黃金坪水電站泄洪洞出口消力池連接段體型優(yōu)化研究

劉麗娟，張 旻，王勇波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

黃金坪水電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發(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)彎布置為有壓接無壓泄洪洞。采用深式有壓進口，接有壓洞，中間設控制閘門室，后接無壓洞；有壓段洞身采用圓形斷面，無壓段洞身采用城門洞形斷面，出口采用底流消能。泄洪洞進口底板頂高程1 420.00m，洞身總長658.43m，其中有壓段洞長370.38m，為洞徑13.5m的圓形斷面，無壓段洞長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88m，寬30m，底板頂高程1 393.00m，消力池出口設置差動式尾坎，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計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，其消能工水力設計的關鍵是如何穩(wěn)定水躍和增加消能效果[1～6]。

鑒于泄洪洞出口下游對岸為黃金坪村，減小消力池出口流速和下游河道沖刷對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，消力池末端沒有向下游移動的地質(zhì)條件，消力池向上游擴大在布置上也受到極大限制。本文通過水工模型試驗研究，在不改變消力池尾坎位置及消力池總布置的前提下，對泄洪洞出口消力池連接段多種體型進行了技術經(jīng)濟比較，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

原設計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88m，寬30m，底板厚3m?？紤]消力池排沙和后期檢修維護方便，池末端設差動式消力坎，坎頂高程1 405.00m。具體布置形式及體型參數(shù)見圖1。

2.2 方案二：三級階梯式消力池

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。在出口底部設置高1m、長10m的挑坎，坡度為1∶10，并設置摻氣井，以防止階梯段空化空蝕的發(fā)生。連接段先接1.34m跌坎再接三級階梯，一級階梯為斜坡形式，坡度為1∶15，二、三級階梯高3m，長15m。消力池尺寸與方案一相同，具體布置形式及體型參數(shù)見圖2。

2. 3 方案三：大跌坎連接式消力池

圖1 原設計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，長度為20m，坡度為1∶10。由于洞出口擴散段側(cè)壁有負壓，出口采用0.7m的突擴。將方案二的三級階梯連接段改成水平擴散段，形成一個大跌坎與消力池連接，坎高6m、長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)見圖3。

圖2 三級階梯式消力池剖面示意

3 結(jié)果與分析

為評價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計提供試驗依據(jù)，根據(jù)泄洪洞運行特點，在正常蓄水位以上運行時流量變化很小，因此，試驗選擇上游蓄水位1 476m、下游河道水位1 409.34m、泄洪洞全開運行作為代表性試驗工況。試驗測試了流態(tài)、流速分布、壓力分布和水面形態(tài)，并對各種方案的消能率進行了計算。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。方案二在第二級臺階中部形成水躍，水躍比較穩(wěn)定，但回水較為嚴重，深度約1.6m，消力池內(nèi)水流紊動劇烈，波動較大，出口處水面跌落和波動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值與方案二相近，消力池后水流平順銜接。試驗表明，方案二和方案三消力池內(nèi)水流中大量能量已經(jīng)消耗，出池水流沒有明顯的二次跌落，消力池出坎流速分布優(yōu)于原設計方案，出池流速也小于原設計方案。

可見，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，出池水面波動和二次水面跌落均較大，下游沖刷較為嚴重，所需的防護工程量和難度也較高。

圖5為三級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。各方案水力學指標測試結(jié)果見表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計方案的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，對于河岸防護是相當有利的。

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

4 結(jié)束語

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指標。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計的推薦方案。

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