金安橋水電站表孔泄流及底流消能研究

李雙寶，馬 俊，鄧良軍

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

金安橋水電站工程為一等大 （1）型工程。樞紐布置從左至右依次為：左岸非溢流壩段、左沖沙底孔壩段、引水發(fā)電壩段 （后接壩后式明廠房）、右泄洪沖沙底孔壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段。其中，溢流壩段共設5孔泄流表孔，后接泄槽和消力池。

1 消能方案選擇及泄洪建筑物布置

1.1 泄洪消能方案選擇

樞紐區(qū)左岸邊坡受地形和地層巖性、地質(zhì)構造等多方面因素的影響，曾發(fā)生過崩塌，并形成了一些崩塌堆積體。這些崩塌堆積體的組成物質(zhì)為碎石、塊石夾粘質(zhì)粉、砂土，中等密實，部分較松散，天然狀態(tài)下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；但在開挖切角、爆破、泄洪霧化等不利因素影響下，存在坍滑失穩(wěn)的可能。其中，B20崩塌堆積體規(guī)模最大，體積約226萬m3，且位于廠房尾水渠及泄洪消能建筑物泄洪霧化影響區(qū)。

在可研階段，曾考慮挑流方案；但由于表孔挑流泄洪量大、運行頻繁，所產(chǎn)生的霧化對B20的影響難以定量分析；又根據(jù)已建工程的經(jīng)驗，泄洪霧化對B20崩塌堆積體的不利影響是一個巨大的潛在威脅。因此，多方研究最終選定了溢流表孔底流消能的泄洪消能方式[1]。

1.2 泄洪消能建筑物布置

泄洪消能建筑物由左、右底孔及其泄槽，溢流壩段、泄槽、消力池及海漫組成。其中，左、右底孔分別布置在廠房壩段左、右側，其主要功能為泄洪、沖沙保庫、保障電站進水口 “門前清”、降低壩前淤沙高程，在施工后期參與導流、導流洞下閘封堵后向下游河道供水等。

根據(jù)調(diào)洪及泄流能力初步計算以及地形地質(zhì)條件，溢流壩段、泄槽及消力池布置于右岸天然臺地上。泄洪建筑物共設5孔13 m×20 m開敞式表孔，邊墩厚度為4 m，中墩厚度5 m，溢流壩段前沿總寬為93.0 m；孔口設有檢修平板門和弧形工作門，分別采用門機和液壓啟閉機控制，操作平臺與壩頂同高程均為1 424 m。閘墩前緣呈尖圓流線形，懸出上游壩面5 m；溢流壩堰頂高程為1 398 m，設計定型水頭Hd＝0.858Hmax=19.732 m，堰面為WES曲線，方程為Y=0.039 634X1.85，原點上游為三段圓弧組成。曲線末端接1∶0.75直線段和半徑R＝55 m的反弧段；溢流壩后接長約200.0 m的泄槽及長約170.0 m的消力池，消力池后設海漫與原河床平順連接。

根據(jù)河床地形地質(zhì)條件，消力池后海漫高程Z0確定為1 298.0 m。為避免池后出現(xiàn)遠驅(qū)式水躍，在此海漫高程下對消力池末端設消能坎和下挖成池方案進行綜合比較。由于跌坎方案坎后水流落差較大，需二次消能；故，消力池選定為下挖式。

2 泄洪消能理論分析

2.1 泄洪標準

根據(jù)樞紐建筑物等級[1]，泄洪設計標準為500年一遇，校核標準為5 000年一遇，下游消能防沖建筑物設計標準為100年一遇。

泄洪與消能計算時，選取了以下4種典型工況（括號中流量為經(jīng)水庫調(diào)洪后的下泄總流量）進行計算：校核洪水 （Q=17 653 m3/s，P=0.02%）；設計洪水（Q=14 700 m3/s，P=0.2%）； 百年洪水（Q=12 400 m3/s， P=1%）； 十年洪水 （Q=8 880m3/s， P=10%）。

2.2 泄流能力計算

根據(jù)上述公式及參數(shù)，在不同水位下計算得相應泄流量，見表1。

表1 溢流壩表孔泄流庫水位～流量關系曲線

2.3 消力池消能計算

2.3.1 消能計算原理

泄洪水流由溢流表孔下泄，經(jīng)泄槽進入消力池并在池內(nèi)發(fā)生水躍而消能。為保證各級洪水在池內(nèi)均能發(fā)生稍有淹沒的水躍，提高消能效率，同時使消力池盡可能經(jīng)濟合理，需要對消力池結構尺寸及體形參數(shù)進行理論計算與分析。

先按式（1）[4]判別收縮斷面處的水流自然銜接形式以確定是否修建消力池

計算分析表明，在各級洪水時均需修建消力池。

在上述分析基礎上，分別對庫前水位、池前、池末寫能量方程，可得

根據(jù)水躍方程，可得

在消能計算時 （見圖1）， 由于 s，hc、hT為未知量， 其余均為已知量， 故聯(lián)立求解式（3）（4）（5）可得該3個未知量。

消力池長度計算經(jīng)驗公式[4]

2.3.2 消能計算參數(shù)

首先，確定由溢流壩表孔下泄流經(jīng)泄槽進入消力池內(nèi)的各級流量及相應單寬流量q?？紤]到校核洪水時 （此時不再發(fā)電），右底孔參與泄洪，泄洪量Q=2 699.0 m3/s，進入消力池的流量則為校核洪水流量減去底孔流量。對于設計洪水標準以下洪水，僅考慮表孔泄流量而不計入右底孔泄流量，但需扣除部分電站引用流量才是進入消力池的流量。因泄洪時，電站未必全部機組均發(fā)電；故，偏安全地考慮一半的引用流量，即Q=1 210 m3/s，則進入消力池的各級流量如表2所示。

圖1 消力池消能計算示意

表2 消力池消能流量計算表

其次，根據(jù)下泄總流量，在壩址區(qū)水位～流量關系曲線上插值查取下游水位。下游水位與池后海漫高程Z0=1 298.0m之差，即為消能計算時所需的下游水深 ht=Z下-Z0。

綜上所述，得各級流量下消能計算參數(shù) （見表3）。

表3 消力池消能參數(shù)計算

表4 消能計算成果

2.3.3 消能計算結果及分析

由前所述消能計算原理及計算參數(shù)，利用程序進行計算，最終得結果如表4所示。

消能防沖洪水標準為百年一遇洪水，故選定消力池底板高程為1 282.5m，即下挖深度s=15.5 m；而池長則結合地形地質(zhì)條件并綜合考慮各級洪水工況，最后選定為L=170 m，并按此結構尺寸開展模型試驗研究。

3 模型試驗研究

3.1 泄流能力

昆明理工大學及武漢大學兩家科研單位對溢流表孔的泄流能力進行了量測[2]，分析整理后與計算結果進行了比較 （見表5）。

表5 泄流能力計算成果比較

由表5中可以看出，理論計算與兩單位實測數(shù)據(jù)基本吻合，滿足設計要求。

圖2 金安橋水電站泄洪消能建筑物剖面布置

3.2 模型試驗

從模型試驗的成果來看，常規(guī)平底水躍消力池入口處在設計工況下臨底流速高達40.19 m/s，實屬國內(nèi)外罕見。常規(guī)鋼筋混凝土結構難以承受如此高流速大流量的水流，因此臨底流速問題成了制約底流消能方案成立的決定性因素。根據(jù)郭子中先生關于混合流消能的理論，以及前蘇聯(lián)薩揚舒申斯克（Sayano-Shushenskaya）水電站工程的實踐經(jīng)驗，參考國內(nèi)在建相似工程的模型試驗成果，若通過在收縮斷面處設置一定高度、具有一定挑射角的跌坎，使高速水流不直接作用于消力池底板上，可大幅降低臨底流速。多方案試驗研究表明，將本工程消力池前端底板高程降底6.0 m后，臨底流速有大幅度的降低。

在消力池前端底板降低6.0 m的跌坎式底流消能模型試驗的所有工況中，有7種工況為溢洪道泄槽消力池單獨運行工況。在這7種工況下，整個流道流態(tài)基本相似，庫區(qū)水面平穩(wěn)，溢流表孔堰前、堰面和泄槽段的流態(tài)良好；消力池內(nèi)均能形成淹沒式水躍，隨著流量的增大，消力池內(nèi)水躍躍首的位置逐漸向下游推移；水躍充分發(fā)展區(qū)的位置基本不變。經(jīng)過模型試驗研究和分析，可以得出如下結論與建議[2]：

（1）樞紐總體布局設計方案基本合理。

（2）泄流建筑物泄洪能力可以滿足設計要求。

（3）在宣泄校核及設計洪水時，消力池內(nèi)水流紊動較為劇烈；但出池水流平穩(wěn)，在泄百年以下洪水時，出池流速均較小，消能效果較好；池后水力銜接、歸槽均較平順。

（4）動水壓力分布正常，符合一般規(guī)律。

（5）泄槽段最大流速43.68 m/s，消力池最大臨底流速13.95 m/s，對高流速段均應進行抗沖耐磨設計。

經(jīng)理論分析及試驗研究，最終選定的泄洪消能建筑物剖面布置如圖2所示。

4 結語

水力學理論計算和模型試驗驗證的結果表明，金安橋水電站溢流表孔的泄流能力能夠滿足設計的要求。

在泄洪消能方案的選擇中，由于受地形地質(zhì)條件的制約，溢流表孔選用了底流消能的消能方式。但表孔泄洪水頭高達145 m，最大泄洪流量14 954.2 m3/s，泄槽末收縮斷面處試驗流速高達40.19 m/s（設計工況），傳統(tǒng)的平底板底流消能難以解決底板在高速水流作用下的抗沖耐磨及結構問題，因此能否降低臨底流速，是制約本工程泄洪消能成功與否的關健。經(jīng)過近兩年的理論分析研究，以及有關科研單位的多個模型試驗，通過在收縮斷面處設一跌坎的措施，成功降低了臨底流速，使得本工程的泄洪消能方案得以順利實施。

［1］ 中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.金安橋水電站可行性研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，2005.

［2］ 昆明理工大學， 武漢大學，中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.金安橋水電站整體水工模型試驗研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，2005.

［3］ SL253—2000 溢洪道設計規(guī)范［S］.

［4］ 武漢水利電力大學.水力學試用教材 （上、下冊）［M］.北京：高等教育出版社，1985.