高 鵬， 申 滿 斌

(1.四川二灘建設咨詢有限公司，四川成都 610051;2.二灘水電開發(fā)有限責任公司，四川成都 610051)

1 概述

官地水電站系雅礱江下游河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個梯級電站，主要任務是發(fā)電，總裝機容量為2 400 MW。電站樞紐主要由攔河碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。碾壓混凝土重力壩最大壩高168 m，自左至右依次布置左岸擋水壩段、河床溢流壩段及右岸擋水壩段。泄洪建筑物由壩身的5個溢流表孔和兩個泄洪放空中孔組成，下游消能采用底流消能形式。官地水電站設計洪水泄洪流量為14 000 m3/s，消力池底板以上最大水頭139.65 m，入池單寬流量147.4 m3/s·m，入池單寬泄洪功率146 MW;校核洪水泄洪流量15 500 m3/s，消力池底板以上最大水頭142.21 m，入池單寬流量163.1 m3/s·m，入池單寬泄洪功率 164 MW;具有大落差、高流速、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點，其泄洪底流消能防沖的規(guī)模和技術難度在國內外居前列［1］。

在國內外已有的、采用高壩大流量泄洪消能的工程中，消力池水流形態(tài)不佳、流態(tài)不穩(wěn)、底板出現(xiàn)不同程度甚至嚴重破壞的事例不少，其破壞的原因均與消力池臨底水力學指標過高有直接聯(lián)系。自20世紀80年代以來，寬尾墩聯(lián)合消能工在我國得到了蓬勃發(fā)展并在多個大中型工程中得到應用［2、3］。在官地水電站設計過程中，開展了有、無寬尾墩的對比研究。通過局部水工模型試驗，選擇校核洪水工況與消能洪水工況進行對比試驗研究，研究堰面及消力池內流態(tài)、消力池內水面線、堰面和消力池底板時均壓強和脈動壓強的沿程分布、消力池內臨底流速沿程分布等，用以分析寬尾墩對消能效果的影響。試驗模型平面布置情況見圖1。

2 堰面及消力池內流態(tài)和水面線

(1)流 態(tài)。

無寬尾墩情況下，水流出閘墩后迅速擴散，進入反弧段后，在離心力作用下，水流擴散更加充分。在不同頻率洪水下，消力池內均呈現(xiàn)二元水躍的水流流態(tài)。水流出跌坎后，主流迅速潛底，跌坎下游局部范圍內的橫軸漩渦穩(wěn)定而強烈，整個消力池上部基本上為反向流動。由于消力池較短，水流沖擊尾坎，致使水流產生向上的流速分量，造成尾坎處流態(tài)不佳，尾坎前后水位落差較大，水流銜接不甚順暢，在校核洪水工況下尤為明顯。

在有寬尾墩的情況下，由于寬尾墩的收縮作用，表孔溢流水體迅速束窄壅高，在主體水流上部形成擴散水翅，在主體水流底部，水流出寬尾墩后向兩側擴散。水流進入消力池后，在消力池內形成了典型的三元水躍流態(tài)。消力池上部水流呈現(xiàn)前半部分為正向流動，后半部分為反向流動的特點。跌坎下游局部范圍內的橫軸漩渦雖然也比較強烈，但具有一定的間歇性。

(2)消力池內水面線。

在消能洪水工況有、無寬尾墩的情況下，消力池內水面線基本相當;在校核洪水工況下，兩種體型在消力池中、前區(qū)域最高水面線基本相當，但在尾坎處相差較大，無寬尾墩體型高出有寬尾墩約4 m左右;無寬尾墩體型的水面線在尾坎前的水位升幅梯度明顯大于有寬尾墩的水位升幅梯度，說明無寬尾墩體型的水流對尾坎的沖擊強度明顯大于有寬尾墩布置，造成流速垂向分量更大，致使水面升高。各工況下有、無寬尾墩時的水面線測量結果見圖2。

圖1 試驗模型平面布置示意圖

由流態(tài)和水面線可以看出:(1)無寬尾墩情況下，跌坎下游局部范圍內的橫軸漩渦穩(wěn)定而強烈;(2)在有寬尾墩情況下，跌坎下游局部范圍內橫軸漩渦的強度有所減弱，并表現(xiàn)出一定的間歇性。無寬尾墩情況下，消力池尾坎前后水面落差較大，出池水流與下游水面銜接不夠順暢;在有寬尾墩情況下，水流流態(tài)良好。流量越大，差距越明顯。

3 堰面和消力池底板時均壓強和脈動壓強

從消力池內水流流態(tài)與沿程水面線分布情況看，在有、無寬尾墩時，主要是在校核洪水工況下差異比較明顯，而在消能洪水工況下差別不甚明顯。因此，以下主要針對校核洪水工況進行對比試驗研究。

(1)校核洪水工況溢流表孔中心線和閘墩中心線的時均壓強和脈動壓強的試驗結果表明:有、無寬尾墩時，壩面上游曲線段(樁號0+16之前)時均壓強量值基本相當，并均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。由于寬尾墩的作用，有寬尾墩時壩面曲線段0+16至0+40的壩面時均壓強明顯大于無寬尾墩的壩面時均壓強，脈動壓強沒有明顯變化。

(2)無寬尾墩時斜坡段的壩面時均壓強略大于有寬尾墩時的壩面時均壓強，沒有明顯變化。

(3)無寬尾墩體型水流橫向擴散充分，但兩種體型壩面反弧段的時均壓強和脈動壓強在溢流中心線、閘墩中心線上均基本相當。

(4)位于溢流表孔中線和閘墩中心線處的跌坎測壓點的測量結果顯示，無寬尾墩的時均壓強小于有寬尾墩的時均壓強，而脈動壓強則相反，說明無寬尾墩的水流在壩面末端擴散十分充分，水流在跌坎上分布比較均勻;而有寬尾墩的水流在跌坎上主要集中在溢流表孔中心線處，沿跌坎橫向分布不均勻。

(5)有、無寬尾墩時在消力池底板上的時均壓強分布規(guī)律基本一致，量值相差較小。但是脈動壓強二者相差較大，無寬尾墩體型的消力池脈動壓力峰值區(qū)域大于有寬尾墩的。

綜觀壩面和消力池底板的時均壓強和脈動壓強，壩面的時均壓強分布和脈動壓強分布受有、無寬尾墩的變化影響較小;脈動壓強整體上表現(xiàn)為無寬尾墩體型明顯大于有寬尾墩體型，二者在溢流表孔中心線和閘墩中心線處的相差分別達到40%和90%;在消力池底板上的時均壓強分布規(guī)律一致，脈動壓力最大值為:無寬尾墩體型明顯大于有寬尾墩體型，二者的最大值相差近30%;同時，無寬尾墩體型的脈動壓力梯度比有寬尾墩體型大65%左右。

圖2 有、無寬尾墩情況下消力池內水面線分布示意圖

4 消力池臨底流速

對校核洪水工況距離底板0.45 m和0.9 m兩點進行了臨底流速測量，測量結果見圖3。

(1)不管是無寬尾墩體型，還是有寬尾墩體型，在消力池臨底流速沿程分布規(guī)律是一致的，即水流出跌坎后向底部潛入，在跌坎附近形成渦流，臨底流速為反向流速;然后在水流潛底處，流速形成駐點，由反向流速向正向流速迅速轉變，在尾坎附近降低到0左右。對于校核洪水，消力池底部在樁號0+150～0+220范圍基本上均處于高流速區(qū)，流速介于15～17 m/s，流速沿程降低較小。

(2)具體而言，無寬尾墩時消力池內的最大臨底流速為18 m/s，有寬尾墩時的最大臨底流速為17 m/s，兩者基本相當;無寬尾墩體型在跌坎下形成的渦流明顯強于有寬尾墩的。在樁號0+138.875～0+147.875 范圍內，無寬尾墩體型臨底流速的流速梯度遠遠大于有寬尾墩體型的。

5 結語

局部模型試驗結果表明:

圖3 校核水位消力池內流速沿程分布示意圖

(1)從水流流態(tài)看，有寬尾墩布置方案明顯優(yōu)于無寬尾墩布置方案。無寬尾墩情況下，由于消力池內為典型的二元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內的橫軸漩渦穩(wěn)定而強烈;有寬尾墩情況下，由于消力池內為典型的三元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內橫軸漩渦的強度有所減弱，并表現(xiàn)出一定的間歇性;另一方面，無寬尾墩情況下，尾坎前后水面落差較大，出池水流與下游水面銜接不夠順暢;在有寬尾墩情況下，水流流態(tài)良好。

(2)對消力池內時均壓強和脈動壓強而言，有寬尾墩優(yōu)于無寬尾墩。

(3)雖然有、無寬尾墩時在消力池內的最大流速基本相當，但在跌坎下的流速分布和流速梯度變化上，無寬尾墩體型的變化更加劇烈，紊動強度更高，因此，從流速的角度分析，有寬尾墩優(yōu)于無寬尾墩。

綜合比較流態(tài)、時均壓強、脈動壓強、流速等因素，有寬尾墩體型對于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近強紊動區(qū)的安全性優(yōu)于無寬尾墩體型。

［1］吳世勇，姚 雷.雅礱江官地水電站大壩泄洪消能型式選擇［J］.四川水力發(fā)電，2009，28(增1):78 －81，134.

［2］謝省宗，李世琴，等.寬尾墩聯(lián)合消能工在我國的發(fā)展［J］.紅水河，1995，14(3):3 －11.

［3］謝省宗，李世琴，等.寬尾墩聯(lián)合消能工在我國的發(fā)展(續(xù))［J］.紅水河，1996，15(1):24－30.