肖志愿 徐 林 羅光其

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550081）

水躍消能是水利水電工程常用的消能方式，在工程中上下游水流直接銜接的全部采用水躍消能，且在中低壩中的應(yīng)用較為廣泛，其消能工的表現(xiàn)型式主要為底流消能、面流消能和戽流消能。戽流消能在中高壩中因可產(chǎn)生強(qiáng)烈水躍應(yīng)用較多，而在大流量的中低壩中鮮有應(yīng)用。沙阡水電站在工程設(shè)計(jì)中通過(guò)比較研究選擇了更適合工程的戽流消能作為其消能工，取得了較好的效果。

1 工程概況

沙阡水電站位于貴州省北部芙蓉江干流上，是芙蓉江梯級(jí)規(guī)劃中的第七級(jí)。壩址位于芙蓉江峽谷河段，河面寬度約為35m。芙蓉江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，受印度洋和孟加拉灣暖濕氣流的影響，降雨日數(shù)較多，水量充沛，梯級(jí)以上流域多年平均降雨量1089mm。流域洪水為典型的雨源型洪水，洪峰流量和洪水歷時(shí)與降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間密切相關(guān)。各頻率洪水見(jiàn)表1。由表可知，相對(duì)與工程規(guī)模和壩址河道寬度等情況，洪峰流量大是本工程的顯著特點(diǎn)。

沙阡水電站正常蓄水位503.0m，電站裝機(jī)容量50MW，工程為三等中型工程。泄水建筑物為3級(jí)建筑物，大壩泄洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核，消能防沖建筑物按30年一遇洪水設(shè)計(jì)。大壩為碾壓混凝土重力壩，泄洪建筑物由4表孔組成，表孔尺寸為9m×17m（寬×高），堰頂高程486m，溢流壩段泄槽凈寬45m。正常蓄水位時(shí)大壩壅高水位約35m。大壩最大壩高50m。

大壩下游約200m處為跨芙蓉江的漁塘大橋，大橋?yàn)槠鍪A(chǔ)混凝土單拱橋，工程宣泄洪水時(shí)不對(duì)漁塘大橋拱座基礎(chǔ)造成影響為本工程消能工設(shè)計(jì)的控制性條件。

2 消能特點(diǎn)

經(jīng)泄水建筑物下泄的水流是一種高能急流，而下游河道為緩流，急流到緩流必然發(fā)生水躍。因水躍具有消能特性，利用可控制的水躍來(lái)消能是水利水電樞紐工程中常見(jiàn)的消能方式，尤其中低壩工程中的應(yīng)用尤為廣泛。

表1 沙阡水電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果表

表2 沙阡水電站部分頻率洪水消能特性

根據(jù)水躍的形態(tài)，按低弗勞德數(shù)的大小，水躍可分為5個(gè)類(lèi)型：

（1）波狀水躍：當(dāng) Fr1=1～1.7時(shí)，發(fā)生波狀水躍，沒(méi)有旋滾，消能很少，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為波動(dòng)能量，傳至下游較長(zhǎng)距離才衰減。

（2）弱水躍：當(dāng) Fr1=1.7～2.5時(shí)，發(fā)生弱水躍，水面有些小旋滾，消能率低于20%，但躍后水面平穩(wěn)。

（3）振蕩水躍：也叫顫動(dòng)水躍，當(dāng)Fr1=2.5～4.5時(shí)，發(fā)生振蕩水躍，消能率20%～45%，底部有間歇性的射流水股斜向上升，旋滾不穩(wěn)定，躍后水面波動(dòng)較大。

（4）穩(wěn)定水躍：當(dāng) Fr1=4.5～9.0時(shí)，發(fā)生良好的穩(wěn)定水躍，消能率45%～70%，躍后水面也較平穩(wěn)。

（5）強(qiáng)水躍：Fr1＞9.0時(shí)，發(fā)生強(qiáng)水躍，消能率可達(dá)85%，但高速射流帶間歇性水團(tuán)不斷滾向下游，有較大的水面波動(dòng)。

沙阡水電站部分頻率洪水消能特性見(jiàn)表2。

從表2中可以看出本工程的泄洪消能呈現(xiàn)單寬流量大、上下游水位差小、低弗勞德數(shù)（一般規(guī)定Fr1＜4.5為低弗勞德數(shù)）的三大特點(diǎn)。從表中可知，本工程正屬于第（3）種類(lèi)型，即泄洪時(shí)發(fā)生振蕩水躍，消能效率較低,水面波動(dòng)大，對(duì)下游影響大，選擇合適的消能工對(duì)工程尤為重要。

3 消能工選擇

3.1 消能工方案

傳統(tǒng)消能工有底流消能、挑流消能和面流消能。用于低弗勞德數(shù)的消能工有消力池加輔助消能工、射流穩(wěn)定水躍、寬尾墩、廂式消能工、戽流消能等。

表3 躍后水深計(jì)算成果表

表4 面流消能水流流態(tài)類(lèi)型及主要消能區(qū)范圍

根據(jù)本工程特點(diǎn)，挑流消能不適用于本工程；底流消能和面流消能均可采用；對(duì)于適用于低弗勞德數(shù)的消能工，戽流消能較為適用。其中底流消能需要較長(zhǎng)的消力池，工程量較大，工期也較長(zhǎng)，消能效果較差，對(duì)下游漁塘大橋的影響難以控制，因此重點(diǎn)對(duì)面流消能和戽流消能兩種消能工進(jìn)行研究。

3.2 面流消能

3.2.1 水力學(xué)計(jì)算及體型設(shè)計(jì)

水力學(xué)計(jì)算按照水《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行。

（1）按坎高a=0復(fù)核是否能產(chǎn)生面流，經(jīng)計(jì)算，躍后水深計(jì)算成果見(jiàn)表3。

由上計(jì)算可知，ht＞h＂c，不同頻率下泄洪水均能產(chǎn)生面流消能。面流消能按自由面流至淹沒(méi)面流區(qū)間進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)工程安全有利，因此坎臺(tái)高度 a 按 0.93a1≥a＞a4，a＞amin選擇，根據(jù)計(jì)算取a=9.5m。按a=9.5m進(jìn)行流態(tài)復(fù)核，水流流態(tài)在自由面流至淹沒(méi)面流區(qū)間。

（2）體型設(shè)計(jì)

面流消能工體型設(shè)計(jì)參照可研階段設(shè)計(jì)成果，大壩WES溢流曲線與圓弧半徑為20m連接，圓弧底高程為468.29m，反弧挑角為20°，挑坎高程為469.50m，見(jiàn)圖1。

圖1 面流消能工體型圖（單位：m）

3.2.2 水工模型試驗(yàn)情況

表4為水工整體模型試驗(yàn)各工況下下游流態(tài)情況。

根據(jù)模型試驗(yàn)成果可知，流態(tài)與計(jì)算結(jié)果基本一致，以淹沒(méi)混合流為主，在大壩下游形成有沖坑。由于下游水位變幅較大，校核情況下下游水位較高，下泄洪水掠過(guò)挑坎下潛河床，出現(xiàn)回復(fù)底流流態(tài)，形成約20m深的沖坑，不利于大壩安全運(yùn)行；且大量的沖刷物淤積下游河道，對(duì)漁塘大橋和電站的正常運(yùn)行非常不利。根據(jù)表4可知，消能區(qū)范圍達(dá)到了0+175樁號(hào)處，距離下游漁塘大橋僅約20m，根據(jù)水流流態(tài)情況，漁塘大橋處水流最大流速達(dá)到約10m/s，且水流波動(dòng)較大不利于大橋的安全運(yùn)行。

3.2.3 面流消能的適宜性分析

綜上，按照面流流態(tài)進(jìn)行消能工體型設(shè)計(jì)，消能效果較好，但也不能滿(mǎn)足要求，特別是校核工況出現(xiàn)的回復(fù)底流對(duì)壩腳安全影響較大。因面流消能更適用于15＜Fr12＜50和下游水位變幅較小的情況，面流消能對(duì)本工程并不適用。根據(jù)模型試驗(yàn)情況，本消能工體型產(chǎn)生流態(tài)以淹沒(méi)面流為主，流態(tài)呈現(xiàn)出部分戽流消能的流態(tài)特點(diǎn)，參照體型設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)情況，對(duì)戽流消能進(jìn)行研究。

3.3 戽流消能

戽流消能是憑借泄水建筑物尾部形成如戽斗的鼻坎結(jié)構(gòu)，使上游下泄的高速水流在坎內(nèi)形成較強(qiáng)烈的水滾，從而消除水流大部分能量，降低坎后水流流速，以便較好地與下游水流銜接，以此達(dá)到消能防沖的目的。

3.3.1 水力學(xué)計(jì)算及體型設(shè)計(jì)

表5 臨界水深h2k求解表

表6 戽流消能沖坑和挑距計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果可以，各工況均滿(mǎn)足ht1≤ht≤ht2的要求，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的戽流。

計(jì)算結(jié)果表明，沖坑很淺，距離大壩較遠(yuǎn)，不會(huì)危及大壩和邊坡安全。

3.3.2 水工模型試驗(yàn)情況

根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，各工況下水流流態(tài)亦以淹沒(méi)混合流為主，但水流流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，均呈現(xiàn)出戽流消能流態(tài)的特點(diǎn)，且尾坎下游水下旋滾微弱，對(duì)壩腳安全有利，各工況下水流波動(dòng)較為強(qiáng)烈的區(qū)域主要分布在尾坎下游80m范圍以?xún)?nèi)，以下河段水流波動(dòng)微弱，兩岸邊水流速度都在6m/s以下，消能效果較好；且形成沖坑較淺，距離壩體70m以上，不會(huì)對(duì)大壩安全運(yùn)行造成影響。但在校核工況下，出現(xiàn)間斷性回復(fù)底流，回復(fù)底流將坎后河床沖成深坑，水流又將深坑逐步回填，最后在漁塘大橋附近形成堆丘，抬高了河床，對(duì)漁塘大橋和廠房正常發(fā)電運(yùn)行造成極不利的影響。根據(jù)模型試驗(yàn)分析，產(chǎn)生回復(fù)底流的原因主要有兩點(diǎn)：下游水位過(guò)高和消力戽尾坎過(guò)短。受下游高水位頂托作用影響，下泄水流掠過(guò)挑坎尾端直接下潛水底，形成回復(fù)底流。為方便試驗(yàn)將弧底以下反弧段在保持挑角不變的情況下逐步加大反弧半徑進(jìn)行試驗(yàn)；按照選定體型方案，在設(shè)計(jì)下游水位的基礎(chǔ)上逐步抬高水位直至出現(xiàn)回復(fù)底流情況，研究出現(xiàn)回復(fù)底流的安全裕度。最終根據(jù)試驗(yàn)成果確定體型尺寸。最終消能工體型見(jiàn)圖2。

圖2 沙阡水電站消能工體型圖（單位：m）

3.3.3 戽流消能的適宜性分析

通過(guò)體型設(shè)計(jì)和水工模型試驗(yàn)研究，最終確定采用戽流消能作為本工程的消能工型式。采用戽流消能可滿(mǎn)足下泄洪水的消能要求，下泄洪水至下游約200m處的漁塘大橋時(shí)，水流流速低于6m/s，流態(tài)接近天然情況，泄洪不會(huì)對(duì)漁塘大橋拱座基礎(chǔ)造成影響。因此由設(shè)計(jì)和水工模型試驗(yàn)研究成果可知，沙阡水電站大壩采用戽流消能工不但能滿(mǎn)足下泄洪水的消能要求，而且可以確保漁塘大橋的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)山區(qū)、丘陵地區(qū)雨源型河流上修建的中、小型水利水電樞紐工程，特別是壅水高度在30m～50m的工程，大壩下泄洪水有著共同的特點(diǎn)，即單寬流量大、上下游水位差小、低弗勞德數(shù)的特點(diǎn)。此類(lèi)工程的消能只能是選擇水躍消能，目前已建工程消能工型式以底流消能和面流消能為主，且應(yīng)用尤為廣泛。根據(jù)沙阡水電站模型試驗(yàn)成果可知，戽流消能具有消能區(qū)集中，消能率高的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)河床防護(hù)要求低，岸坡防護(hù)區(qū)域集中，防護(hù)工程量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此戽流消能可在此類(lèi)工程中進(jìn)一步推廣運(yùn)用。

由于各工程具體情況各不相同，在消能工體型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意避免回復(fù)底流和尾坎下游強(qiáng)烈旋滾的發(fā)生，過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)反弧半徑、弧底高程、挑角進(jìn)行研究以滿(mǎn)足工程要求。由于戽流消能理論與此類(lèi)工程的情況有所區(qū)別，因此在選用時(shí)應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。

2014年是沙阡水電站下閘蓄水的第一年，工程經(jīng)受了約3000m3/s的洪水考驗(yàn)，根據(jù)泄洪情況，下泄洪水流態(tài)與模型實(shí)驗(yàn)成果基本一致，具有消能效果好、消能區(qū)集中、區(qū)域下游水流平穩(wěn)的特點(diǎn)。陜西水利

[1]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.李煒等.《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.