馬來西亞沐若水電站重力壩溢流面臺階式綜合消能設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

肖浩波 周華 丁建新 張永勝

摘要：為解決馬來西亞沐若水電站壩址所在河谷狹窄，地質(zhì)條件較差，高水頭泄洪消能的問題，根據(jù)該水電站重力壩無閘門控制表孔泄洪的特點(diǎn)，通過水氣兩相流數(shù)值計(jì)算和水力學(xué)模型試驗(yàn)研究，采用了“寬尾墩+前置摻氣挑坎+壩面臺階+出口挑流”的綜合消能方式。大壩建成后，經(jīng)歷了超校核洪水的考驗(yàn)，相關(guān)設(shè)計(jì)成果得到了驗(yàn)證。運(yùn)行實(shí)踐表明綜合消能方式是成功的，設(shè)計(jì)研究成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：泄洪消能;臺階式綜合消能;無閘門控制表孔;數(shù)值計(jì)算;模型試驗(yàn);沐若水電站

中圖法分類號：TV653文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.007

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0042 - 07

1 研究背景

臺階式溢洪道在水利工程中的應(yīng)用歷史悠久，最早應(yīng)用于跌水、塘壩。20世紀(jì)60年代末至80年代，臺階式溢洪道開始在中小型水利工程以及碾壓混凝土壩中應(yīng)用[1]。90年代，臺階溢洪道成功運(yùn)用到高水頭、大單寬流量的水利水電工程實(shí)踐中，如水東水電站、大朝山水電站[2]、索風(fēng)營水電站[3]。臺階消能技術(shù)的應(yīng)用不僅加快了工程建設(shè)速度，節(jié)省了工程投資，同時(shí)也減少了下游消能防沖設(shè)施的工程量。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際工程中逐漸采用臺階式消能與新型消能工聯(lián)合的消能方式，例如聯(lián)合運(yùn)用臺階式消能與寬尾墩及前置摻氣坎，可有效減免空化水流與空蝕破壞[4]。臺階消能與新型消能工聯(lián)合技術(shù)在我國多座水電站均取得了較好的實(shí)踐效果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，國內(nèi)外工程利用該技術(shù)泄洪消能的最大臺階壩面高度為90 m。

馬來西亞沐若水電站壩址控制流域面積2 750 km2，庫容120.4億m3，該工程為I等大（1）型，碾壓混凝土重力壩最大壩高146 m，大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000 a一遇，下游消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。壩址所在河谷狹窄，地質(zhì)條件較差，高水頭泄洪消能問題突出[5]。

借鑒國內(nèi)外已有類似工程消能技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)沐若水電站工程特點(diǎn)，通過水力學(xué)、水氣兩相流計(jì)算并經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，采用無閘門控制表孔“寬尾墩+前置摻氣挑坎+壩面臺階+下游挑流消能”的設(shè)計(jì)方案。沐若水電站大壩于2008年開工建設(shè)，2015年底竣工驗(yàn)收。2014年底至2015年2月中旬，經(jīng)歷了約50 d洪水考驗(yàn)，其中約30 d下泄流量超過校核流量，2015年2月9日，入庫流量8 360 m3/s，下泄流量最大達(dá)450 m3/s，大壩成功泄洪，泄洪后壩面臺階、下游河床及兩岸邊坡均未產(chǎn)生破壞。運(yùn)行實(shí)踐表明，綜合消能方式設(shè)計(jì)是成功的，可為相關(guān)工程提供參考。

2 泄洪消能設(shè)計(jì)

沐若水電站工程碾壓混凝土重力壩壩頂高程546 m，最大壩高146 m[6]。圖1為樞紐平面布置示意。

水庫正常蓄水位540.00 m，對應(yīng)庫容為120.43億m3，有效調(diào)節(jié)庫容為54.75億m3，庫容和水庫面積大，具有較強(qiáng)的蓄水能力和滯洪能力[7]。考慮減小下游地區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，采用表孔敞泄方式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)，溢流堰堰頂高程為540 m，5 000 a一遇校核洪水位為542.46 m，堰孔寬度為13.5 m，共4孔。泄槽兩側(cè)設(shè)邊墻，中間設(shè)1道中隔墻，對稱分為2區(qū)。溢流表孔采用開敞式WES實(shí)用堰型，上游曲線采用橢圓曲線，堰頂設(shè)水平段，堰面采用冪曲線。

2.1 臺階消能設(shè)計(jì)

美國的上靜水壩（Upper Stillwater Dam）是世界上第一座采用臺階式泄洪消能的碾壓混凝土壩。國內(nèi)的百色水利樞紐、索風(fēng)營水電站、大朝山水電站也成功采用了臺階消能。沐若水電站水庫具有庫容及面積大，調(diào)蓄及滯洪能力強(qiáng)，下泄流量小等特點(diǎn)，經(jīng)過多年的研究論證，最終采用“寬尾墩+前置摻氣挑坎+壩面臺階+下游挑流”的綜合消能方式，如圖2所示。對臺階的起始位置、高度、坡度與長度進(jìn)行了研究，壩面最終臺階單級高1 m，共120級，總高差120 m。

2.2 下游消能防沖設(shè)計(jì)

動能高度集中是泄水建筑物出泄水流的一個基本特點(diǎn)。從溢流壩泄出的水流，由于勢能轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致水深小，流速高。而天然河道在通過同一流量時(shí)的單寬流量比較小，流速低而水深較大，并且原來河床經(jīng)過長期的自然調(diào)整已形成了沖淤基本平衡的狀態(tài)，于是在建壩以后就存在以下問題：以巨大動能為主的出泄水流，與以勢能為主的下游正常水流如何順利銜接。銜接消能的工程措施很多，按出泄水流與尾水、河床的相對位置來區(qū)分，常見的主要方式有底流、挑流、面流、戽流銜接消能4種形式。

2.2.1 底流消能

考慮溢流面不設(shè)臺階，計(jì)算了下泄流量為2 100，1 600，1 000，550，275 m3/s時(shí)各種底流消能的水力要素。計(jì)算結(jié)果顯示，消力池規(guī)模尺寸隨流量的增大而增大，即下泄流量Q=2 100 m3/s（可能最大流量+基本流量）為消力池的控制工況：消力池水平長度為90.0 m，池底高程為393.0 m。而考慮溢流面設(shè)置臺階時(shí)，消力池水平長度為60.0 m，池底高程為399.0 m（圖3）。

2.2.2 挑流消能

考慮溢流面不設(shè)設(shè)臺階，計(jì)算出下泄流量2 100，1 600，1 000，550，275 m3/s時(shí)的各種挑流消能的水力要素。計(jì)算結(jié)果顯示：采用挑流消能，各種工況均滿足要求，不會危害大壩安全。而考慮溢流面設(shè)臺階消能時(shí)，各種工況均滿足要求，同樣不會危害大壩安全，但因河床狹窄，沖深較大，可能影響兩岸的穩(wěn)定。

2.2.3 面流消能

根據(jù)面流銜接必須滿足基本條件，參考壩面未設(shè)臺階的底流消能計(jì)算，可知下游河床至少需開挖至393 m以下;參考壩面設(shè)臺階的底流消能計(jì)算，可知下游河床至少需開挖至399 m以下;因面流消能工程量巨大，故設(shè)計(jì)中未考慮。

綜合考慮下游水深、流態(tài)、沖坑深、開挖以及工程的經(jīng)濟(jì)性，采用挑流消能形式（圖4）。

3 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證臺階消能設(shè)計(jì)的各項(xiàng)水力參數(shù)，進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及水力學(xué)模型試驗(yàn)研究[8-9]。

3.1 臺階消能數(shù)值計(jì)算

利用k-[ε]氣液兩相流數(shù)學(xué)模型，采用VOF方法，對多種工況下的溢流壩泄洪消能流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了溢流面的流態(tài)、流線、水面線、壓力等水力要素，并計(jì)算了臺階的消能率。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

模型的基本控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、紊動能k方程及紊動能耗散率[ε]方程。采用VOF方法模擬自由面，水氣界面的跟蹤即通過求解連續(xù)方程來完成。

3.1.2 網(wǎng)格及邊界條件

計(jì)算區(qū)域分為3個部分：水庫庫區(qū)與堰面段、臺階泄槽段及出口挑流反弧段（圖5）。模擬工況為下泄流量1 600 m3/s和2 100 m3/s。

網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格和矩形。進(jìn)口分為水進(jìn)口和空氣進(jìn)口2個部分，其中水進(jìn)口邊界設(shè)定為速度入口邊界。出口水流為自由出流，壓力為大氣壓力值，壁面采用無滑移邊界，在黏性底層用壁函數(shù)法處理。

3.1.3 計(jì)算成果

（1）流速壓強(qiáng)分布。從圖6可以看出，在庫區(qū)處，壓強(qiáng)基本呈靜水壓強(qiáng)分布，WES堰曲線段壓強(qiáng)較小，臺階內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)較小，反弧段壓強(qiáng)較大，溢流壩水流運(yùn)動的模擬是合理的。

（2）消能率。壩面臺階的消能效果一般用消能率來衡量：

[η=E1-E2E1×100%]

式中：E1為壩前水流單位水體總能量;E2為反弧最低點(diǎn)水流單位水體總能量。

臺階消能率計(jì)算結(jié)果見表1，表明消能率隨著單寬流量的增大而減小。

3.2 水力學(xué)模型試驗(yàn)

針對泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)進(jìn)行了1∶40的水工斷面模型試驗(yàn)研究[10]，主要成果如下。

3.2.1 臺階流態(tài)

圖7給出了模型在各級流量條件下運(yùn)行時(shí)的整體流態(tài)。試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，經(jīng)挑坎和寬尾墩形成的挑射水流與下游臺階壩面順直銜接，無不利流態(tài)產(chǎn)生。摻氣挑坎和寬尾墩后形成穩(wěn)定的補(bǔ)氣空腔，經(jīng)表面自摻氣和底部強(qiáng)制摻氣后，臺階壩面上形成表面有摻氣水流、底部有穩(wěn)定含氣旋滾的典型臺階滑移流態(tài)。

3.2.2 臺階壓強(qiáng)及水面線

最大流量（Q=2 160 m3/s）條件下堰頂水平段下游的WES堰面壓強(qiáng)測點(diǎn)出現(xiàn)了-0.73×9.81 kPa的負(fù)壓，隨著流量減小負(fù)壓值變小，在中小流量（Q≤480 m3/s）條件下，曲線壩面段承受正壓。

試驗(yàn)流量條件范圍內(nèi)，WES段末端的前置摻氣挑坎挑起的水舌落在第5～8級臺階上，流量越大沖擊區(qū)的位置越靠后，沖擊壓強(qiáng)越大。當(dāng)條件為可能最大流量+基礎(chǔ)流量，即最大流量（Q=2 160 m3/s）時(shí)，在第8級臺階水平面上測到最大沖擊壓強(qiáng)為4.97×9.81 kPa。100 a一遇洪水流量Q=190 m3/s時(shí)，在第6級臺階水平面上測到最大沖擊壓強(qiáng)為2.49×9.81 kPa。

溢流壩臺階上的時(shí)均壓強(qiáng)沿程呈波動變化，且各測點(diǎn)的壓強(qiáng)均基本隨流量增加而增大。

3.2.3 摻氣效果

試驗(yàn)觀測結(jié)果表明：在臺階豎直面加設(shè)的摻氣孔后沒有形成明顯空腔，豎直摻氣通道中未測得明顯風(fēng)速。但小流量條件下，水平摻氣孔內(nèi)水體發(fā)生間歇蕩漾，有少量氣體間歇摻入壩面水體改善水流摻氣情況;大流量條件下，摻氣不明顯。同時(shí)，臺階壩面同一測點(diǎn)位置，小流量運(yùn)行時(shí)臨底水流摻氣濃度值高，大流量運(yùn)行時(shí)臨底水流摻氣濃度值低。從堰頂?shù)匠隹谔艋《?，壩面沿程的臨底水流摻氣濃度基本呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。

3.2.4 臺階消能率

消能率模型試驗(yàn)成果見圖8，試驗(yàn)成果表明：單寬流量為3.16～35.59 m3/（s·m），相應(yīng)的消能率均達(dá)到80%以上，并且臺階壩面的消能率隨著單寬流量的增大而減小，模型試驗(yàn)的規(guī)律與水氣兩相流數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。

3.2.5 下游消能防沖

試驗(yàn)結(jié)果表明，各級流量下的最大沖深、最大挑距、后坡比等與數(shù)值計(jì)算一致，滿足規(guī)程規(guī)范要求。

3.3 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)對比分析

由表1（數(shù)值計(jì)算結(jié)果）及圖8（模型試驗(yàn)結(jié)果）可以看出，1 600 m3/s和2 100 m3/s流量下消能率基本接近，同時(shí)消能率隨單寬流量增大而減小。數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)規(guī)律一致，結(jié)果接近。

4 實(shí)際洪水檢驗(yàn)

沐若水電站工程2008年10月正式開工，2011年1月大壩開始碾壓施工，2012年12月下閘蓄水，2015年底竣工驗(yàn)收。圖9為溢流面臺階細(xì)部照，圖10為竣工后的大壩。

施工詳圖階段，壩面臺階出口后地質(zhì)條件較差，設(shè)計(jì)24 m長短護(hù)坦，下游地形高程較低，形成天然水墊，圖11～12為下游河床水墊及地形地質(zhì)情況。

沐若水電站位于熱帶雨林地區(qū)，2012年12月30日，導(dǎo)流洞下閘蓄水。2014年12月28日，水庫水位首次達(dá)到溢流堰堰頂高程540.00 m，表孔開始泄洪。此后，水位不斷上漲，2015年1月10日，首次超過5 000 a一遇校核洪水位542.46 m。2015年2月9日，水庫入庫流量峰值為8 360 m3/s，下泄流量最大達(dá)450 m3/s，水位542.76 m，洪水經(jīng)過溢流面臺階下泄。圖13～14為2015年2月9日大壩泄洪消能情況。

流量Q=450 m3/s時(shí)，單寬流量達(dá)7.5 m3/（s·m），挑流反弧段最低點(diǎn)流速達(dá)17.5 m/s，臺階垂直面未產(chǎn)生負(fù)壓，未發(fā)生空蝕，臺階消能效果良好，消能率約90%。溢流臺階下游挑射水流，水舌主流及波浪位于河床（圖14）。由于泄洪能量大部分經(jīng)臺階消散且下游存在約11.0 m天然深水墊，挑流未形成沖坑，挑流落點(diǎn)距鼻坎約65.0 m，岸邊未見明顯掏刷，兩岸邊坡穩(wěn)定（圖15）。

水位由溢流堰頂540.00 m上升至最高水位542.76 m的泄洪時(shí)段，現(xiàn)場臺階消能及下游挑流消能水力學(xué)要素與數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)的結(jié)果基本接近，規(guī)律基本一致。

泄洪過后，對溢流面臺階和下游消能區(qū)進(jìn)行了全面檢查（圖16），未發(fā)現(xiàn)破壞，僅臺階直角處可見局部磨損，說明臺階消能設(shè)計(jì)是成功的。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)沐若水電站的特點(diǎn)，經(jīng)過多種消能方案的比選，采用“寬尾墩+前置摻氣挑坎+壩面臺階+出口挑流”的綜合消能方式。

（2）采用數(shù)值模擬計(jì)算，得到了模擬區(qū)域的水面線、壓強(qiáng)場和消能率。計(jì)算了流量2 100，1 600 m3/s臺階的消能率，分別為78%，84%，表明臺階的消能率較高，消能率隨單寬流量增大而減小。

（3）水力學(xué)模型試驗(yàn)表明：在各級流量下，臺階壩面壓力基本為正壓，不會出現(xiàn)空化空蝕。模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（4）現(xiàn)場超校核洪水泄洪情況表明：溢流面未產(chǎn)生空化氣蝕，臺階消能效果良好。泄洪后對泄洪建筑物進(jìn)行了全面檢查，未產(chǎn)生破壞，驗(yàn)證了臺階消能設(shè)計(jì)是成功的，可以為類似工程提供參考。

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（編輯：江 文）

Comprehensive energy dissipation design and operation test of gravity dams stepped overflow surface of Murum Hydropower Station in Malaysia

XIAO Haobo，ZHOU Hua，DING Jianxin，ZHANG Yongsheng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.，Wuhan 430010，? China）

Abstract： Murum Hydropower Station in Malaysia are characterized with narrow valley， poor geological conditions and high water head. In order to solve flood discharge and energy dissipation problem， we carried out hydraulics numerical calculation of water - air two phased flow and hydraulic model test . Considering the flood discharge from surface outlets without gate control of Murum Hydropower Station， a composite energy dissipation technology of "flaring pier +? aerated flip bucket in front + stepped outlet bottom surface + deflecting energy dissipation at outlet end" was adopted. The energy facilities experienced trial of over check flood after the dam was built and the relevant design results have been verified. The? practices showed that the composite energy dissipation technology is available and the results can provide reference for the other similar projects.

Key words：flood discharge and energy dissipation;comprehensive energy dissipation by stepped overflow surface ;surface outlet without gate control; numerical calculation; model test;Murum Hydropower Station