劉麗娟，張 旻，王勇波

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

黃金坪水電站采用水庫(kù)大壩和“一站兩廠”的混合式開(kāi)發(fā)，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪洞、左岸大廠房和右岸小廠房引水發(fā)電建筑物以及右岸導(dǎo)流洞等建筑物等組成。

泄洪洞布置在左岸山體內(nèi)，由于河道順直，泄洪洞在平面上轉(zhuǎn)彎布置為有壓接無(wú)壓泄洪洞。采用深式有壓進(jìn)口，接有壓洞，中間設(shè)控制閘門室，后接無(wú)壓洞；有壓段洞身采用圓形斷面，無(wú)壓段洞身采用城門洞形斷面，出口采用底流消能。泄洪洞進(jìn)口底板頂高程1 420.00m，洞身總長(zhǎng)658.43m，其中有壓段洞長(zhǎng)370.38m，為洞徑13.5m的圓形斷面，無(wú)壓段洞長(zhǎng)288.05m，為13m×16m(寬×高)的城門洞形斷面。出口布置在壩軸線下游約380m處，與河道夾角約38°，出口底板頂高程1 405.34m，利用60m漸變段與消力池連接。消力池長(zhǎng)88m，寬30m，底板頂高程1 393.00m，消力池出口設(shè)置差動(dòng)式尾坎，尾坎的高程為1 396m。泄洪洞最大總泄量2 980m3/s。泄洪洞出口消能工的原設(shè)計(jì)方案采用拋物線接斜坡連接式底流消力池，泄洪洞出口單寬流量為229m3/s.m，消力池臨底流速高達(dá)30m/s，而泄洪洞出口水流佛氏數(shù)僅為3.5，屬于典型的低佛氏數(shù)水躍消能，其消能工水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何穩(wěn)定水躍和增加消能效果[1～6]。

鑒于泄洪洞出口下游對(duì)岸為黃金坪村，減小消力池出口流速和下游河道沖刷對(duì)工程具有重要的意義。根據(jù)泄洪洞出口的地形、地質(zhì)條件，消力池末端邊坡及河床覆蓋層深厚，地質(zhì)條件較差，消力池末端沒(méi)有向下游移動(dòng)的地質(zhì)條件，消力池向上游擴(kuò)大在布置上也受到極大限制。本文通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究，在不改變消力池尾坎位置及消力池總布置的前提下，對(duì)泄洪洞出口消力池連接段多種體型進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以提供適合本工程的消能工優(yōu)化體型。

2 消能工體型選擇

本文在不改變消力池總布置條件下，研究泄洪洞出口與消力池連接段的體型對(duì)消能效果的影響。

2. 1 方案一：拋物線接斜坡連接式消力池

原設(shè)計(jì)方案泄洪洞出口與消力池利用60m漸變段連接，連接段底板采用拋物線接斜坡連接式消力池。漸變段底板采用方程為y=0.014 8x+0.006x2的曲線與1∶3.97的底坡與消力池連接，邊墻采用y=0.002 36x2的曲線與消力池連接。消力池底板高程1 393.00m，邊墻頂高程1 418.00m；池身長(zhǎng)88m，寬30m，底板厚3m。考慮消力池排沙和后期檢修維護(hù)方便，池末端設(shè)差動(dòng)式消力坎，坎頂高程1 405.00m。具體布置形式及體型參數(shù)見(jiàn)圖1。

2.2 方案二：三級(jí)階梯式消力池

比選方案之一將泄洪洞出口與消力池的連接漸變段改為階梯型，以增加沿程消能，稱之為階梯連接式消力池。在出口底部設(shè)置高1m、長(zhǎng)10m的挑坎，坡度為1∶10，并設(shè)置摻氣井，以防止階梯段空化空蝕的發(fā)生。連接段先接1.34m跌坎再接三級(jí)階梯，一級(jí)階梯為斜坡形式，坡度為1∶15，二、三級(jí)階梯高3m，長(zhǎng)15m。消力池尺寸與方案一相同，具體布置形式及體型參數(shù)見(jiàn)圖2。

2. 3 方案三：大跌坎連接式消力池

圖1 原設(shè)計(jì)方案消力池布置示意

推薦方案將泄洪洞出口挑坎坎高調(diào)高2m，長(zhǎng)度為20m，坡度為1∶10。由于洞出口擴(kuò)散段側(cè)壁有負(fù)壓，出口采用0.7m的突擴(kuò)。將方案二的三級(jí)階梯連接段改成水平擴(kuò)散段，形成一個(gè)大跌坎與消力池連接，坎高6m、長(zhǎng)60m。消力池尺寸與方案一、二相同，具體布置形式及體型參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖2 三級(jí)階梯式消力池剖面示意

3 結(jié)果與分析

為評(píng)價(jià)各方案消力池的水力特性及布置的合理性，并為消力池連接段設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，根據(jù)泄洪洞運(yùn)行特點(diǎn)，在正常蓄水位以上運(yùn)行時(shí)流量變化很小，因此，試驗(yàn)選擇上游蓄水位1 476m、下游河道水位1 409.34m、泄洪洞全開(kāi)運(yùn)行作為代表性試驗(yàn)工況。試驗(yàn)測(cè)試了流態(tài)、流速分布、壓力分布和水面形態(tài)，并對(duì)各種方案的消能率進(jìn)行了計(jì)算。研究成果如下。

圖4為三種方案消力池內(nèi)水流流態(tài)。方案一消力池內(nèi)水面波動(dòng)劇烈，出坎水流不平順，水面跌落大，消力池出池水流出現(xiàn)明顯的二次跌落現(xiàn)象。方案二在第二級(jí)臺(tái)階中部形成水躍，水躍比較穩(wěn)定，但回水較為嚴(yán)重，深度約1.6m，消力池內(nèi)水流紊動(dòng)劇烈，波動(dòng)較大，出口處水面跌落和波動(dòng)值與方案一相比明顯減小，消力池后水流較為平順。方案三在大跌坎中部形成水躍，水躍位置和水面形態(tài)最穩(wěn)定，大跌坎中后段至消力池前部，水面波動(dòng)較大，水流劇烈旋滾翻騰，高跌坎在改善底部流速方面效果明顯。

圖3 大跌坎連接式消力池剖面示意

消力池末端水流比較平順，出口處水面跌落和波動(dòng)值與方案二相近，消力池后水流平順銜接。試驗(yàn)表明，方案二和方案三消力池內(nèi)水流中大量能量已經(jīng)消耗，出池水流沒(méi)有明顯的二次跌落，消力池出坎流速分布優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案，出池流速也小于原設(shè)計(jì)方案。

可見(jiàn)，拋物線接斜坡連接式消力池方案水流流態(tài)穩(wěn)定性較差，消力池入池流速很高，出池水面波動(dòng)和二次水面跌落均較大，下游沖刷較為嚴(yán)重，所需的防護(hù)工程量和難度也較高。

圖5為三級(jí)階梯式消力池和大跌坎式消力池出口下游河道流速分布圖。圖6為三級(jí)階梯式消力池和大跌坎式消力池出口沖刷地形圖。各方案水力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 不同消力池的水流流態(tài)

優(yōu)化后的推薦方案消力池臨底流速由24m/s減小至11m/s，減小約56%，消力池臨底流速的減小非常有利于消力池底板的穩(wěn)定。推薦方案消能工的消能更加充分，消力池出池流速由8.3m/s減至6.0m/s，消力池尾坎處的水面跌落也由原設(shè)計(jì)方案的4～6m減小到2～4m，消力池與下游河道的水流銜接更加平順。雖然消力池出口下游河道的沖刷深度相差不大，但在黃金坪村河道的右岸流速明顯減小。因此，推薦方案不但連接段體型簡(jiǎn)單，而且消能較充分，消力池出池水流與下游河道水流平穩(wěn)銜接，對(duì)于河岸防護(hù)是相當(dāng)有利的。

綜上所述，方案三水力參數(shù)指標(biāo)均比方案一、方案二有所降低，方案三較方案一、二有明顯的優(yōu)勢(shì)。該體型簡(jiǎn)單，流態(tài)穩(wěn)定，消能效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

黃金坪水電站泄洪洞出口采用大跌坎連接式消力池，該方案不但減輕下游沖刷，而且在不改變消力

圖5 不同消力池出口下游河道流速分布

圖6 不同消力池出口沖刷地形

方案泄 洪 洞池內(nèi)最大流速/m·s-1出池流速/m·s-1沖坑最低高程/m沖坑深度/m沖坑位置/m(距出口)黃金坪村河段岸邊最大流速/m·s-1左岸右岸方案一24.08.31 390.612.4122.57.605.70方案二18.06.81 390.812.2105.07.534.54方案三10.56.01 391.611.4105.07.403.50

池規(guī)模和尾坎位置的前提下，實(shí)現(xiàn)流態(tài)的穩(wěn)定和消能充分，還顯著降低消力池臨底流速等重要水力學(xué)指標(biāo)。因此，大跌坎連接式方案更適合黃金坪水電站的地質(zhì)、地形條件，初擬作為泄洪洞出口連接段設(shè)計(jì)的推薦方案。

[1] 吳持恭.水力學(xué)(上、下冊(cè))[M].北京：高等教育出版社，1990.

[2] 張建民,王玉蓉,楊永全,等.水平多股淹沒(méi)射流水力特性及消能分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005(1):18-22.

[3] 孫雙科,柳海濤,夏慶福,等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(10):1188-1193.

[4] 李艷玲,華國(guó)春,張建民,等.單層多股和多層多股水平淹沒(méi)射流的消能特性分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2006(1):26-31.

[5] 鄧軍,許唯臨,張建民,等.一種新型消力池布置形式-多股水平淹沒(méi)射流[J].中國(guó)科學(xué),2009,39(1):29-38.

[6] 李艷玲,華國(guó)春,張建民.多股水平淹沒(méi)射流水力特性的影響因素研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006(11):761-766.