李雙寶，馬 俊，鄧良軍

（中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650051）

金安橋水電站工程為一等大 （1）型工程。樞紐布置從左至右依次為：左岸非溢流壩段、左沖沙底孔壩段、引水發(fā)電壩段 （后接壩后式明廠房）、右泄洪沖沙底孔壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段。其中，溢流壩段共設(shè)5孔泄流表孔，后接泄槽和消力池。

1 消能方案選擇及泄洪建筑物布置

1.1 泄洪消能方案選擇

樞紐區(qū)左岸邊坡受地形和地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素的影響，曾發(fā)生過崩塌，并形成了一些崩塌堆積體。這些崩塌堆積體的組成物質(zhì)為碎石、塊石夾粘質(zhì)粉、砂土，中等密實，部分較松散，天然狀態(tài)下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；但在開挖切角、爆破、泄洪霧化等不利因素影響下，存在坍滑失穩(wěn)的可能。其中，B20崩塌堆積體規(guī)模最大，體積約226萬m3，且位于廠房尾水渠及泄洪消能建筑物泄洪霧化影響區(qū)。

在可研階段，曾考慮挑流方案；但由于表孔挑流泄洪量大、運行頻繁，所產(chǎn)生的霧化對B20的影響難以定量分析；又根據(jù)已建工程的經(jīng)驗，泄洪霧化對B20崩塌堆積體的不利影響是一個巨大的潛在威脅。因此，多方研究最終選定了溢流表孔底流消能的泄洪消能方式[1]。

1.2 泄洪消能建筑物布置

泄洪消能建筑物由左、右底孔及其泄槽，溢流壩段、泄槽、消力池及海漫組成。其中，左、右底孔分別布置在廠房壩段左、右側(cè)，其主要功能為泄洪、沖沙保庫、保障電站進水口 “門前清”、降低壩前淤沙高程，在施工后期參與導(dǎo)流、導(dǎo)流洞下閘封堵后向下游河道供水等。

根據(jù)調(diào)洪及泄流能力初步計算以及地形地質(zhì)條件，溢流壩段、泄槽及消力池布置于右岸天然臺地上。泄洪建筑物共設(shè)5孔13 m×20 m開敞式表孔，邊墩厚度為4 m，中墩厚度5 m，溢流壩段前沿總寬為93.0 m；孔口設(shè)有檢修平板門和弧形工作門，分別采用門機和液壓啟閉機控制，操作平臺與壩頂同高程均為1 424 m。閘墩前緣呈尖圓流線形，懸出上游壩面5 m；溢流壩堰頂高程為1 398 m，設(shè)計定型水頭Hd＝0.858Hmax=19.732 m，堰面為WES曲線，方程為Y=0.039 634X1.85，原點上游為三段圓弧組成。曲線末端接1∶0.75直線段和半徑R＝55 m的反弧段；溢流壩后接長約200.0 m的泄槽及長約170.0 m的消力池，消力池后設(shè)海漫與原河床平順連接。

根據(jù)河床地形地質(zhì)條件，消力池后海漫高程Z0確定為1 298.0 m。為避免池后出現(xiàn)遠驅(qū)式水躍，在此海漫高程下對消力池末端設(shè)消能坎和下挖成池方案進行綜合比較。由于跌坎方案坎后水流落差較大，需二次消能；故，消力池選定為下挖式。

2 泄洪消能理論分析

2.1 泄洪標準

根據(jù)樞紐建筑物等級[1]，泄洪設(shè)計標準為500年一遇，校核標準為5 000年一遇，下游消能防沖建筑物設(shè)計標準為100年一遇。

泄洪與消能計算時，選取了以下4種典型工況（括號中流量為經(jīng)水庫調(diào)洪后的下泄總流量）進行計算：校核洪水 （Q=17 653 m3/s，P=0.02%）；設(shè)計洪水（Q=14 700 m3/s，P=0.2%）； 百年洪水（Q=12 400 m3/s， P=1%）； 十年洪水 （Q=8 880m3/s， P=10%）。

2.2 泄流能力計算

根據(jù)上述公式及參數(shù)，在不同水位下計算得相應(yīng)泄流量，見表1。

表1 溢流壩表孔泄流庫水位～流量關(guān)系曲線

2.3 消力池消能計算

2.3.1 消能計算原理

泄洪水流由溢流表孔下泄，經(jīng)泄槽進入消力池并在池內(nèi)發(fā)生水躍而消能。為保證各級洪水在池內(nèi)均能發(fā)生稍有淹沒的水躍，提高消能效率，同時使消力池盡可能經(jīng)濟合理，需要對消力池結(jié)構(gòu)尺寸及體形參數(shù)進行理論計算與分析。

先按式（1）[4]判別收縮斷面處的水流自然銜接形式以確定是否修建消力池

計算分析表明，在各級洪水時均需修建消力池。

在上述分析基礎(chǔ)上，分別對庫前水位、池前、池末寫能量方程，可得

根據(jù)水躍方程，可得

在消能計算時 （見圖1）， 由于 s，hc、hT為未知量， 其余均為已知量， 故聯(lián)立求解式（3）（4）（5）可得該3個未知量。

消力池長度計算經(jīng)驗公式[4]

2.3.2 消能計算參數(shù)

首先，確定由溢流壩表孔下泄流經(jīng)泄槽進入消力池內(nèi)的各級流量及相應(yīng)單寬流量q?？紤]到校核洪水時 （此時不再發(fā)電），右底孔參與泄洪，泄洪量Q=2 699.0 m3/s，進入消力池的流量則為校核洪水流量減去底孔流量。對于設(shè)計洪水標準以下洪水，僅考慮表孔泄流量而不計入右底孔泄流量，但需扣除部分電站引用流量才是進入消力池的流量。因泄洪時，電站未必全部機組均發(fā)電；故，偏安全地考慮一半的引用流量，即Q=1 210 m3/s，則進入消力池的各級流量如表2所示。

圖1 消力池消能計算示意

表2 消力池消能流量計算表

其次，根據(jù)下泄總流量，在壩址區(qū)水位～流量關(guān)系曲線上插值查取下游水位。下游水位與池后海漫高程Z0=1 298.0m之差，即為消能計算時所需的下游水深 ht=Z下-Z0。

綜上所述，得各級流量下消能計算參數(shù) （見表3）。

表3 消力池消能參數(shù)計算

表4 消能計算成果

2.3.3 消能計算結(jié)果及分析

由前所述消能計算原理及計算參數(shù)，利用程序進行計算，最終得結(jié)果如表4所示。

消能防沖洪水標準為百年一遇洪水，故選定消力池底板高程為1 282.5m，即下挖深度s=15.5 m；而池長則結(jié)合地形地質(zhì)條件并綜合考慮各級洪水工況，最后選定為L=170 m，并按此結(jié)構(gòu)尺寸開展模型試驗研究。

3 模型試驗研究

3.1 泄流能力

昆明理工大學(xué)及武漢大學(xué)兩家科研單位對溢流表孔的泄流能力進行了量測[2]，分析整理后與計算結(jié)果進行了比較 （見表5）。

表5 泄流能力計算成果比較

由表5中可以看出，理論計算與兩單位實測數(shù)據(jù)基本吻合，滿足設(shè)計要求。

圖2 金安橋水電站泄洪消能建筑物剖面布置

3.2 模型試驗

從模型試驗的成果來看，常規(guī)平底水躍消力池入口處在設(shè)計工況下臨底流速高達40.19 m/s，實屬國內(nèi)外罕見。常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以承受如此高流速大流量的水流，因此臨底流速問題成了制約底流消能方案成立的決定性因素。根據(jù)郭子中先生關(guān)于混合流消能的理論，以及前蘇聯(lián)薩揚舒申斯克（Sayano-Shushenskaya）水電站工程的實踐經(jīng)驗，參考國內(nèi)在建相似工程的模型試驗成果，若通過在收縮斷面處設(shè)置一定高度、具有一定挑射角的跌坎，使高速水流不直接作用于消力池底板上，可大幅降低臨底流速。多方案試驗研究表明，將本工程消力池前端底板高程降底6.0 m后，臨底流速有大幅度的降低。

在消力池前端底板降低6.0 m的跌坎式底流消能模型試驗的所有工況中，有7種工況為溢洪道泄槽消力池單獨運行工況。在這7種工況下，整個流道流態(tài)基本相似，庫區(qū)水面平穩(wěn)，溢流表孔堰前、堰面和泄槽段的流態(tài)良好；消力池內(nèi)均能形成淹沒式水躍，隨著流量的增大，消力池內(nèi)水躍躍首的位置逐漸向下游推移；水躍充分發(fā)展區(qū)的位置基本不變。經(jīng)過模型試驗研究和分析，可以得出如下結(jié)論與建議[2]：

（1）樞紐總體布局設(shè)計方案基本合理。

（2）泄流建筑物泄洪能力可以滿足設(shè)計要求。

（3）在宣泄校核及設(shè)計洪水時，消力池內(nèi)水流紊動較為劇烈；但出池水流平穩(wěn)，在泄百年以下洪水時，出池流速均較小，消能效果較好；池后水力銜接、歸槽均較平順。

（4）動水壓力分布正常，符合一般規(guī)律。

（5）泄槽段最大流速43.68 m/s，消力池最大臨底流速13.95 m/s，對高流速段均應(yīng)進行抗沖耐磨設(shè)計。

經(jīng)理論分析及試驗研究，最終選定的泄洪消能建筑物剖面布置如圖2所示。

4 結(jié)語

水力學(xué)理論計算和模型試驗驗證的結(jié)果表明，金安橋水電站溢流表孔的泄流能力能夠滿足設(shè)計的要求。

在泄洪消能方案的選擇中，由于受地形地質(zhì)條件的制約，溢流表孔選用了底流消能的消能方式。但表孔泄洪水頭高達145 m，最大泄洪流量14 954.2 m3/s，泄槽末收縮斷面處試驗流速高達40.19 m/s（設(shè)計工況），傳統(tǒng)的平底板底流消能難以解決底板在高速水流作用下的抗沖耐磨及結(jié)構(gòu)問題，因此能否降低臨底流速，是制約本工程泄洪消能成功與否的關(guān)健。經(jīng)過近兩年的理論分析研究，以及有關(guān)科研單位的多個模型試驗，通過在收縮斷面處設(shè)一跌坎的措施，成功降低了臨底流速，使得本工程的泄洪消能方案得以順利實施。

［1］ 中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院.金安橋水電站可行性研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，2005.

［2］ 昆明理工大學(xué)， 武漢大學(xué)，中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院.金安橋水電站整體水工模型試驗研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，2005.

［3］ SL253—2000 溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 武漢水利電力大學(xué).水力學(xué)試用教材 （上、下冊）［M］.北京：高等教育出版社，1985.