李桂林，郭金婷，羅永欽，吳 楠

［1.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南省昆明市 650033；3.國(guó)電金沙江旭龍（奔子欄）水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041］

0 引言

高拱壩兩側(cè)設(shè)置岸邊泄洪洞是水電工程常見樞紐布置方式，國(guó)內(nèi)已建或在建的二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級(jí)、白鶴灘、烏東德等工程均采用此種方式，高拱壩水頭高，泄洪消能問題突出[1]，壩身泄洪、泄洪洞泄洪是主要泄洪方式，因壩身泄洪易帶來近壩區(qū)流激振動(dòng)、泄洪霧化等問題，泄洪洞常作為優(yōu)先選擇運(yùn)行的泄水建筑物，其泄洪安全備受關(guān)注。高水頭岸邊泄洪洞的主要水力學(xué)問題表現(xiàn)在進(jìn)口漩渦、空化空蝕、摻氣減蝕、出口消能、通風(fēng)補(bǔ)氣等方面[2]，研究的全過程通常是：前期設(shè)計(jì)及科研人員基于水力設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)[3-4]、三維數(shù)值模擬[5]等手段對(duì)泄洪洞體型進(jìn)行詳細(xì)深入研究；后期工程完建后經(jīng)過長(zhǎng)期泄洪考驗(yàn)、系統(tǒng)原型觀測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證及反饋前期研究成果，形成完整封閉的泄洪洞建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。然而實(shí)際情況是，高壩工程的調(diào)節(jié)庫容通常較大，泄水建筑物泄洪頻率較低，接受長(zhǎng)期泄洪考驗(yàn)的概率相對(duì)也低；另外，系統(tǒng)的組織并獲得原型運(yùn)行的水力學(xué)數(shù)據(jù)難度大，因此岸邊泄洪洞水力學(xué)問題研究常不是全過程的，難以提供工程建設(shè)運(yùn)行的完整技術(shù)支撐。

大崗山水電站拱壩最大壩高為210m，電站正常蓄水位1130m，總庫容7.42億m3，調(diào)節(jié)庫容為1.17億m3，工程泄水建筑物由壩身4個(gè)深孔和右岸1條開敞式進(jìn)口無壓高水頭泄洪洞組成。該工程是典型的高壩工程，位于高山峽谷區(qū)域，電站調(diào)節(jié)庫容小，汛期泄洪非常頻繁，泄洪洞是主要的泄水建筑物[6]。泄洪洞前期水力學(xué)問題的研究已十分深入，后期運(yùn)行頻次高，亦進(jìn)行了較為系統(tǒng)的水力學(xué)原型觀測(cè)，具備全過程水力學(xué)問題分析條件。

1 水力設(shè)計(jì)

經(jīng)過樞紐布置多方案比選，岸邊泄洪洞布置在右岸，采用開敞式縱坡為i=0.1039且一坡到底的形式，總長(zhǎng)度1077.50m，開敞式設(shè)計(jì)的好處是保證了進(jìn)口補(bǔ)氣的順暢。斷面形式為圓拱直墻型，斷面尺寸為由16.00m×20.00m（寬×高）漸變成14.00m×18.00m（寬×高）；進(jìn)口底高程為1098.32m，出口底高程為990.00m，全斷面鋼筋混凝土襯砌。經(jīng)水力設(shè)計(jì)后的泄洪洞最大泄量為3352m3/s，最大流速為41.95m/s，為解決高速水流引起的空化空蝕問題，設(shè)計(jì)了六道摻氣設(shè)施，每級(jí)間距約150m，摻氣坎的設(shè)置間距符合規(guī)范要求，出口采用挑流消能。摻氣坎、出口消能工具體形選擇與優(yōu)化、下游河道消能防沖是下一步研究重點(diǎn)。

2 水工模型試驗(yàn)

在前期水力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建造了水工單體模型，比例尺為1:40，上游模擬對(duì)進(jìn)口流態(tài)有影響的構(gòu)筑物，下游河道模擬長(zhǎng)度600m。在模型試驗(yàn)優(yōu)化過程中，主要技術(shù)難點(diǎn)是：1號(hào)摻氣坎區(qū)域具有低Fr數(shù)水力特點(diǎn)，不易形成穩(wěn)定的摻氣空腔；出口下游河道狹窄，其消能防沖效果對(duì)挑流鼻坎體形較為敏感。通過開展多種方案對(duì)比的模型試驗(yàn)，解決了上述的難點(diǎn)技術(shù)問題（見圖1），確定了泄洪洞流道的推薦體形（見圖 2）。

推薦方案模型試驗(yàn)泄洪洞在校核洪水位1132.35m運(yùn)行時(shí)，流量試驗(yàn)值為3460m3/s，比設(shè)計(jì)值略大。泄洪洞進(jìn)口邊墻處的分離區(qū)域較小，水面形態(tài)總體平順。六級(jí)摻氣坎采用“U 形挑坎+局部陡坡?lián)綒饪病斌w形，解決了1號(hào)及其他摻氣坎的摻氣問題，各級(jí)流量下均能形成穩(wěn)定空腔且基本沒有回溯水流產(chǎn)生，各級(jí)摻氣坎前的摻氣濃度大于1.22%，通風(fēng)井內(nèi)的最大風(fēng)速約56m/s，各實(shí)測(cè)參數(shù)均滿足規(guī)范要求。出口采用了斜鼻坎，坎上水深均勻，各級(jí)流量下均能正常起挑，下游河道消能防沖效果總體較好[7]。

圖2 大崗山泄洪洞剖面圖Figure. 2 Dagangshan flood discharge tunnel section

3 水力學(xué)原型觀測(cè)

高流速泄洪洞水力設(shè)計(jì)對(duì)水流脈動(dòng)的考慮有局限性，水工模型試驗(yàn)亦有模型相似率的問題。為進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果，了解泄洪洞運(yùn)行的真實(shí)工作狀態(tài)，2016年汛期（運(yùn)行初期）對(duì)泄洪洞進(jìn)行了水力學(xué)原型觀測(cè)（見表1），觀測(cè)水位為1120.75～1128.66m，觀測(cè)參數(shù)包括了流態(tài)、動(dòng)水壓力、底流速、摻氣濃度、空穴監(jiān)聽。

表1 水力學(xué)原型觀測(cè)工況Table 1 Hydraulic prototype observation conditions

3.1 流態(tài)

原型泄洪洞閘門全開時(shí)，因進(jìn)口左右兩側(cè)收縮影響，出現(xiàn)一定程度的繞流現(xiàn)象，原型模型流態(tài)十分相似（見圖3和圖4）；原型閘門局開時(shí)進(jìn)口檢修門槽處有不同程度的立軸旋渦，屬正常水力學(xué)現(xiàn)象，對(duì)工程運(yùn)行無不利影響。

圖3 1120. 0m水位閘門全開進(jìn)口流態(tài)（模型）Figure.3 Gate fully open inlet flow state in 1120. 0m Water level（model）

原型泄洪洞出口水舌縱向充分起挑，水體呈“乳白色”，橫向充分拉伸，形成馬蹄形的水流形態(tài)，出口挑射水流落水點(diǎn)基本位于下游河道的中心，水舌外緣落水點(diǎn)附近的水流涌浪沖向左岸，局部范圍內(nèi)水流沿岸坡有一定爬升，落水點(diǎn)上游水面總體較為平順；水工模型試驗(yàn)水舌形態(tài)、下游河道流態(tài)與原型十分相似（見圖5和圖6）。

圖4 1120.7m水位閘門全開進(jìn)口流態(tài)（原型）Figure 4 Gate fully open inlet flow state in 1120.7m（actual）

圖5 1120.0m水位出口流態(tài)（模型）Figure 5 Export flow state in 1120. 0m Water level （model）

圖6 1120.7m 水位出口流態(tài)（原型）Figure 6 Export f low state in1120. 7m Water level（actual）

3.2 摻氣濃度、空化噪聲

原型1號(hào)摻氣坎前邊墻上水流表面自摻氣作用明顯，水流摻氣濃度達(dá)9.2%～23.5%，泄洪洞出口挑坎起點(diǎn)處（樁號(hào)1+077.50m）底部測(cè)點(diǎn)水流摻氣濃度實(shí)測(cè)值為5.0%～6.6%。根據(jù)1:40泄洪洞單體水工模型試驗(yàn)成果，1123m水位閘門全開泄洪時(shí)，樁號(hào)1+060.00m泄洪洞底部水流摻氣濃度為3.7%，原型觀測(cè)各工況水流摻氣濃度均略大于模型試驗(yàn)值，摻氣效果較好。泄洪洞內(nèi)的空化噪聲測(cè)點(diǎn)也未監(jiān)測(cè)到明顯的空化噪聲，表明摻氣坎的底部摻氣能有效保護(hù)坎后泄槽底板免遭空蝕破壞。

3.3 流速、脈動(dòng)壓力

原型觀測(cè)時(shí)，1120.75m、1125.98m、1128.66m水位閘門全開、1122.70m水位閘門開度大于6m泄洪，泄洪洞出口反弧段及挑坎處（距底板3cm）水流流速實(shí)測(cè)值為22.00～25.73m/s。模型試驗(yàn)時(shí)，各級(jí)水位閘門全開時(shí)，洞內(nèi)流速沿程增大。校核洪水位1132.35m下，泄洪洞出口流速為35.8m/s。正常蓄水位1130.00m下，泄洪洞出口流速為27.35m/s。原型觀測(cè)泄洪洞出口流速略小于模型試驗(yàn)，這可能與原型斷面流速分布不均、底部流速偏低有關(guān)。但考慮到觀測(cè)工況泄洪洞進(jìn)口水位略有差異，模型試驗(yàn)結(jié)果與原型觀測(cè)成果基本吻合。

原型觀測(cè)泄洪洞樁號(hào)1+077.50m處底板上時(shí)均壓力約為（4.80～5.68）×9.81kPa，根據(jù)模型試驗(yàn)成果，水位1120m、1123m閘門全開泄洪工況下，泄洪洞樁號(hào)1+070.00m附近底板上時(shí)均壓力為（2.70～3.69）×9.81kPa，原型值比模型試驗(yàn)值大（1.99～2.10）×9.81kPa。原型觀測(cè)脈動(dòng)壓力最大值出現(xiàn)在1128.660m水位閘門全開泄洪時(shí)，為2.41×9.81kPa。泄洪洞出口底板上動(dòng)水壓力值總體不大，原型觀測(cè)成果與模型試驗(yàn)吻合較好。

3.4 閘門起挑開度

原型觀測(cè)庫水位為1122.70m、閘門開度小于4.2m泄洪時(shí)，出口挑流鼻坎內(nèi)水體未完全起挑，水流落砸本岸，泄洪洞閘門局開時(shí)，閘門開度應(yīng)大于4.2m運(yùn)行。電廠在實(shí)際運(yùn)行中可重點(diǎn)關(guān)注在汛期排沙運(yùn)行控制水位時(shí)，閘門不同開度局開時(shí)閘門振動(dòng)情況及進(jìn)口不利流態(tài)的影響，以總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

原型觀測(cè)成果總體表明，進(jìn)口水流平順，洞內(nèi)無明顯不利水力現(xiàn)象，實(shí)測(cè)水力參數(shù)無異常現(xiàn)象，出口挑流鼻坎的水流擴(kuò)散充分，下游消能效果較好。從泄洪洞前期水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)成果與原型實(shí)測(cè)值對(duì)比來看，三者之間總體吻合較好，但原型底部摻氣量更大。

4 泄洪洞實(shí)際運(yùn)行情況

泄洪洞的水力設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)、水力學(xué)原型觀測(cè)均一致論證了泄洪洞建設(shè)、運(yùn)行初期的泄洪安全性，但泄水建筑物的泄洪安全需經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際泄洪的考驗(yàn)，因此獲得泄洪洞近年來實(shí)際運(yùn)行過程與狀態(tài)十分重要。大崗山水電站于2015年 9月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2015年底四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，截至目前，電站已安全度過兩個(gè)完整汛期，根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行記錄，泄洪洞的運(yùn)行時(shí)間基本從每年 5 月初持續(xù)至 10 月底，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

2016、2017年度泄洪洞運(yùn)行開度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明（見表2和表3），兩年時(shí)間累積操作泄洪洞閘門近5000次，閘門在開度5～10m范圍內(nèi)頻繁開啟，全開次數(shù)較少，存在局開泄放較小流量長(zhǎng)期運(yùn)行的情況。建設(shè)單位在2016年汛后和2017年汛后對(duì)泄洪洞進(jìn)行了檢查，兩次檢查結(jié)果表明，經(jīng)歷兩個(gè)完整汛期運(yùn)行后，泄洪洞整體運(yùn)行狀態(tài)較好，泄洪洞進(jìn)出口、洞身、底板、邊墻等各部位運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)大面積沖蝕磨損，僅結(jié)構(gòu)縫有幾處沖磨現(xiàn)象；泄洪洞出口岸坡、道路總體運(yùn)行較好，局部有掏刷現(xiàn)象。

表2 2016年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞開度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Flood discharge opening statistics table(2016.5.1～10.31)

表3 2017年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞開度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Flood discharge opening statistics (2017.5.1～10.31)

5 結(jié)論

本文基于大崗山水電站泄洪洞水力設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)、水力學(xué)原型觀測(cè)、后期運(yùn)行與調(diào)查，分析了其建設(shè)與運(yùn)行期全過程的關(guān)鍵水力學(xué)問題，得到以下結(jié)論：

（1）泄洪洞體形優(yōu)良合理，各工況進(jìn)口及全程流態(tài)均較好；6級(jí)摻氣坎體形科學(xué)合理，原型摻氣效果較模型高，更有利規(guī)避流道內(nèi)發(fā)生空蝕破壞。

（2）泄洪洞出口挑流鼻坎體形合理，水力學(xué)條件較優(yōu)，水流擴(kuò)散充分，下游消能效果達(dá)到了預(yù)期要求。

（3）水力學(xué)原型觀測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了水力設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)成果，水力參數(shù)總體吻合較好，觀測(cè)成果還為后期閘門操作運(yùn)行、水庫調(diào)度提供了支撐；實(shí)際運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)一步論證了泄洪洞長(zhǎng)時(shí)間、高頻率泄洪的安全性。

（4）大崗山水電站泄洪洞的建設(shè)管理、運(yùn)行是成功的，其解決高速水力學(xué)問題的全過程研究思路、方法可為類似工程建設(shè)及運(yùn)行提供借鑒。