某重力壩工程泄洪排沙底孔的運(yùn)行方式研究

王 京，孫雙科，汪 星，3，孟 席，3，柳海濤，喬明秋

（1.中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

1 研究背景

大型重力壩工程的泄水建筑物通常由溢流表孔與底孔（或深孔、中孔）組成，溢流表孔具有超泄能力強(qiáng)、閘門運(yùn)行調(diào)度靈活、安全可靠性高的特點(diǎn)，是確保大壩安全最重要的泄水建筑物；泄洪底孔因布置高程較低，除了參與泄洪之外，還具備一定的水庫(kù)放空功能。對(duì)于水庫(kù)泥沙問題較突出的工程而言，泄洪底孔還需要承擔(dān)排沙任務(wù)，在這種情況下，泄洪底孔通常會(huì)布置于電站進(jìn)水口一側(cè)的大壩壩段上，以確保電站進(jìn)水口“門前清”，因此泄洪底孔對(duì)于重力壩泄洪安全的重要性絲毫不亞于溢流表孔。最典型的是三峽水利樞紐[1-3]，三峽大壩在溢流壩段設(shè)置了23個(gè)泄洪深孔，并在左右電廠進(jìn)水口下方布置排沙底孔，其作用一是通過汛前泄洪使上游庫(kù)水位降低至防洪限制水位145 m，以發(fā)揮水庫(kù)的防洪作用；二是通過排沙底孔進(jìn)行水庫(kù)排沙，起到“蓄清排渾”作用。自工程建成以來，泄洪深孔運(yùn)行頻繁，是三峽大壩常規(guī)運(yùn)行的主力泄洪設(shè)施。我國(guó)雅礱江官地水電站[4]、北盤江光照水電站[5]、瀾滄江黃登水電站[6]等大型重力壩工程也都布置有泄洪底孔。

在消能方式選擇上，大型重力壩泄洪底孔通常以挑流消能方式居多，如前述的三峽、光照、黃登等幾座工程[1，5-6]。在溢流表孔采用底流消能的部分工程中，如官地水電站[4]、五強(qiáng)溪水電站[7]、安康水電站[8]、以及百色水電站[9]等，其泄洪底孔采用了挑流消能方式。也有少部分工程，其泄洪底孔采用底流消能方式，如金沙江向家壩水電站泄洪中孔（與溢流表孔間隔布置）采用了帶有高低坎的底流消能工布置方式[10-11]。

與溢流表孔相比，泄洪底孔在采用底流消能時(shí)通常會(huì)面臨更大的困難：一方面，由于底孔與表孔的下泄流量分別與運(yùn)行水頭的0.5與1.5次方呈正比，上游水位的變化對(duì)底孔下泄流量的影響較小，底孔消力池在宣泄大中小不同頻率洪水時(shí)，消力池消能負(fù)荷并不會(huì)發(fā)生明顯變化。而表孔消力池的消能荷載主要取決于上游水位的高低，在水庫(kù)正常蓄水位及其以下運(yùn)行時(shí)，由于表孔下泄流量明顯低于校核水位運(yùn)行工況，會(huì)大大減輕表孔消力池的消能負(fù)荷?？梢姀南茇?fù)荷角度看，底孔消力池的技術(shù)難度無疑要甚于表孔；另一方面，由于底孔進(jìn)口高程較低，泄槽段水流流速較高，缺乏足夠的空間條件實(shí)施消力池入池流態(tài)的控制，而溢流表孔由于設(shè)置位置較高，可以充分利用溢流壩面的幾何尺度實(shí)施對(duì)消力池入池水流的流態(tài)控制，如采用寬尾墩技術(shù)提升消力池的消能效果、又如下泄水流沿溢流壩面的充分?jǐn)U散可明顯提高消力池入池Fr數(shù)從而提高消能率等?？梢姡瑢?duì)于底孔消力池而言，其水力設(shè)計(jì)的技術(shù)難度也明顯高于表孔。

綜上所述，采用底流消能的泄洪底孔，在水力設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式上，較之于溢流表孔將面臨更多的制約條件與技術(shù)挑戰(zhàn)[12-13]，需要認(rèn)真對(duì)待。本文以壩高為67 m的某重力壩工程為例，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，對(duì)該工程泄洪底孔的運(yùn)行方式進(jìn)行研究與分析，以尋求相關(guān)問題更為有效的解決方案。

2 工程概況

某重力壩工程位于我國(guó)西藏自治區(qū)，為二等大（2）型工程，最大壩高67 m，電站裝機(jī)容量495 MW。電站采用混合式開發(fā)，樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、壩身表、底孔、生態(tài)機(jī)組廠房、生態(tài)流量泄放孔、電站進(jìn)水口、引水隧洞、引水調(diào)壓井、壓力管道、地面發(fā)電廠房及開關(guān)站出線場(chǎng)等組成。

樞紐布置從左到右分別是左岸覆蓋層混凝土重力壩、生態(tài)機(jī)組壩段和右岸重力壩泄洪壩段，電站進(jìn)水口位于右岸壩肩，見圖1。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水流量Q=14 000 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，校核洪水流量Q=17 500 m3/s。

泄水建筑物由分列布置的4個(gè)表孔與2個(gè)泄洪排沙底孔組成，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，消能洪水流量Q=10 600 m3/s。溢流表孔、泄洪排沙底孔、底流消力池布置參見圖2與圖3。泄洪表孔壩段布置在主河床，由4孔14 m×22 m的開敞式溢流堰組成，泄洪表孔壩段總長(zhǎng)72.5 m。表孔堰頂高程3184.00 m，孔口尺寸14 m×22 m（寬×高），表孔閘墩厚度5.5 m。表孔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WES實(shí)用堰型，曲線為y＝0.0367x1.836，后部通過反弧與下游消力池底板相接，消力池長(zhǎng)90 m，底板高程3157 m，尾坎頂高程3165 m。泄洪底孔壩段布置在右岸，壩段總寬度35 m，2底孔之間的中墩厚度為7 m。底孔采用有壓短管型式，堰頂高程3167.00 m，可滿足導(dǎo)流、沖沙的要求。底孔進(jìn)口段頂曲線、側(cè)曲線采用橢圓曲線，出口前頂部壓坡段坡度為1∶6，有壓短管出口尺寸為8 m×10 m（寬×高），其后接堰面拋物線與反弧段，再以突擴(kuò)方式（兩側(cè)突擴(kuò)寬度均為6 m）與消力池護(hù)坦相連，消力池長(zhǎng)100 m，底板高程3157m，尾坎頂高程3167 m。

在試驗(yàn)研究過程中，為改善消力池的消能效果，對(duì)底孔消力池尾坎體型進(jìn)行了體型優(yōu)化研究，采用的具體措施是將連續(xù)坎改為差動(dòng)坎型式：高坎頂高程3170 m、橫向展寬3 m（兩邊側(cè)為4 m）；低坎頂高程3166 m、橫向展寬3 m。對(duì)于本工程而言，底孔消力池采用差動(dòng)式尾坎，不僅有利于消減尾坎附近水位跌落高度，改善消能效果，減輕下游河道沖刷，也有利于底孔排沙運(yùn)行時(shí)消力池內(nèi)泥沙的順利排出。

圖1 樞紐平面布置示意圖

圖2 溢流表孔與底流消力池縱剖圖

圖3 泄洪沖沙底孔與底流消力池縱剖圖

3 水工模型試驗(yàn)研究

3.1 模型設(shè)計(jì)模型按重力相似原則設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶70，模擬范圍包括電站上游500 m庫(kù)區(qū)，樞紐泄洪、消能及發(fā)電建筑物，下游1000 m河段，模擬范圍總長(zhǎng)度約1500 m。

為便于進(jìn)行水流流態(tài)觀察，表孔、底孔與下游消力池均采用有機(jī)玻璃制作，下游河床按動(dòng)床模擬。試驗(yàn)研究的主要量測(cè)參數(shù)主要包括水位、流量、流速、壓強(qiáng)等，主要測(cè)試儀器設(shè)備包括電磁流量計(jì)、高精度電磁流速儀、壓強(qiáng)傳感器、測(cè)壓排等。流速測(cè)量采用日本JFE advantech公司生產(chǎn)的二維電磁流速儀ACN-41F測(cè)量，測(cè)量精度為0.5 cm/s。消力池下游按抗沖流速3～5 m/s進(jìn)行動(dòng)床模擬，散粒體模型砂粒徑采用4～10 mm，鋪沙高程為3164 m。

限于篇幅，本文主要給出泄洪底孔的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 底孔泄流能力試驗(yàn)觀察表明，底流消力池入池水躍躍首基本不會(huì)波及至工作閘室，因此底孔泄流能力不受下游水位變化影響，主要取決于上游水位高低。

泄流能力試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)于上游死水位3203 m、正常蓄水位3206 m與校核水位3208.8 m運(yùn)行工況，泄洪底孔下泄流量分別為1643.4 m3/s、1735.6 m3/s、1817.5 m3/s。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按式（1）可計(jì)算得到底孔流量系數(shù)為0.908～0.912，其平均值為0.91。

式中，Q為下泄流量，m3/s；m為流量系數(shù)；B、H為孔口寬度與高度，m；ΔH為自孔口頂端起計(jì)的工作水頭，m。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，短有壓進(jìn)水口的流量系數(shù)大體為0.88～0.90[14-15]，本工程泄洪底孔的流量系數(shù)量值相對(duì)偏高。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，孔口高度（10 m）量值相對(duì)較大，且壓板段頂坡坡比相對(duì)較?。?∶6）是導(dǎo)致流量系數(shù)偏大的主要原因。文獻(xiàn)[11]給出了可計(jì)及上述參數(shù)影響的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，其形式如下：

式中：m為流量系數(shù)；A1、A2為壓板段上、下游側(cè)過水面積，A1/A2=5/6；s為壓板段頂坡坡比，s=1/6。

根據(jù)式（2），可以計(jì)算得到本工程泄洪底孔的流量系數(shù)為0.91，這一結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合，也驗(yàn)證了上述計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

3.3 底孔消力池水力學(xué)指標(biāo)與下游沖刷本工程水庫(kù)泥沙問題較為突出，為確保電站進(jìn)水口“門前清”，設(shè)計(jì)方面最初擬定的泄水建筑物運(yùn)行方式為：在宣泄中小洪水時(shí)，優(yōu)先開啟兩個(gè)底孔進(jìn)行泄洪排沙運(yùn)行；當(dāng)2底孔下泄流量不能滿足泄洪要求時(shí)，再開啟表孔泄洪。

根據(jù)上述運(yùn)行方式，首先針對(duì)2底孔全開運(yùn)行工況開展了試驗(yàn)研究，不失代表性，針對(duì)如表1所示的2個(gè)典型運(yùn)行工況進(jìn)行了試驗(yàn)研究：工況1為50年一遇洪水、消能防沖運(yùn)行工況，2底孔全開運(yùn)行，4表孔同步局開運(yùn)行，根據(jù)泄洪能力試驗(yàn)結(jié)果，確定表孔開度為9.8 m；工況2為2年一遇洪水工況，2底孔全開運(yùn)行，下泄流量為3286.8 m3/s，表孔不泄洪，因下游水位較低，是底流消力池水力學(xué)指標(biāo)的控制工況。為研究底孔不同運(yùn)行方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，針對(duì)2年一遇洪水、2底孔局部開啟、表孔參與泄洪的運(yùn)行工況3進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，見表1。該工況下，2底孔采用半開運(yùn)行，下泄流量1574 m3/s，表孔同樣采用4孔齊步局開泄洪，下泄流量1712.8 m3/s。

表1 試驗(yàn)研究工況

試驗(yàn)中量測(cè)了底孔消力池沿程水面線、底板壓強(qiáng)、臨底流速、出池流速、以及消力池護(hù)坦下游河道沖刷等水力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)表明：

（1）在消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇洪水條件下，底孔消力池水面高程低于邊墻墻頂5.3 m，底孔消力池最大臨底流速19.9 m/s，尾坎出池流速為3.6 m/s，消力池出池水流與下游水面銜接基本平順，消力池護(hù)坦以下下游河道最大沖刷深度為6 m。

（2）在宣泄2年一遇洪水、2底孔全開運(yùn)行工況下，底孔消力池最大臨底流速24.5 m/s，其量值高于50年一遇消能防沖工況，消力池出池水流與下游河道水面銜接不夠理想，存在較明顯的跌流流態(tài)，尾坎出池流速高達(dá)12.1 m/s，消力池護(hù)坦以下下游河道最大沖刷深度為13.4 m，沖刷坑等值線分布見圖4所示。

（3）在宣泄2年一遇洪水、2底孔半開、4表孔局開參與泄洪、運(yùn)行工況下，消力池出池水流與下游河道水面銜接平順，尾坎出池流速由全開時(shí)的12.1 m/s下降至3.5 m/s，護(hù)坦流速由全開時(shí)的9.5m/s下降至3m/s，消力池護(hù)坦以下下游河道最大沖刷深度僅1.2 m，沖刷坑等值線分布見圖5所示。

（4）進(jìn)一步的研究表明，以2底孔半開為前提條件，泄洪表孔參與泄洪的運(yùn)行方式下，在50年一遇消能防沖設(shè)計(jì)洪水范圍內(nèi)，底孔消力池尾坎以下下游河道沖刷的最不利工況為宣泄20年一遇洪水工況，對(duì)應(yīng)的最大沖刷深度為5.3 m。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，建議設(shè)計(jì)方面對(duì)最初擬定的泄水建筑物運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：在宣泄20年以下中小洪水時(shí)，采用表孔參與泄洪、兩個(gè)底孔局部開啟方式進(jìn)行泄洪排沙運(yùn)行。

圖4 下游河道沖刷情況（工況1：2年一遇洪水、2底孔全開泄洪、表孔不泄洪）

圖5 下游河道沖刷情況（工況3：2年一遇洪水、2底孔半開泄洪、表孔參與泄洪）

針對(duì)調(diào)整后的泄水建筑物運(yùn)行方案，開展了系統(tǒng)的水工模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究工況組合與下游沖刷試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在宣泄2年、5年、10年一遇的中小洪水工況下，表孔與底孔消力池下游沖刷情況得到顯著改善，底孔消力池下游最大沖坑深度僅1.2 m，表孔消力池下游最大沖坑深度也僅為3.4 m，表明對(duì)于本工程而言，對(duì)泄水建筑物運(yùn)行方式進(jìn)行的優(yōu)化調(diào)整是十分富有成效的。

表2 泄水建筑物運(yùn)行方式組合與消力池下游最大沖坑深度

4 底孔運(yùn)行方式分析與調(diào)整

前述試驗(yàn)研究結(jié)果表明，泄洪運(yùn)行方式對(duì)本工程底孔消力池的消能效果有顯著影響：在宣泄中小洪水、2底孔全開運(yùn)行時(shí)（表孔不參與泄洪），消力池出池水流與下游河道水面銜接不夠理想，存在較明顯的跌流流態(tài)，尾坎出池流速高達(dá)12.1 m/s，消力池護(hù)坦以下下游河道最大沖刷深度為13 m，可見消力池消能效果存在明顯不足。而2底孔采用半開運(yùn)行（表孔參與泄洪）時(shí)，底孔消力池出池水流與下游河道水面銜接平順，尾坎出池流速3.5 m/s，護(hù)坦流速3 m/s，消力池護(hù)坦以下下游河道最大沖刷深度僅1.2 m，表明2底孔采用半開運(yùn)行時(shí)，底孔消力池消能效果良好。

進(jìn)一步的分析表明，本工程表孔與底孔消力池的最大入池單寬流量分別為182.7 m2/s、200 m2/s，按入池流速24 m/s計(jì)算，則對(duì)應(yīng)的入池Fr數(shù)分別為2.78與2.66。而根據(jù)水躍消能理論，當(dāng)消力池入池Fr數(shù)在2.5～4.5范圍時(shí)，水躍具有不穩(wěn)定性，消能率低于44%。本工程表孔與底孔消力池的入池Fr數(shù)接近于2.5～4.5的下限值，因此消力池消能效果存在先天不足，且底流消力池更甚于表孔。對(duì)于表孔而言，在宣泄中小洪水情況下，上游水位的降低以及局部開啟運(yùn)行方式，都會(huì)顯著降低下泄流量并明顯增大表孔消力池入池Fr數(shù)，進(jìn)而提升其消能效果；而對(duì)于底孔而言，只有當(dāng)局部開啟運(yùn)行時(shí)，才會(huì)明顯增大消力池入池Fr數(shù)，而上游運(yùn)行水位的變化對(duì)于底孔這樣的有壓進(jìn)口而言并不會(huì)導(dǎo)致下泄流量與入池Fr數(shù)的明顯改變?？梢?，從入池單寬流量與運(yùn)行條件看，底孔消力池的消能效果均不如表孔，在中小洪水運(yùn)行工況下，由于下游水位較低，更容易導(dǎo)致消能效果欠佳。因此，對(duì)本工程而言，在宣泄中小洪水時(shí)，應(yīng)避免表孔不參與泄洪的2底孔全開運(yùn)行方式，而采用表孔參與泄洪的底孔半開運(yùn)行方式進(jìn)行，這樣可以在確保泄洪安全的前提下，實(shí)現(xiàn)底孔的排沙功能。

根據(jù)上述分析，為確保泄洪安全，對(duì)本工程泄水建筑物的運(yùn)行方式進(jìn)行如下調(diào)整：在宣泄20年一遇以下中小洪水時(shí)，采用2底孔半開、表孔參與泄洪的運(yùn)行方式，實(shí)施泄洪排沙運(yùn)行；當(dāng)遇到高于20年一遇以上洪水時(shí)，2底孔與4表孔全開泄洪。

在后續(xù)工作中將針對(duì)底孔壩段與消力池的布置體型開展進(jìn)一步優(yōu)化研究。

5 結(jié)論

采用底流消能的重力壩泄洪底孔，通常兼具泄洪、排沙、放空等多種功能，但與溢流表孔相比，其在體型布置、消能工消能效果與運(yùn)行方式上將面臨更多挑戰(zhàn)，需要給予更為充分的關(guān)注。

本文針對(duì)壩高為67 m的某重力壩工程進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了泄洪排沙底孔運(yùn)行時(shí)底流消力池的水力學(xué)指標(biāo)與下游沖刷情況，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)卓兹_泄洪宣泄中小洪水時(shí)，因入池Fr數(shù)較小，消力池下游水深不足，導(dǎo)致消力池消能效果欠佳，下游河床出現(xiàn)嚴(yán)重沖刷。因此在宣泄中小洪水時(shí)，應(yīng)避免表孔不參與泄洪的2底孔全開運(yùn)行方式。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本工程泄洪排沙底孔的運(yùn)行方式進(jìn)行了調(diào)整，采用半開運(yùn)行方式取代全開運(yùn)行方式，可顯著提高消力池消能效果并減輕下游沖刷，是適合于本工程的泄洪排沙運(yùn)行方式。研究成果可供類似工程參考。