 000 年一遇洪水工況，表、底孔聯(lián)合敞泄流量29 600 m3∕s，上游水流平順的進(jìn)入表孔，經(jīng)WES堰流入消力戽，進(jìn)而進(jìn)入消力池。由于受邊墻收縮影響，挑坎處水流折沖對(duì)撞，隨著流量的加大，水流在消力戽內(nèi)翻滾更加劇烈，流態(tài)更加紊亂，水流亦翻越消力池兩側(cè)平臺(tái)。水流在消力池內(nèi)的消能效果較差，在二道壩位置形成水跌快速流向下游，河道消能防沖壓力較大。

3.2 優(yōu)化方案1

基于原設(shè)計(jì)方案存在的下泄單寬流量大和消力池消能效果較差的問題，對(duì)原方案進(jìn)行了初步優(yōu)化，即在表孔閘墩墩尾增設(shè)寬尾墩和消力戽挑坎位置橫向擴(kuò)寬15 m，挑坎弧長為79.5 m。寬尾墩收縮比為0.5，出口凈寬7.0 m，順?biāo)鞣较蜷L15 m，墩尾寬3.5 m，取消戽底差動(dòng)坎。

10 000 年一遇洪水工況試驗(yàn)，上游庫區(qū)水面平穩(wěn)，水流平順的進(jìn)入表孔，水流在堰頂處流速最大為16.74 m∕s，寬尾墩末端最大表流速為22.72 m∕s，底 流 速 為18.95 m∕s。受 邊 墻 收 縮 影響，挑坎處水流折沖對(duì)撞，水流在消力戽內(nèi)翻滾劇烈，流態(tài)紊亂，水流翻越消力池兩側(cè)平臺(tái)。水流在消力池內(nèi)消能效果較差，在二道壩位置形成水跌快速流向下游，在二道壩后60 m 處流速達(dá)到最大，下游河道消能防沖壓力較大。二道壩頂流速呈表大底小分布，水流最大流速為17.53 m∕s。0+260 斷面主流最大表流速為17.85 m∕s，相應(yīng)位置底流速為10.41 m∕s；0+400 斷面主流最大表流速為11.35 m∕s，相應(yīng)位置底流速為4.90 m∕s；0+500 斷面主流最大表流速為10.02 m∕s，相應(yīng)位置底流速為5.87 m∕s。10 000 年一遇洪水工況水流流態(tài)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化方案1——10 000年一遇洪水流態(tài)

優(yōu)化方案1 與原方案相比，增設(shè)寬尾墩后壩下整體水流流態(tài)及流速分布均有所改善，但整體消能效果仍然不理想，下游河道主流區(qū)最大速度超過10 m∕s，河道右岸及河谷部位易受到?jīng)_刷破壞，需要對(duì)建筑物消能工的體型進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2 保留了優(yōu)化方案1 在表孔布置寬尾墩的消能方式，寬尾墩收縮比為0.5，收縮段長度15 m，將出口挑坎弧長增至99.4 m，以增加消力池規(guī)模，減小下泄水流的單寬流量，改善消能效果。優(yōu)化方案2 采用FLOW-3D 流體計(jì)算軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約1 500 萬個(gè)，研究了該方案在不同工況下的泄洪消能效果。

10 000 年一遇洪水工況下泄水流表層翻滾劇烈，各表孔下泄水流在戽坎出口處折沖對(duì)撞，隨后一起流入下游消力池。水流在堰頂處流速最大為11.80 m∕s，寬尾墩末端最大表流速為24.08 m∕s，最大底流速為26.49 m∕s。水流經(jīng)戽流消能出池流速有所減小，二道壩上水流最大流速為16.43 m∕s，水流在二道壩后形成水跌流向下游河道。下游河道中間水流流速較大，兩側(cè)流速較小，主流略偏向右岸。樁號(hào)0+260 斷面最大流速為12.71 m∕s，樁號(hào)0+400斷面最大流速為9.97 m∕s，樁號(hào)0+500 斷面最大流速為9.47 m∕s。該工況泄洪流態(tài)及流速見圖4、5。

圖4 優(yōu)化方案2——10 000年一遇洪水流態(tài)

圖5 戽式消力池消能斷面流速分布圖

圖6 優(yōu)化方案3——表、底孔剖面圖

相比優(yōu)化方案1，優(yōu)化方案2 戽坎弧長有所增大，但由于戽斗內(nèi)空間較小，水流無法充分旋滾碰撞消能，消能效果整體改善不大，消力池出池流速仍然較大。

3.4 優(yōu)化方案3

優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案2 與原方案相比壩下整體水流流態(tài)及流速分布均有所改善，但仍然不理想，下游河道主流區(qū)最大速度超過10 m∕s，河道右岸及河谷部位易受到?jīng)_刷破壞，需要防護(hù)范圍較大。在總結(jié)上述成果的基礎(chǔ)上，查閱分析了與阿扎德帕坦項(xiàng)目特點(diǎn)類似的國內(nèi)相關(guān)工程資料，并結(jié)合本工程實(shí)際，提出了“曲線重力壩+寬尾墩+扇形戽式消力池”的新型泄洪消能體型。

3.4.1 方案布置

優(yōu)化方案3 寬尾墩收縮比、消力戽半徑均減小，增設(shè)消力戽水平段、斜坡段，戽底高程降低，取消二道壩布置。重力壩布置成曲線形，夾角為33.975°。表孔布置在大壩底孔兩側(cè)，左側(cè)3 孔，右側(cè)4 孔。堰頂高程為506 m，WES 堰面堰面曲線方程為y=0.034 5×x1.85，下游坡度為1∶0.85，閘墩寬6.0 mm。本工程采用寬尾墩和戽式消力池聯(lián)合消能方式，采用Y 形寬尾墩，收縮比為0.387。消力戽半徑25 m，消力戽水平段長40 m，斜坡段（1∶2.5）長度25 m，戽坎長度5 m，消力戽總池長89 m，戽底高程為440 m，戽坎高程為450 m，出口挑角為21.8°。底孔布置不變，優(yōu)化方案3 主要建筑物剖面布置如圖6 所示。

3.4.2 10 000年一遇洪水工況流態(tài)

上游庫區(qū)水面平穩(wěn)，水流經(jīng)WES 堰以17.98 m∕s 的底流速平順的進(jìn)入戽流消力池，由于閘墩尾部沿程逐漸加寬，迫使水流在墩間收縮，在寬尾墩的約束下，出墩折翼高度以下水流兩側(cè)束窄夾起在空中碰撞消能形成片狀水舌，表層水流有橫向擴(kuò)散，以三角形的斷面形式與下部水舌相接，整體看形成一個(gè)類似“Y”形的水舌射入戽流消力池，水舌橫向?qū)挾扔缮系较掠珊褡儽　１砜姿噍^厚，此工況下水舌挑距約為50 m，水流在寬尾墩末端最大流速大于30 m∕s。

水流經(jīng)底孔拋射而出和表孔水流一起射入戽流消力池，底孔水流水舌挑距約60 m，橫向擴(kuò)散寬度約40 m。此工況出底孔水舌有稍許破碎，水流摻混明顯，砸到戽流消力池水面激起較大浪花，戽流消力池內(nèi)翻滾紊動(dòng)，水花四濺，形成乳白色泡沫經(jīng)戽坎向下游擴(kuò)散。水流在戽坎上左側(cè)位置表流速為6.61 m∕s，相應(yīng)位置底流速為12.51 m∕s；中間位置表流速為6.64 m∕s，底流速為14.43 m∕s；右側(cè)位置表流速為7.03 m∕s，底流速為12.96 m∕s。由此可見，此工況下在戽坎斷面，水流流速分布垂向分層明顯，橫向分布相對(duì)均勻，最大流速相比前述方案有所減小。0+200 斷面主流最大表流速為7.40 m∕s，相應(yīng)位置底流速為9.22 m∕s；0+300 斷面主流最大表流速為8.46 m∕s，相應(yīng)位置底流速為6.59 m∕s；0+400 斷面主流最大表流速為9.22 m∕s，相應(yīng)位置底流速為8.73 m∕s；0+500 斷面主流最大表流速為9.36 m∕s，相應(yīng)位置底流速為9.17 m∕s。相比前述方案，水流最大流速減小，流速分布均勻，10 000 年一遇洪水工況水流流態(tài)如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化方案3——10 000年一遇洪水流態(tài)

3.4.3 下游沖坑試驗(yàn)

根據(jù)工程地質(zhì)資料，基巖的抗沖流速為4～5 m∕s，表面覆蓋層的抗沖流速為1 m∕s，試驗(yàn)根據(jù)抗沖流速選取相應(yīng)砂石進(jìn)行模擬。50 年一遇洪水工況下層基巖略有沖刷，沖刷較深點(diǎn)在壩下0+400 斷面上，高程為444.60 m；1 000 一遇洪水工況沖坑最深點(diǎn)位于壩下0+415 斷面與河床中心線的交點(diǎn)，高程為443.8 m；10 000 年一遇洪水工況沖坑最深點(diǎn)位于壩下0+420 斷面與河床中心線的交點(diǎn)，高程為443.0 m，最大沖坑深度約7.0 m。

4 結(jié) 語

（1）阿扎德帕坦水電站工程具有典型的大流量、高尾水的技術(shù)特點(diǎn)，表孔堰頂最大單寬流量為335 m3∕（s · m），壩址兩岸河谷狹窄抗沖能力較差，下游河道消能防沖問題較為嚴(yán)重。原設(shè)計(jì)方案采用戽流消能方式，并在下游設(shè)置二道壩抬高下游水位，試驗(yàn)研究表明泄洪流態(tài)差、消能效率低。

（2）經(jīng)過多個(gè)方案的優(yōu)化比選，汲取類似的國內(nèi)工程成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本工程實(shí)際，提出了“曲線重力壩+寬尾墩+扇形戽式消力池”的新型泄洪消能體型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，戽式消力池內(nèi)形成穩(wěn)定三元水躍，水流內(nèi)部的紊動(dòng)剪切和混摻作用加強(qiáng)，消能效果較好，與下游水流平順銜接，各項(xiàng)水力指標(biāo)均能滿足要求。

（3）該體型具備增大溢流前沿、開挖量小、消能效率高、提高下游界限水深范圍和減輕下游沖刷等優(yōu)勢(shì)，可在同類工程中推廣應(yīng)用。