牛都水電站狹窄河谷拱壩泄洪消能建筑體型優(yōu)化試驗(yàn)研究

申洪波

(遵義市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563002)

隨著水資源開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，在強(qiáng)喀斯特狹窄河谷修建拱壩蓄水發(fā)電已成為西南山區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用的重要途徑。狹窄河谷拱壩其泄洪建筑物布置和消能工選型常受到泄流量大、落差高、易受沖刷等因素影響，泄洪消能問(wèn)題較為突出[1-2]。針對(duì)高拱壩的特殊性，大量水利科學(xué)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了較為全面的研究，常見(jiàn)的高拱壩泄洪消能基本形成較為完善的解決體系和工程措施。但對(duì)于狹窄河谷壩高只有幾十米的中、低拱壩而言，其通常存在壩身較低、泄洪功率大、消能水體有限等不利因素，當(dāng)泄洪量或單寬流量較大時(shí)，泄洪消能仍較難解決[3-4]。牛都水電站是一座采用壩身表孔泄流的中型拱壩，針對(duì)其建壩河谷狹窄、壩身單薄、百萬(wàn)千瓦級(jí)泄洪功率等特點(diǎn)，開(kāi)展表孔大單寬流量泄洪消能型式及體型模型試驗(yàn)研究[5-6]，以解決好泄洪建筑物的安全泄洪、充分消能和減輕下游沖刷等問(wèn)題，提高工程消能防沖效果，為工程安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

1 工程概況

牛都水電站位于烏江水系一級(jí)支流的芙蓉江干流上游，地處貴州省正安縣土坪鎮(zhèn)境內(nèi)。壩址以上河長(zhǎng)87.4km，流域面積1650km2，多年平均流量34.2m3/s，設(shè)計(jì)洪水流量3710m3/s，校核洪水流量5580m3/s；水庫(kù)校核洪水位(P=0.2%)612.69m，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)608.89m，正常蓄水位608.40m，水庫(kù)總庫(kù)容3720萬(wàn)m3。樞紐建筑物由混凝土拱壩、壩頂中部表孔溢洪道、右岸引水系統(tǒng)、右岸地面廠房及GIS樓等組成，最大壩高53.5m。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。壩址巖體風(fēng)化程度受巖性、構(gòu)造破壞程度及地形影響較大，非可溶巖風(fēng)化程度較可溶巖強(qiáng)烈，可溶性巖層致密堅(jiān)硬，其風(fēng)化特征主要表現(xiàn)為沿節(jié)理裂隙、層面、溶蝕夾泥風(fēng)化，對(duì)其巖體的整體性及強(qiáng)度有所削弱，巖體強(qiáng)風(fēng)化深河床為2～3m、左右岸坡一般4～8m。大壩下游沖刷范圍內(nèi)為灰色薄至中厚層為主夾厚層灰?guī)r及瘤狀結(jié)核灰?guī)r，巖體質(zhì)量為BⅢ2類(lèi)，抗風(fēng)化及抗沖能力中等，壩址河床狹窄，表孔泄洪單寬流量大，下泄水流沖刷河床及兩岸坡，對(duì)壩基、壩肩穩(wěn)定有一定影響，應(yīng)做好消能防沖措施。沖刷系數(shù)1.1～1.3，抗沖刷流速6～8m/s。

為確保泄洪消能建筑物體型在各種設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下，均滿足泄洪及壩身結(jié)構(gòu)安全要求，且下游沖刷對(duì)壩基、壩肩的影響較小，通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)泄洪建筑物的布置形式及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提出工程適宜性強(qiáng)的泄洪消能方案[7-8]。

2 水庫(kù)特征數(shù)據(jù)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 水庫(kù)水位流量特性

為了驗(yàn)證樞紐布置及體型設(shè)計(jì)的合理性、優(yōu)化樞紐布置和泄水建筑物體型，對(duì)牛都水電站進(jìn)行水工模型實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算，計(jì)算水庫(kù)水位流量特性(見(jiàn)表1)。

表1 水庫(kù)水位流量特性

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)提供的下游河床地質(zhì)資料，在河床沖刷范圍，覆蓋層很薄，河床強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5m，弱風(fēng)化層底高程約為562.00m左右，其抗沖流速約為5～7m/s?；鶐r沖刷主要部位在弱風(fēng)化層，試驗(yàn)中，沖積層和強(qiáng)風(fēng)化層被全部去掉，只模擬弱風(fēng)化層。下游基巖的沖刷采用散粒體模擬，選用粒徑為1～2cm的碎石模擬下游基巖的沖刷。模型流量由上游量水堰控制，量水堰內(nèi)水流平順(模型全景見(jiàn)圖1)。為了便于計(jì)算有關(guān)水力參數(shù)，如空化數(shù)等，水深測(cè)點(diǎn)與壓力測(cè)點(diǎn)相同(具體位置見(jiàn)圖2、表2)。

圖1 水工模型全景

圖2 壓力(水深)測(cè)點(diǎn)布置

表2 壓力測(cè)點(diǎn)位置(以溢流堰頂作為零樁號(hào))

3 原泄水消能體型校驗(yàn)

原設(shè)計(jì)方案經(jīng)與“壩身5個(gè)表孔(投資約1218.90萬(wàn)元)”和“壩身3個(gè)表孔+1個(gè)泄洪洞(投資約1382.07萬(wàn)元)”比較，壩身3個(gè)表孔(投資約945.28萬(wàn)元)方案雖表孔泄洪孔口尺寸偏大、下泄洪水能量較集中，沖坑較深，但其壩身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水庫(kù)運(yùn)行管理方便。調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)洪水時(shí)先開(kāi)中部孔口泄洪，當(dāng)下游形成一定厚的水墊后，再開(kāi)2個(gè)邊孔的運(yùn)行調(diào)度方式，減小對(duì)下游岸坡腳沖刷，且下游兩岸基巖多裸露，橫向河谷，對(duì)岸坡巖體穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生大的影響。從投資省、施工干擾小方面考慮，優(yōu)選壩身3個(gè)表孔方案。

原設(shè)計(jì)方案泄洪消能體型校驗(yàn)結(jié)果表明：?所有工況條件下，過(guò)流能力滿足設(shè)計(jì)要求；?消能防沖工況，閘室水面線、堰面壓力及空化數(shù)等也滿足設(shè)計(jì)要求；?下游消能防沖工況下，最深沖坑高程為541.2m，從河床底高程570.00m起算的沖坑深度約為28.8m，且沖坑最深點(diǎn)出現(xiàn)在距溢流堰出口60m左右的位置，而壩的建基面高程為560.00m，沖坑最深點(diǎn)與此點(diǎn)的坡度為1 ∶3，校核工況的沖坑會(huì)更深，沖坑最深點(diǎn)與建基面末端的坡度更陡，不利于大壩安全(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖3 消能防沖工況水舌入水

圖4 消能防沖工況下游沖坑現(xiàn)狀

由圖3和圖4可知，三孔水舌空中較分散，水舌空中碰撞消能效果差；水舌入水方向靠近壩軸線且偏向右岸，入水后匯聚為大流量水流導(dǎo)致右岸沖坑深而陡。分析其原因是泄洪表孔堰形設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致水舌挑射高度和挑距不夠。因此，泄洪消能建筑物體型優(yōu)化主要是減小沖坑深度，或者讓沖坑遠(yuǎn)離大壩。

4 泄水消能優(yōu)化調(diào)整

4.1 優(yōu)化調(diào)整方案

要同時(shí)解決牛都水電站原泄洪消能方案中沖坑深度大和靠近壩軸線這兩方面的問(wèn)題，最好采用面流消能的方式，讓大多數(shù)能量在水面被消耗掉[9-10]。雖然這樣將造成水面波動(dòng)較劇烈，但由于水電站下游兩岸均為較陡的巖壁，無(wú)須特別保護(hù)的廠礦、企業(yè)等，洪水期短時(shí)的水面波動(dòng)也不會(huì)影響發(fā)電。但由于電站樞紐大壩為拱壩，很難保證在所有泄洪工況下，下游均保持為面流銜接。因此，泄洪消能建筑物體型優(yōu)化的目標(biāo)是：在大洪水情況下，保證下游形成面流；在小洪水時(shí)，由于下泄流量較小，產(chǎn)生的沖刷也相對(duì)較輕，可以采用挑流的型式銜接，但要爭(zhēng)取使沖坑盡可能遠(yuǎn)離壩軸線[11-12]。

經(jīng)過(guò)大量的優(yōu)化試驗(yàn)后，在原設(shè)計(jì)體型的基礎(chǔ)上，對(duì)于溢流堰采用負(fù)壓設(shè)計(jì)，只要負(fù)壓不是很大，可保證不出現(xiàn)空蝕破壞，即將下游面曲線方程由y=0.06776x2修改為y=0.0657x2。同時(shí)，將堰頂高程抬高0.4m，由原來(lái)的596.00m變?yōu)?96.40m；溢流堰延長(zhǎng)5m；將溢流堰的位置整體向左岸平移3m，然后繞中孔溢流堰出口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)9°；將溢流堰出口沿其挑角方向采用直線延長(zhǎng)，在水平方向上延長(zhǎng)了3m。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后溢洪道結(jié)構(gòu)體型為：溢洪道仍采用3表孔布置，單孔寬14m，總溢流凈寬42m，每孔進(jìn)口設(shè)一扇孔口尺寸14m×12m(寬×高)的弧形工作鋼閘門(mén)，堰頂高程596.40m。溢流堰型采用WES實(shí)用堰，曲線方程為y=0.0657x2，閘墩縱向長(zhǎng)度25.10m。溢洪表孔出口采用挑流消能，消能段反弧半徑為10m，挑射角為15°，挑流鼻坎頂高程576.00m。

4.2 優(yōu)化調(diào)整后試驗(yàn)分析

經(jīng)試驗(yàn)分析，各工況條件下優(yōu)化調(diào)整后的溢流堰過(guò)流能力、閘室水面線、堰面壓力及空化數(shù)等均滿足設(shè)計(jì)要求。不同工況下，形成水流進(jìn)入下游河道的流態(tài)見(jiàn)圖5。

由圖5可知，在各種工況下，水流出溢流堰后，均以比較明確的面流狀態(tài)與下游河道銜接，水流沒(méi)有下潛直沖河底，因此可以判斷下游的沖刷不會(huì)太嚴(yán)重，但是面流的存在，使得下游河道較長(zhǎng)范圍內(nèi)的水面波動(dòng)較為劇烈，鑒于本工程下游河岸較陡，岸邊沒(méi)有限制面流形式的建筑物，水面存在較大波浪也是可以接受的。

圖5 水流進(jìn)入下游河道的流態(tài)

不同工況下，水流進(jìn)入下游河道形成的沖坑形態(tài)見(jiàn)圖6。

圖6 下游河道沖坑形態(tài)

由測(cè)量可知，工況1～工況4的沖坑最深點(diǎn)高程分別為552.60m、553.20m、553.48m、554.88m，且沖坑最深點(diǎn)基本都位于溢流堰腳后80～100m范圍內(nèi)。校核工況的沖坑在所試驗(yàn)的四個(gè)工況中是最小的，30年一遇時(shí)的沖坑深度反而最大，這主要是由于采用面流銜接后，隨著下游水位的抬高，高速水流逐漸遠(yuǎn)離河床底部，因此，沖刷反而減小。試驗(yàn)的30年一遇洪水沖坑最深點(diǎn)與大壩建基面高程563.00m之差為10.4m，沖坑最深點(diǎn)距壩趾的距離約為80～100m，由此可算得沖坑最深點(diǎn)與壩址連線的坡度約為1 ∶8～1 ∶10，而由地質(zhì)資料可知，此區(qū)的巖層傾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此坡，由此可判斷優(yōu)化調(diào)整后的泄洪消能體型方案，其在下游河道沖刷形成的沖坑基本不會(huì)影響大壩安全運(yùn)行。

4.3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

牛都水電站泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)采用壩頂泄洪+滑雪道式小挑坎消能方案，滿足水庫(kù)大壩在各設(shè)計(jì)工況下的泄洪消能要求，泄洪建筑物結(jié)構(gòu)與擋水建筑物拱壩銜接好，使得壩體得到優(yōu)化。牛都水電站建成后，歷經(jīng)數(shù)次大流量泄洪考驗(yàn)，泄洪期間庫(kù)區(qū)水面平靜，閘室內(nèi)水面平順，下游水流銜接方式都保持為面流，霧化程度很小(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 溢洪道泄洪水流流態(tài)

圖8 下游河道水流流態(tài)

在泄洪后對(duì)下游的沖刷情況進(jìn)行了檢查，最大沖坑在大壩下游約92m處，沖坑底部高程為552.80m，下游沖坑較淺并且遠(yuǎn)離大壩，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型試驗(yàn)成果基本一致，消能防沖效果好。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.通過(guò)對(duì)原3個(gè)表孔設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，表孔水舌空中較分散、水舌挑射高度和挑距不夠，空中碰撞消能效果差；下泄水流的中心線交匯點(diǎn)偏于右岸，右岸沖坑深而陡，對(duì)右岸岸坡穩(wěn)定有較大影響。

b.經(jīng)溢流堰下游堰面曲線調(diào)整、堰頂高程抬高0.4m、堰體位置整體向左岸平移3m、堰長(zhǎng)延長(zhǎng)5m等體型調(diào)整后，試驗(yàn)分析表明：優(yōu)化方案的泄洪規(guī)模、閘室水面線、堰面壓力及空化數(shù)等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。水流出溢流堰后，均以明確的面流狀態(tài)與下游河道銜接，水流沒(méi)有下潛直沖河底，下游沖刷破壞較輕且遠(yuǎn)離壩軸線，消能防洪效果較好。

c.試驗(yàn)推薦的“壩頂泄洪+滑雪道式小挑坎消能”方案，具有“縱向拉開(kāi)、橫向擴(kuò)散、空中消能”等優(yōu)勢(shì)，確保水舌落地沿河道縱向拉開(kāi)，對(duì)于狹窄河谷適宜性好，能很好解決中低大泄量拱壩表孔的泄洪消能問(wèn)題，可為類(lèi)似工程提供一定參考。