汪 振，陳國良，鄭鵬翔，葉建群，熊立剛

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

龍開口水電站泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)

汪 振1，陳國良2，鄭鵬翔2，葉建群2，熊立剛2

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

通過方案比較研究，龍開口水電站采用表孔、中孔聯(lián)合泄洪方式，表孔“大差動(dòng)+舌形坎”與中孔窄縫挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、縱向拉開，充分利用下游消能水體，彌補(bǔ)了下游消能區(qū)寬度有限的不足，解決了下游消能問題。另外各孔口相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)行調(diào)度及檢修靈活方便。研究成果對(duì)同類型工程的泄洪消能設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

龍開口水電站；泄洪消能；挑流；大差動(dòng)+舌形坎

0 引言

龍開口水電站位于云南省境內(nèi)金沙江中游河段。電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧灌溉和供水。水庫正常蓄水位1 298.00 m，多年平均流量1 690 m3/s。大壩為碾壓式混凝土重力壩，最大壩高116.00 m。

壩址河谷開闊，河道順直。消能區(qū)巖體以二疊系玄武巖組中段致密塊狀玄武巖（P2β2-3）為主，以Ⅲ1類巖體為主。

1 泄洪消能規(guī)模及特點(diǎn)

龍開口水電站設(shè)計(jì)洪水（P=0.2%）流量15 900 m3/s，校核洪水（P=0.02%）流量為19 300 m3/s，最大下泄功率約1×104MW。水庫庫容小，調(diào)節(jié)能力低，且洪水峰型多為矮胖型，泄洪歷時(shí)長。

壩址區(qū)地形開闊，河道順直，但主河床狹窄，枯期水面寬僅50～70 m。壩址基巖為致密塊狀玄武巖，完整性較好，抗沖能力較強(qiáng)，但右岸覆蓋層深厚。

龍開口水電站泄洪消能設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：高水頭、大流量、歷時(shí)長、高尾水，河谷寬闊但主河床狹窄，下游沒有泄洪霧化敏感對(duì)象。

2 泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)原則

根據(jù)龍開口水電站泄洪消能的規(guī)模、特點(diǎn)，確定泄洪消能建筑物的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）為滿足泄洪、沖沙、施工導(dǎo)流及震后工程安全檢查和檢修的綜合要求，泄洪建筑物采用表、中（底）孔相結(jié)合的型式。中（底）孔泄流能力應(yīng)滿足沖沙、施工導(dǎo)流的綜合要求。

（2）由于洪水流量大，校核洪水流量超出設(shè)計(jì)洪水流量20%（△Q＝3 400 m3/s）。泄洪孔口選擇時(shí)，宜設(shè)置超泄能力強(qiáng)的表孔以降低汛期校核洪水位，減少壩頂超高。

（3）本工程處高烈度地震區(qū)，泄洪建筑物宜盡量具備短時(shí)間內(nèi)降低壩前水位的能力，確保大壩安全，也可為震后工程檢修和盡快恢復(fù)運(yùn)行創(chuàng)造條件，因此，宜布置適當(dāng)規(guī)模的泄洪中孔。

（4）根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件及樞紐布置格局，本工程壩址地質(zhì)條件較好，河谷寬闊，泄洪和引水發(fā)電建筑物布置有一定的調(diào)整余度。但從減少工程土建投資考慮，宜適當(dāng)提高泄洪單寬流量，減少泄洪前沿寬度。

（5）工程消能區(qū)地質(zhì)條件較好，消能建筑物型式選擇余度大，由于壩址基巖較為完整、抗沖能力較強(qiáng)，下游水位較高，沒有泄洪霧化敏感對(duì)象，從節(jié)省工程投資和運(yùn)行維護(hù)考慮，消能方式宜首先考慮挑流消能方式。

（6）為提高大壩抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水能力，調(diào)洪演算時(shí)：重現(xiàn)期1 000年以下洪水（Q≤16 900 m3/s），僅考慮部分機(jī)組參與泄洪（3臺(tái)機(jī)組，流量Q＝1 800 m3/s），重現(xiàn)期1 000年以上洪水（Q＞16 900 m3/s），不考慮機(jī)組參與泄洪；重現(xiàn)期10年以上洪水，沖沙底孔關(guān)閉不參與泄洪。

3 泄洪消能方案設(shè)計(jì)研究

3.1 泄洪方案設(shè)計(jì)研究

根據(jù)上述要求，在泄洪建筑物選擇時(shí)考慮設(shè)置具有較大超泄能力的表孔及具有一定拉沙功能的泄洪中孔。根據(jù)多方案比選，選定5表孔+4中孔聯(lián)合泄洪方案，表孔堰頂高程1 278 m，孔口尺寸13 m×20 m（寬×高），溢流前緣寬度93 m，溢流堰面設(shè)計(jì)為WES實(shí)用堰面曲線。底孔進(jìn)口高程1 238 m，孔口尺寸5 m×8 m（寬×高）。

3.2 消能方案設(shè)計(jì)研究

壩址基巖抗沖能力較強(qiáng)，下游水位較高，無對(duì)泄洪霧化敏感的對(duì)象，從方便工程運(yùn)行維護(hù)考慮，消能方式宜首先考慮挑流消能方式。泄洪表孔堰上水頭及單寬泄流量均較大，設(shè)計(jì)水位堰上水頭20 m，單寬流量176 m3/s·m，校核水位堰上水頭23.3m，單寬流量226 m3/s·m，泄洪表孔兩側(cè)布置4個(gè)泄洪中孔，下游消能區(qū)受左側(cè)導(dǎo)流明渠擋墻及右側(cè)廠壩間導(dǎo)墻等建筑物限制，消能總寬度約為140m，消能區(qū)最大單寬流量約為137 m3/s·m。為充分利用下游消能區(qū)，可研階段開展了“寬尾墩”及“大差動(dòng)+舌形坎”兩個(gè)挑流消能方案的研究工作。

試驗(yàn)表明“寬尾墩”方案雖然消能效果有所提高，但堰面消能伴隨著堰面流態(tài)紊亂等問題，導(dǎo)致泄洪霧化強(qiáng)度與范圍有所增大，同時(shí)也增大了堰面出現(xiàn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單開3號(hào)或4號(hào)表孔時(shí)，由于出閘水舌兩側(cè)沒有約束，水舌會(huì)橫向擴(kuò)散，向右散開的水舌會(huì)沖擊廠壩間導(dǎo)墻（如圖1所示），甚至砸到尾水渠中，這在實(shí)際泄洪中是不允許出現(xiàn)的，閘門運(yùn)行方式受限。

圖1 單開4號(hào)表孔水舌擴(kuò)散示意圖Fig.1 Spread of the jet water with only surface hole 4#opened

“大差動(dòng)+舌形坎”方案，中孔采用出口轉(zhuǎn)彎側(cè)向收縮窄縫方案，表孔、中孔單獨(dú)或聯(lián)合泄洪時(shí)，達(dá)到了“挑流水舌分散入水、縱向拉開、分區(qū)消能”的效果，充分利用下游縱向消能水體、避免各孔水舌重疊現(xiàn)象，減小了消能區(qū)沖坑深度，確保了相鄰建筑物安全。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，消能沖坑深度及形態(tài)主要由表孔控制，在表孔挑角選擇時(shí)，考慮表孔1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)孔小挑角，挑角為23°，反弧半徑為30 m，挑坎位置略靠后，鼻坎高程為1 242.62 m；2號(hào)、4號(hào)表孔為高挑角，挑角為35°，反弧半徑為30 m，挑坎位置略靠前，鼻坎高程為1 246.17 m，距1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)坎末端約10.8 m，各表孔之間采用混凝土墻隔開，相互獨(dú)立。1號(hào)、2號(hào)中孔出口下游左側(cè)緊挨導(dǎo)流明渠擋墻、3號(hào)、4號(hào)中孔下游右側(cè)緊挨廠壩間中導(dǎo)墻，為避免中孔水舌沖淘兩側(cè)擋墻基礎(chǔ)，鼻坎采用平面轉(zhuǎn)彎，將水舌導(dǎo)向河中，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)中孔轉(zhuǎn)彎角度分別為15.5°、15.5°、17.95°和26.44°；中孔出口采用收縮式鼻坎，各孔出口寬度分別為4.7m、4.7 m、3.1 m和3.8 m。試驗(yàn)表明，表孔“大差動(dòng)+舌形坎”、中孔出口轉(zhuǎn)彎側(cè)向收縮窄縫方案，達(dá)到了挑流水舌分散入水、縱向拉開、分區(qū)消能的預(yù)期目標(biāo)，除了3號(hào)中孔與5號(hào)表孔水舌邊緣存在重疊外，其余各孔水舌落點(diǎn)均能相對(duì)獨(dú)立；4個(gè)中孔水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離兩側(cè)擋墻，未出現(xiàn)沖砸導(dǎo)墻基礎(chǔ)現(xiàn)象。表中水舌落點(diǎn)詳見圖2。

圖2 表中孔平面布置及水舌落點(diǎn)示意圖Fig.2 Distribution of the discharge holes and the drop location of jet water

經(jīng)比較，“大差動(dòng)+舌形坎”方案，消能區(qū)流態(tài)更為平穩(wěn)、消能更為充分、水舌落點(diǎn)相互錯(cuò)開、運(yùn)行更為靈活、霧化也相對(duì)較輕，建筑物的運(yùn)行安全性更高，因此選擇了表孔“大差動(dòng)+舌形坎”挑流消能方案。

施工過程中，在消能區(qū)發(fā)現(xiàn)深度約20～30 m、寬度約25 m的深槽，下游消能區(qū)原地面高程約1 212.0 m高程，對(duì)深槽部位進(jìn)行碾壓混凝土回填至1 193 m高程，其余部位開挖至1 200 m高程，消能區(qū)主要為弱風(fēng)化或微風(fēng)化玄武巖，抗沖流速約為10 m/s。通過模型沖刷試驗(yàn)研究，深槽處理方案及消能區(qū)開挖高程、沖坑深度及形態(tài)均不會(huì)危及大壩及兩側(cè)擋墻安全。

4 水工模型試驗(yàn)研究

水工模型試驗(yàn)研究采用1∶65、1∶40兩個(gè)整體模型，對(duì)“大差動(dòng)+舌形坎”方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，成果相互驗(yàn)證、確保成果的可靠性。

4.1 泄流能力

1∶40整體模型對(duì)表、中孔泄流能力進(jìn)行了測試，表、中孔單獨(dú)運(yùn)行及表、中孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的泄流能力均比計(jì)算值略大，校核洪水試驗(yàn)值19 420.5 m3/s較設(shè)計(jì)計(jì)算值19 300 m3/s約大0.62%，設(shè)計(jì)洪水試驗(yàn)值16 149.2 m3/s較設(shè)計(jì)計(jì)算值15 900 m3/s約大1.56%，泄流能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 泄洪建筑物水面線、流速及壓力分布

校核工況下，表孔孔內(nèi)水面距離弧門支鉸7.40 m，水流不會(huì)觸及弧門支鉸，溢流面斜坡段及反弧段內(nèi)水面低于邊墻頂高程；中孔明流直段內(nèi)水流表面平順，水面距離弧門支鉸約5.3 m，至轉(zhuǎn)彎段水面逐漸升高，出口處外側(cè)水面比內(nèi)側(cè)水面高約2.0～3.0 m，明流段內(nèi)水面均沒超出邊墻頂。

試驗(yàn)表明，表孔堰面存在負(fù)壓現(xiàn)象，最大負(fù)壓值為0.88×9.8 kPa，小于規(guī)范最大負(fù)壓6×9.8 kPa；最大壓力為24.4×9.8 kPa，鼻坎最大流速約為29 m/s，水流最小空化數(shù)約為0.4。中孔校核工況時(shí)，水流空化數(shù)最小值為0.37，該點(diǎn)壓力為8.68×9.8 kPa，斷面平均流速30.4 m/s。各工況流速及壓力測試表明，表、中孔流速適中、壓力分布均勻，空化數(shù)均大于0.3，體型設(shè)計(jì)合理，發(fā)生空蝕破壞的可能性較小。

4.3 流態(tài)、水舌參數(shù)

試驗(yàn)觀測表明，各工況下水舌入水區(qū)縱向分層明顯、橫向間隔清晰，挑流水舌分散入水、分區(qū)消能。在設(shè)計(jì)工況（P＝0.2%）下，表中孔全開水流流態(tài)見圖3，水舌挑距和入水參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)洪水水舌參數(shù)Table 1 Parameters of the jet water with design flood

圖3 設(shè)計(jì)洪水表、中孔泄洪流態(tài)Fig.3 Flow pattern as discharge by surface holes and middle holes in design flood

4.4 動(dòng)床試驗(yàn)

消能區(qū)動(dòng)床試驗(yàn)依據(jù)消能區(qū)基巖抗沖流速約10 m/s進(jìn)行模擬。沖刷試驗(yàn)表明：各種泄洪工況泄洪水流均未對(duì)壩趾巖體、廠壩中導(dǎo)墻基礎(chǔ)、左岸導(dǎo)流明渠擋墻基礎(chǔ)產(chǎn)生淘刷。消能設(shè)計(jì)工況重現(xiàn)期100年洪水工況下，沖坑形狀為鍋底形，中部低、四周高，沖坑最低點(diǎn)高程為1 183.9 m，位于壩趾下游約130 m、消能區(qū)中間位置。泄洪表孔單寬流量較大，水流相對(duì)集中，中孔出口為窄縫，水舌縱向拉開，沖刷試驗(yàn)表明，沖坑形態(tài)及深度主要受表孔控制，5號(hào)表孔單孔全開工況為沖刷最不利工況，沖坑最低點(diǎn)高程為1 175.68 m，位于壩趾下游約140 m、距中導(dǎo)墻約17 m，尚未影響廠壩中導(dǎo)墻安全。由于本工程9個(gè)泄洪孔口相對(duì)獨(dú)立，泄洪運(yùn)行靈活，因此，為提高泄洪運(yùn)行安全性，可通過合理孔口調(diào)度方式避免不利工況運(yùn)行。

4.5 下游河道流態(tài)及流速分布

各試驗(yàn)工況挑流消能效果好，水面波動(dòng)幅度小，主流能夠順利歸槽，下游河道流態(tài)平順。各試驗(yàn)工況下，下游岸坡流速較小，消能區(qū)下游岸坡最大流速約4.4～4.6 m/s。廠壩導(dǎo)墻末端處下泄水流向右側(cè)擴(kuò)散、并出現(xiàn)頂沖右岸邊坡現(xiàn)象，頂沖區(qū)近岸流速約2.0～3.6 m/s。表孔和中孔泄洪時(shí)，尾水渠出口存在回流現(xiàn)象，回流流速約1.5～2.6 m/s；右岸邊坡上的回流流速約1.2～3.4 m/s。

5 原型觀測成果

2012年11月下閘蓄水，2014年9月開展了水力學(xué)原型觀測，成果表明：

（1）泄洪建筑物實(shí)際泄流能力較設(shè)計(jì)值略大，泄洪能力滿足要求。（2）在挑流水舌入水區(qū)附近，泄洪水霧升騰高度可達(dá)到壩頂高程，泄洪霧化對(duì)工程建筑物沒有明顯不利或?yàn)?zāi)害性影響。（3）消能區(qū)水流紊動(dòng)劇烈，消能充分，消能區(qū)下游河道水流歸槽良好。左、右岸最大流速為5.9 m/s和4.0 m/s。（4）表孔泄洪時(shí)，進(jìn)水口水流平穩(wěn)，除1號(hào)、5號(hào)表孔泄槽段邊墻有局部水翅外，未見其他異常流態(tài)。（5）挑流水舌空中水舌呈現(xiàn)明顯擺動(dòng)和脈沖現(xiàn)象；相鄰孔水舌之間空中碰擦，水舌入水區(qū)之間出現(xiàn)重疊；水舌摻氣裂散，產(chǎn)生明顯水霧；模型中，因縮尺效應(yīng)，水舌在空中沒有出現(xiàn)明顯泄洪水霧現(xiàn)象。（6）經(jīng)歷兩個(gè)汛期沖刷運(yùn)行，消能區(qū)出現(xiàn)沖刷最低點(diǎn)高程1 188.21 m，位于壩下0+233.80 m；最低點(diǎn)距離中導(dǎo)墻約32～39 m，坡比約1∶4.7～1∶5.7；沖刷坑上游坡相對(duì)平緩（坡比約1∶10），下游坡陡（坡比約1∶1），沖坑最低點(diǎn)與下游地形高差6～10 m。

原型觀測成果與模型試驗(yàn)成果基本一致，在設(shè)計(jì)預(yù)期范圍內(nèi)，目前來看泄洪消能建筑物能滿足工程正常運(yùn)行要求。五表孔局開泄洪流態(tài)見圖4。

6 結(jié)語

龍開口水電站采用表、中孔聯(lián)合泄洪，泄流能力滿足要求，保證了樞紐運(yùn)行安全可靠。采用表孔“大差動(dòng)+舌形坎”，中孔出口轉(zhuǎn)彎側(cè)向收縮窄縫挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、縱向拉開、分區(qū)消能，基本避免水舌落點(diǎn)重疊現(xiàn)象，充分利用了下游消能水體，彌補(bǔ)了下游消能區(qū)寬度有限的不足，減小了下游沖刷，沖刷坑不會(huì)危及大壩及兩側(cè)擋墻（或廠壩間中導(dǎo)墻），且9個(gè)泄洪孔口相對(duì)獨(dú)立，泄洪運(yùn)行靈活，檢修方便。

圖4 五表孔局開泄洪流態(tài)Fig.4 Flow pattern as discharge by five surface holes partlyopened

原型觀測成果表明，泄洪消能各項(xiàng)水力學(xué)指標(biāo)與模型試驗(yàn)成果基本一致，在設(shè)計(jì)預(yù)期范圍內(nèi)，泄洪消能建筑物自蓄水以來已安全運(yùn)行了5個(gè)汛期，目前來看，泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)能滿足工程正常運(yùn)行要求。 ■

[1]黃偉,王代禹.漫灣水電站泄洪消能布置設(shè)計(jì)與科學(xué)試驗(yàn)[J].云南水電技術(shù),1991,97(4):18-21.

[2]王均星,羅貝爾.龍開口水電站挑流消能方式[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,44(2):166-169.

[3]郭子中.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1982.

[4]汪振,黃維.云南某水電站泄洪消能設(shè)計(jì)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2007,5(3):64-67.

作者郵箱：wang_z3@ecidi.com

Design of flood-releasing energy dissipation structure for Longkaikou hydropower station

by WANG Zhen,CHEN Guo-liang,ZHEN Peng-xiang,YE Jian-qun and XIONG Li-gang Large Dam Safety Supervision Center,NationalEnergy Administration

By comparative studies,a pattern offlood release with the combination ofsurface holes and middle holes was adopted for Longkaikou project.The energy dissipation scheme ofsurface hole outlets was slotted bucketwith diversion teeth and the flip buckets oftongue-type.The type ofmiddle hole out?lets was slit-type buckets.In experiments,the jet flow from every outlet was plunged into the down?stream waterofdifferentlocations,the slit-type bucketjets were pullapartin the downstream direction, and the energy was dissipated partitioned.This flood release pattern and the energy dissipators would make fulluse ofthe limited width ofdownstream area and take fulladvantage ofthe downstream waterto solve the problem of energy dissipation.Moreover,all holes can be operated relatively independently, which makes the operation scheduling and maintenance flexible.And the study can be referenced in the design ofenergy dissipation structure ofsimilarprojects.

Longkaikou hydropowerstation;flood-releasing energy dissipation;ski-jump energy dissi?pation;dentated silland tongue-type flip bucket

TV653

B

1671-1092（2017）01-0012-04

2016-12-02

汪 振（1980-），男，安徽肥西人，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)及大壩安全管理工作。