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(重慶渝浩水電開發(fā)有限公司，重慶 武隆，408500)

1 工程概況

角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省遵義市道真仡佬族苗族自治縣境內(nèi)忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級開發(fā)中的第10級，上銜官莊電站，下接浩口電站。該工程的開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主。

角木塘水電站為河床式電站，正常蓄水位為383.00m，死水位為381.00m，總庫容0.3259億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。電站總裝機容量70MW(2×35MW)，保證出力10.1MW，多年平均發(fā)電量2.51億kW·h，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要永久性建筑物按3級建筑物設(shè)計，次要永久性建筑物按4級建筑物設(shè)計，臨時建筑物按5級建筑物設(shè)計。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩+壩身泄水孔+右岸河床式廠房等建筑物組成。

大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高55m，壩頂寬度為6.0m，壩頂高程388.0m。壩軸線總長為153.07m，其中左岸非溢流壩段長26.5m，右岸非溢流壩段長47.07m，溢流壩段長82.5m。表孔設(shè)5扇弧形工作閘門及1扇平面檢修鋼閘門，中墩厚3.5m(第2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，下游面375.72m高程以下閘墩厚4.875m)，邊墩厚3.0m，閘墩頂高程為389.0m。溢流壩段設(shè)置交通橋，布置于下游側(cè)閘墩上，橋面高程388.0m。大壩下游消力池斷面為倒梯形，消力池長75.0m，底寬為43.86m，消力池內(nèi)設(shè)置7個消力墩，消力池末端設(shè)置反坡式尾坎，消力池與廠房尾水渠間在355m高程以下設(shè)置3m厚的隔墩。

擋水建筑物按50年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)洪峰流量為9610m3/s，500年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量為13600m3/s。下游泄洪消能防沖建筑物按30年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)洪峰流量為8790m3/s。

2 泄洪消能建筑物非完全寬尾墩研究

2.1 電站的特點及主要考慮因素

角木塘水電站由于工程壩址洪水量大，50年一遇設(shè)計洪水為9610m3/s，500年一遇校核洪水13600m3/s。在5孔溢流表孔壩段內(nèi)，受閘室束窄影響，行洪斷面設(shè)計最大單寬流量達近211m3/s·m，在下游消力池內(nèi)該值也接近170m3/s·m左右，而在各級洪水條件下，上下游水位差基本在20m以內(nèi)，具有低水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)、底流消能率較低的特點，選定滿足要求的消能防沖布置方案設(shè)計和試驗難度均較大。

在大單寬流量(200m3/s·m)、超低佛氏數(shù)(Fr=1～2)，上下游水位落差小的消力池內(nèi)消能率極低，尾坎處水面嚴重雍高，出池水流形成二次水躍，下游很遠范圍內(nèi)水面波動較大，河床和兩岸邊坡沖刷嚴重。初步設(shè)計方案中，在消力池內(nèi)布設(shè)中墩和T型墩等輔助消能工后，由于下游水深較大，輔助消能工作用不明顯。在溢流堰尾部增設(shè)趾墩后，能迫使入池主流下潛，增大水流水深方向的流速梯度，增強水流水深方向的剪切摻混作用，提高消力池的消能率，但一方面趾墩處存在流速大，趾墩兩側(cè)面壓力小，水流易出現(xiàn)空化空蝕的問題，同時，另一方面中墩兩側(cè)流速高達15m/s，超過中墩規(guī)范允許值，兩側(cè)及頂部動水壓力小，容易發(fā)生空化空蝕破壞。

2.2 泄洪建筑物表孔布置設(shè)計方案

河床式廠房布置于右岸，為了盡量降低廠區(qū)邊坡高度，并綜合考慮閘孔布置，溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流壩段長82.5m，溢流凈寬5m×12.5m，堰頂高程364.50m，堰頂位置設(shè)5扇12.5m×19.6m弧形工作閘門和一扇12.5m×19.75m共用檢修閘門，工作閘門采用液壓啟閉機啟閉，檢修閘門采用單向門式啟閉機啟閉。溢流堰中部設(shè)置閘墩，閘墩凈距12.5m，閘墩墩長38.08m，邊墩及導(dǎo)墻厚3m，中墩厚3.5m，墩頭為橢圓形，墩尾為半徑1.75m的半圓形，在第2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，寬尾墩折角為22.247°，折點離閘墩下游面7.64m，下游面375.72m高程以下閘墩厚4.875m，該位置閘孔凈寬6.25m。弧門支座牛腿寬5.2m，支座高度h為5.0m，支座外緣高度h1為2.2m，弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離a為1.0m，弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距e0為2.75m/2.5m。壩頂交通橋設(shè)在下游閘墩上，橋面寬6.0m，橋面高程388m。溢流堰采用有較大泄流能力的WES實用堰，其上游堰面曲線采用三圓弧線，其半徑分別為9.577m、3.831m、0.766m，下游面采用冪曲線，曲線方程為y=0.0406x1.85，采用1∶1的斜坡與下游鉛直壩面相交。緊接邊墩設(shè)置導(dǎo)墻延伸至泄槽末端(壩縱0+044.548)，左岸導(dǎo)墻(壩縱0+033.920～0+044.548)頂部為1∶1的斜坡。

根據(jù)溢流壩面流速成果可知，各級洪量下泄時，溢流壩面流速不大，僅在常遇洪水(P=10%)工況時，表孔局部(壩縱0+022.896位置)流速較大(達18.28m3/s)，懸移質(zhì)泥沙含量較小，多年平均含沙0.506kg/m3，溢流面混凝土抗沖耐磨要求不高，溢流面考慮采用C35常態(tài)混凝土。由于弧門推力較大(達25280kN)，故閘墩考慮采用C35預(yù)應(yīng)力混凝土，每個中墩布置4排共計28根300t級預(yù)應(yīng)力主錨索，3排共計15根150t級預(yù)應(yīng)力次錨索；每個邊墩布置3排共計21根260t級預(yù)應(yīng)力主錨索，3排共計15根150t預(yù)應(yīng)力次錨索。支座牛腿采用C45混凝土，溢流壩段交通橋板、梁采用C25混凝土。

表孔平面布置見圖1。

圖1 泄水消能建筑物平面布置

2.3 泄洪表孔泄流能力

角木塘水電站溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流壩段長82.5m。溢流堰采用有較大泄流能力的WES實用堰。

表1 表孔泄流能力計算成果

各工況泄流能力滿足設(shè)計要求。

2.4 消能型式分析

為考察在溢流表孔2#、4#孔上布置寬尾墩后對整體泄流水平是否有影響，對泄流能力進行測量計算，對比無寬尾墩體型下的泄流能力成果，分析該寬尾墩布置型式對泄流能力的影響。

通過選取典型工況，采用典型的閘門組合方式，根據(jù)原設(shè)計方案中已測得的閘門開度，調(diào)節(jié)流量，使得上游水位達到設(shè)定值(正常蓄水位383.0m))，而對于閘門全開的工況，如P=2%流量及大于該流量的工況，調(diào)節(jié)泄流量，使得上游水位達到設(shè)定值。通過試驗分析各工況下泄流能力和有無寬尾墩對比見表2和圖2。

表2 泄流能力對比列

圖2 各工況下有無寬尾墩的泄流能力對比

對比原始方案和加非完全寬尾墩聯(lián)合消能方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力結(jié)果，在相同閘門開度和上游水位的條件下，閘門過流量有所差別，流量越大差別越小，流量越小差別越大。分析認為：大流量情況下，上下游水位差小，寬尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情況下，寬尾墩對水流的阻礙作用很明顯；在P=50%工況下，相比無寬尾墩的情況，其泄流能力降低了14.68%；在P=0.2%工況下，相比無寬尾墩的情況，過流能力基本一致。各個工況下，泄流能力均滿足設(shè)計流量要求。

3 非完全寬尾墩方案分析

3.1 非完全寬尾墩方案特點和適用性分析

為了驗證寬尾墩+消力池新型消能工在本工程的適用性，通過查閱設(shè)計規(guī)范，本工程寬尾墩僅在P=50%工況接近應(yīng)用要求(具體見表3)。

表3 各工況下參數(shù)hd/Pd情況表

非完全寬尾墩僅在2#、4#孔增加寬尾墩，根據(jù)試驗結(jié)果顯示，P=50%工況采用2#、4#閘孔均勻開啟方式最優(yōu)，且2#、4#孔布置寬尾墩能讓水流在水平方向最大程度的對稱擴散，水流受到寬尾墩的水平束窄，射流的厚度大幅增加，使水流沿水深方向得到顯著擴散，一方面向下擴散的主流潛入池底與中墩充分撞擊后在縱向形成流速梯度，在池內(nèi)形成橫軸旋滾，另一方面向上擴散的主流抬高水面高程迫使出閘水流在消力池首部形成水躍。再者2#、4#閘孔水流受寬尾墩的束窄，水流出了閘墩后在水平方向向兩側(cè)擴散，一方面表層擴散水流在3#孔閘墩后40m左右處撞擊，強烈紊動摻氣，形成一個明顯的“V”字，另一方面向1#、5#閘孔擴散的水流，撞擊邊壁后在消力池首部形成兩個大的立軸旋滾，特別是在常遇流量下，由于下游水位較低，強烈的橫軸旋滾和立軸旋滾基本使得中墩前全部水流強烈紊動消能，摻氣非常明顯。中墩后水流經(jīng)過消力池尾部的調(diào)整后穩(wěn)定流入下游河道，在尾坎處基本沒有形成壅水。

3.2 消能效果分析

在消能效果方面，各個工況下消能率如下表4。

表4 各個工況下消能率情況

從上表可以看出，非完全寬尾墩聯(lián)合消力池的消能型式使消能率進一步得到改善，P=50%工況下消能率甚至可以達到49%。

3.3 消力池內(nèi)水面線分析

大壩閘室內(nèi)布置有非完全寬尾墩和無寬尾墩，通過試驗主要觀測P=2%、3.33%和10%三個工況下水位與水面線對比(如下圖3～圖5)。

圖3 P=2%工況下消力池內(nèi)水面線對比

圖4 P=3.33%工況下消力池內(nèi)水面線對比

圖5 P=10.0%工況下消力池內(nèi)水面線對比

閘室內(nèi)布置了寬尾墩后，消力池內(nèi)水面高程明顯要比沒有布置寬尾墩時高，寬尾墩的束窄作用使得水流在縱向更充分的拉伸，向上擴散的水流抬高了消力池的水面高程。

3.4 泄流能力分析

為研究大壩溢流表孔上布置非完全寬尾墩后對整體泄流能力是否有影響，通過對泄流能力重新進行測量計算，對比無寬尾墩體型下的泄流能力成果。按有閘門調(diào)度需求的工況，如P=3.33%流量及小于該流量的工況，采用典型的閘門組合方式，根據(jù)原設(shè)計方案中已測得的閘門開度，調(diào)節(jié)流量，上游水位達到設(shè)定值(正常蓄水位383.0m)，各工況泄流能力對比見表5和圖6。

表5 泄流能力對比

圖6 各工況下的泄流能力對比

對比未加寬尾墩和加非完全寬尾墩方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力結(jié)果，在相同閘門開度和上游水位的條件下，閘門過流量有所差別，流量越大差別越小，流量越小差別越大。分析認為：大流量情況下，上下游水位差小，寬尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情況下，寬尾墩對水流的阻礙作用顯得很明顯；在P=50%工況下，相比未加寬尾墩的溢流堰，其泄流能力降低了8.7%；在P=0.2%工況下，相比未加寬尾墩的溢流堰，過流能力基本一致。

對比未加寬尾墩方案的泄流能力結(jié)果，泄流能力在P=50%和P=10%工況下有一定的變化，這也說明本工程不適宜于布置五孔寬尾墩。

3.5 非完全寬尾墩聯(lián)合消能工應(yīng)用綜合分析

通過水工模型試驗成果顯示，在未設(shè)置非完全寬尾墩的條件下，低佛氏數(shù)、大單寬流量的水流入池流速均較大，可能會超過規(guī)范中中墩允許的最大流速15m/s，且中墩處容易產(chǎn)生脈動負壓，發(fā)生空蝕破壞，布置非完全寬尾墩后，增加了水流的橫軸和立軸旋滾，使水流運動機制不規(guī)則，提高了中墩的動水壓力以及脈動的最小值，同時降低中墩附近水流的流速，降低了中墩發(fā)生空蝕破壞的可能性。

采用非完全寬尾墩聯(lián)合消能工結(jié)構(gòu)，即在滿足運行條件2#、4#閘孔布置寬尾墩，在斜坡消力池中部設(shè)置中墩消能工。部分孔布設(shè)寬尾墩相對于全部孔布置寬尾墩，一方面減小了寬尾墩對泄水建筑物泄流能力的影響；另一方面增大了水流橫向擴散的空間，增強了消力池首部水流的立軸旋滾。同時，由于寬尾墩的橫向束窄作用，水流豎向被拉伸，主流與中墩充分接觸，加強了水流的橫軸旋滾；由于水流的三維不規(guī)則紊動，消除了中墩處流速大、壓力小、易空蝕的問題。同時有效將水流消能任務(wù)控制在消力池首部，降低了尾坎處的消能任務(wù)。

綜上所述，在保證運行安全的前提下，為節(jié)省工程量和投資，角木塘水電站采用非完全寬尾墩、斜坡消力池、中墩三者聯(lián)合泄洪消能結(jié)構(gòu)布置方式最優(yōu)。

4 結(jié)語

通過創(chuàng)新采用非完全寬尾墩、斜坡消力池、中墩三者聯(lián)合泄洪消能結(jié)構(gòu)，有效解決了角木塘水電站低水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)底流消能難題，消能率穩(wěn)定，能穩(wěn)定地控制出池水流的流速及流態(tài)，減小對下游河道的沖刷；提高了中墩的工作條件，降低了中墩發(fā)生破壞的可能性；有效將水流消能任務(wù)控制在消力池首部，降低了尾坎處的消能任務(wù)，對泄水建筑物的泄流能力影響小，縮短消力池長度、降低工程建造成本，為工程項目創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益。