雙江口水電站洞式溢洪道體型選擇研究

索慧敏，周正軍，何 蘭，張建民

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065)

0 前 言

溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施，溢洪道的設(shè)計和布置合理與否，直接影響到水庫運(yùn)行安全。盡管溢洪道設(shè)計理論和方法在不斷提升，但考慮到溢洪道邊界的復(fù)雜性，結(jié)合模型試驗開展溢洪道的水力特性研究具有重要意義。通過溢洪道過流能力、水面線、流速分布和消能等能為溢洪道體型設(shè)計提供有力依據(jù)[1]。

1 工程概況

雙江口水電站采用大壩、首部地下引水發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)方式。水庫正常蓄水位2 500 m，校核洪水位2 504.42 m，死水位2 420 m。水庫總庫容約28.97億m3，消落深度80 m，調(diào)節(jié)庫容19.17億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。

洞式溢洪道布置于樞紐右岸靠山側(cè)(見圖1)，由進(jìn)口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成，等寬布置，寬度16 m，總長度約2 172 m。其中，進(jìn)口閘室長40 m，無壓洞段長1 776 m，明槽段長294 m，出口挑流鼻坎段長62 m(見圖2)。溢洪道最大設(shè)計泄流流量4 138 m3/s。

從當(dāng)前國內(nèi)外大型溢洪道的建設(shè)水平來看，雙江口水電站洞式溢洪道泄洪規(guī)模較大，屬高規(guī)格大型溢洪道，溢洪道在電站的安全運(yùn)行中占有主要地位，開展溢洪道體型研究十分必要。 本文結(jié)合溢洪道體型布置的基本方案，基于模型試驗成果選擇洞式溢洪道適宜的體型以滿足設(shè)計要求。

2 進(jìn)口段體型

在選擇進(jìn)水渠進(jìn)口形式時，為減小局部水頭損失，針對不同的地形，可選用不同的形式(如喇叭形、直線形、扭曲面形等)以改善進(jìn)流條件[2]。結(jié)合雙江口地形條件并參考類似工程經(jīng)驗，雙江口溢洪道引渠導(dǎo)墻初擬布置方案為規(guī)則的對稱貼坡漸擴(kuò)型。在這種結(jié)構(gòu)體型下，模型試驗表明，雖然引渠段水流流態(tài)較平穩(wěn)，但閘室內(nèi)的水流流態(tài)較差，特別在閘室兩側(cè)門槽上下游處分別產(chǎn)生兩個水流分離區(qū)，會對溢洪道的過流產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在保證進(jìn)口流態(tài)穩(wěn)定且儲備一定的超泄能力的條件下，為使得進(jìn)口段水流過渡更加平緩，在初擬方案的基礎(chǔ)上，上游引渠段導(dǎo)墻盡量采用喇叭口型式并適當(dāng)加長導(dǎo)墻，避免流線過度彎曲。進(jìn)口引渠段導(dǎo)墻調(diào)整為橢圓直墻喇叭口后，模型試驗反映各級流量引渠內(nèi)水流更為平穩(wěn)，進(jìn)水閘室內(nèi)無分離區(qū)出現(xiàn)。

為保證雙江口洞式溢洪道的泄流能力，結(jié)合類似工程經(jīng)驗和多方案試驗論證，洞式溢洪道進(jìn)口采用開敞式WES型實用堰，上游堰高8 m，下游堰高10 m?？刂崎l設(shè)1孔16 m×22 m(寬×高)孔口(堰體剖面見圖3)。在進(jìn)口體型下，各泄流工況泄流均能滿足設(shè)計要求，校核工況泄流量較計算值偏大約1%。敞泄時，溢流面頭部的壓強(qiáng)較小，中段壓強(qiáng)最大；局部開啟時，由于行進(jìn)流速較大，溢流面頭部壓強(qiáng)有所增大，在弧門附近壓強(qiáng)較小，其中在弧門開度為2.25 m時，堰面壓強(qiáng)只有0.21 m，而后迅速增大至敞泄量級；脈動壓強(qiáng)的最大值為0.77 m，出現(xiàn)在校核洪水工況下的溢流面反弧段；其他工況下脈動壓強(qiáng)平均為0.2 m左右。從整體上看，溢流面上水流壓力變化較為平順，脈動值較小，在小開度下未出現(xiàn)負(fù)壓，進(jìn)口設(shè)計基本合理。

圖3 進(jìn)口剖面示意

3 無壓洞段體型

參考類似工程經(jīng)驗并通過初步計算，設(shè)計中無壓洞洞身斷面采用城門洞型，斷面尺寸由進(jìn)口16 m×24 m(寬×高)漸變到出口16 m×20 m(寬×高)，拱半徑8.9 m，中心角130.76°，頂拱高5.0 m。水力學(xué)模型試驗表明，當(dāng)?shù)灼露萯=0.012時，上平段水面略微雍水，而當(dāng)坡度調(diào)整為i=0.015時，校核庫水位對應(yīng)的上平段末端水深實測值為12.0 m。根據(jù)計算所得的水流速度為22 m/s，洞頂余幅為27.9%，此時溢洪道上平段斷面尺寸合理，滿足設(shè)計要求。考慮洞內(nèi)流速不高及洞頂余幅較大，無壓洞段不考慮摻氣及補(bǔ)氣措施。

4 明槽及挑流段體型

4.1 明槽段

初步設(shè)計中，明槽段斷面為矩形且槽寬16 m，其底坡由兩段組成，前段底坡為0.015，后段底坡為0.462。模型試驗表明，陡坡段前段水深較大，沿程水流流態(tài)平穩(wěn)，但槽段最大流速接近50 m/s，水流空化數(shù)小于0.30，根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范[3]，陡槽段需設(shè)置摻氣設(shè)施?；诖耍こ倘藛T設(shè)計研究了2道摻氣坎方案和3道摻氣坎方案：摻氣坎間距為75 m，第1道布置于陡緩坡交界處，采用跌坎式，跌坎高度1.5 m；第2道和第3道采用坎槽式，挑坎高度0.4 m、槽深1.4 m，每道摻氣槽均在兩側(cè)布置通氣孔，通氣孔面積3.97 m2。

模型試驗表明，當(dāng)泄洪流量大于2 000 m3/s時，2道摻氣坎均能正常工作，摻氣空腔穩(wěn)定，無回水現(xiàn)象出現(xiàn)。閘門局開流量為1 000 m3/s時，第1道摻氣坎內(nèi)出現(xiàn)局部回水，但摻氣空腔仍然保持穩(wěn)定；當(dāng)流量為600 m3/s時，由于流速降低，第1道摻氣坎基本失效。模型試驗中，摻氣濃度最小維持在2.5%左右，由于摻氣濃度相似影響，原型值通常大于模型值。當(dāng)原型的摻氣濃度大于3%時，預(yù)計可以滿足摻氣減蝕要求，而對應(yīng)通氣孔最大風(fēng)速為21 m/s，通氣孔面積也滿足要求。

由不同流量的試驗結(jié)果可知，大流量時第1道坎摻氣較為充分，第2道坎摻氣量只有第1道的一半左右。隨著流量減小，摻氣起始位置下移，第1道坎摻氣效能下降，第2道坎摻氣量有所增大，第3道摻氣坎的工作效率最高。鑒于溢洪道運(yùn)行流量變化范圍較大，為保證在小流量下陡槽段的摻氣減蝕效果，在實際體型設(shè)計中設(shè)置了3道摻氣坎。

4.2 挑流段

雙江口洞式溢洪道軸線與下游河道大角度相交，當(dāng)夾角約為50°時，不利于挑流水舌沿河道方向擴(kuò)散，亦不利于下游水流平順銜接歸槽，且易形成回流。此外，溢洪道上下游存在240 m的高水頭差，為了防止泄槽流速過高，溢洪道在布置上不得不抬高出口高程，使得在小流量情況水流下出現(xiàn)砸本岸和開挖量大的問題。

在初步設(shè)計中，洞式溢洪道出口體型為非對稱擴(kuò)散平切體型，寬度由16 m擴(kuò)寬至25 m(見圖4)，下游河道基于水墊塘的設(shè)計思路，采用大擴(kuò)挖及深挖方案。模型試驗反映，出口為平切體型時，挑射水舌入水點(diǎn)的縱向變幅范圍過大，水舌從河床中央下潛頂沖對岸導(dǎo)致對岸沖刷嚴(yán)重，水體空中擴(kuò)散不充分但均勻，岸邊流速過大且存在回流，仍具有小流量起挑困難及砸本岸問題。此外，下游河床采用大擴(kuò)挖及深挖方案，對下游消能未起到應(yīng)有的效果。

圖4 初擬出口平面布置

針對初擬方案存在的缺陷，按如下思路對出口體型進(jìn)行調(diào)整：挑坎高程距河床超過100 m時，采用小角度、零角度或負(fù)角度挑角，減小入水水舌縱向變幅范圍；加大挑坎擴(kuò)散角使水流擴(kuò)散更加充分，減輕對下游河道沖刷；為適應(yīng)河道與溢洪道軸線的大角度幾何關(guān)系，盡量使水流落點(diǎn)沿河方向展開，順應(yīng)地形挑坎出口可考慮斜切出口。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，最終推薦挑坎體型為斜切鼻坎型式，兩側(cè)邊墻非對稱擴(kuò)散，左側(cè)邊墻擴(kuò)散半徑為350 m，右側(cè)邊墻采用圓弧接直切線擴(kuò)散方式，圓弧半徑為350 m，在泄槽末端后設(shè)挑流反弧段，反弧半徑為100 m，挑角為-4.781°～0°；適當(dāng)減小下游兩岸擴(kuò)挖范圍，對挑坎以下邊坡及對岸進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)挖，并與下游河岸平順相接。推薦挑坎體型結(jié)構(gòu)平面布置見圖5。

圖5 推薦挑坎體型結(jié)構(gòu)平面布置

模型試驗驗證表明，在推薦挑坎體型下水流空中擴(kuò)散及消能充分，水舌落點(diǎn)基本沿河方向散開，入水單寬流量小于50 m3/s；在校核洪水工況下，挑坎水舌挑距約為160～200 m，水舌入水角約為65°，主水舌落在靠近河中偏本岸側(cè)，減輕對對岸的直接沖刷，本岸未出現(xiàn)回流；右側(cè)增加小貼角，解決了Q為500 m3/s時主流基本不砸本岸的問題，雖有局部散濺水點(diǎn)，但可通過混凝土護(hù)面解決。

在推薦挑坎體型下，左岸最大流速約5.3 m/s，右岸最大流速約6.09 m/s。 從河床沖刷形態(tài)來看，消能洪水工況下，在本岸溢洪道軸線下游約150 m處形成一堆丘，其他范圍總體上表現(xiàn)為沖刷形態(tài)；河床中部沖坑最低點(diǎn)發(fā)生在溢洪道軸線上游約55 m處，相對沖深約20 m；對岸沖坑最低點(diǎn)發(fā)生在溢洪道軸線下游約25 m處，相對沖深約10 m；沖刷主要涉及覆蓋層。從下游沖刷和岸邊流速分布結(jié)果看，優(yōu)化后的下游河道擴(kuò)挖可行，雖然沖坑較深，但沖坑落在覆蓋層，對基巖影響不大。岸邊流速及下游沖刷形態(tài)見圖6～7。

圖6 推薦挑坎體型下游岸邊流速分布

圖7 推薦挑坎體型下游沖刷形態(tài)(單位：m)

5 結(jié) 語

本文結(jié)合雙江口洞式溢洪道的布置特點(diǎn)和條件，結(jié)合水力學(xué)模型試驗部分主要成果，對溢洪道體型選擇進(jìn)行了探討，得到相關(guān)結(jié)論及如下建議：

(1)保證進(jìn)口流態(tài)穩(wěn)定且儲備一定的超泄能力的條件下，為使得進(jìn)口段水流過渡更加平緩，溢洪道上游引渠段導(dǎo)墻宜盡量采用喇叭口型式并適當(dāng)加長導(dǎo)墻，避免流線過度彎曲；進(jìn)口采用開敞式WES型實用堰，上游堰高8 m，下游堰高10 m。

(2)為保證洞頂設(shè)計余幅，當(dāng)無壓洞段底坡坡度調(diào)整為0.015時，無壓洞段不考慮摻氣及補(bǔ)氣措施。

(3)鑒于溢洪道運(yùn)行流量變化范圍較大，為保證在小流量下陡槽段的摻氣減蝕效果，實際體型設(shè)計中宜設(shè)置3道摻氣坎；為更好適應(yīng)地形布置和挑流消能，最終推薦挑坎體型為斜切鼻坎型式。