梅山水庫新洞總布置試驗研究

鄭開發 周正旭 潘俊青 王久晟

（1梅山水電站 六安 237300 2安徽省·淮委水利科學研究院 蚌埠 233000 3安徽省水利水資源重點試驗室 蚌埠 233000）

1 概述

梅山水庫新泄洪隧洞（以下簡稱新洞）具有以下幾個較為突出的特點：泄流量大、消能防沖負擔重，強烈的沖刷很可能導致新洞出口建筑物失穩，影響新洞的安全運行；新洞進口出現強烈的吸氣漏斗漩渦；出口水深、流速較大無法采用底流消能；出口距發電廠房和升壓站均較近，采用常規的挑流消能，使得出口水流的消能集中在很小的空間內完成，可能導致廠房尾水出現較大的波動，增大廠房、升壓站出現霧化的可能性，影響廠房和升壓站的正常運行；受原地表建筑物和地形的限制，新洞出口寬度及高度調整的空間極為有限。以上問題大大增加了梅山水庫新洞的設計難度。

2 新洞軸線方案比選

2.1 原布置方案及修改方案軸線布置

方案一：原布置方案，進口A點坐標為（-169.970，-192.594）、出口 B點坐標為（92.860，82.733）。該方案泄洪洞軸線與連拱壩軸線夾角為43.67°，洞出口距發電廠房71.50m，距對岸直線距離為401.29m。該方案的另一特點是洞軸線從兩個高壓線塔之間穿過，施工時不會干擾發電及供電。

方案二、三：考慮到方案一中洞出口距廠房約71.50m，為不影響廠房發電，洞出口不宜向上游偏移。出口下游約25m即為升壓站平臺，洞出口向下游偏移的空間不大，方案二、三中A點坐標不變，B點沿正北方向分別向下游偏移10m、20m。

2.2 試驗結果

為消除溢洪道出流對新洞出流的干擾，保證常遇工況下新洞單獨運行時對廠房發電的影響較小，選取汛限水位單開新洞的運行工況進行方案比選。采用設計洪水工況單放新洞進行驗證（虛擬工況，目的是將三個方案的差別變得更為明顯）。

方案一：0+100～0+200段主流偏左，至0+300斷面主流開始偏右，至二號橋前流速分布已趨于均勻；0+020～0+280段右側河道出現寬約90m的順時針回流區，最大流速-2m/s，廠房前橫向流速達0.30m/s。

方案二：0+100～0+300段主流偏左，至0+400段主流略偏右，至二號橋前流速分布已趨于均勻；0+020～0+280段右側河道出現寬約110m的順時針回流區，流速-2～-3m/s，廠房前橫向流速達0.25m/s；0+180～0+310段左側岸坡出現寬約30m的逆時針回流區，回流流速達-0.5m/s。

方案三：0+100～0+400段主流偏左，至二號橋流速分布已趨于均勻；0+020～0+220段出現寬約100m的順時針回流區，最大回流流速-3.03m/s，廠房前橫向流速達0.30m/s；0+180～0+250段左側岸坡出現寬約30m的逆時針回流區，回流流速達-1m/s。

設計洪水工況單放新洞時下游流態與汛限水位規律一致，僅流速值發生了相應的變化，此時三個方案右岸岸坡最大流速值為2.41m/s，新洞出流均不會對對岸造成沖刷或破壞。

三個方案下游總體流態差別不大，對廠房的影響均較小。考慮到洞出口下移后，洞長及拆遷量略有增加，洞出口距升壓站更近，出口水流霧化對升壓站的影響更大，因而建議選用方案一。

3 新洞進口方案比選

原布置方案各主要工況新洞進口前均出現吸氣漏斗漩渦，主要由表面環流透發而成，增加有壓洞長度使有壓洞內壓坡線變緩、清除右側山體和修改洞口頂曲線。改善進流條件等手段對消除漩渦均無明顯作用，需在洞前增設浮箱式消渦格柵，進口方案優化試驗，主要在單體模型中進行。

新洞進口各工況門井前1～5m范圍均出現吸氣漏斗漩渦，漏斗尾部已伸入有壓洞內，須經過修改試驗予以消除。

方案一：在事故門槽后增加10m平洞，將有壓段加長；

方案四：為進一步改善入流條件，清除右側山體；

方案五：在洞前增加截面0.25m×0.25m、凈間距0.5m的消渦梁構成的消渦格柵；

方案六：在洞前增加截面0.5m×0.5m、凈間距0.8m的消渦梁構成的消渦格柵。

經試驗，方案一～方案四均未消除新洞進口前的吸氣漏斗漩渦，方案五、六均能有效地防止吸氣現象的發生。其中方案五消渦梁凈間距不得大于0.5m，方案六消渦梁凈間距不得大于0.8m；消渦格柵橫向寬度不小于20m，順水流向不小于5m。消渦格柵平面布置決定了消渦效果，梁截面高度可根據構造等要求確定。另外，建議采用隨水位上下浮動的消渦格柵。

最終選定的消渦格柵在整體模型中進行了驗證，各主要工況下新洞進口水流平順，僅在消渦格柵內偶爾出現很小的短歷時游移漩渦，未出現吸氣漏斗，格柵消渦效果良好，其布置見圖1。

4 新洞出口方案比選

4.1 新洞出口方案概述

新洞出口方案主要做了以下幾個方案的比較：原布置方案、修改方案一、修改方案二和終結布置方案共四個方案，各方案的主要技術指標見表1。

4.2 試驗成果

4.2.1 原布置方案

由于出口流速過大，原布置方案中1m深消力池內未形成水躍，消力池尾坎起到挑流鼻坎的作用，挑流水舌貼下游水面拋出，各工況最大挑距均在50～70m左右，水舌落點平面呈扇形。

4.2.2 修改方案一

汛限水位新洞單獨泄流時，新洞出流沿新洞軸線方向頂沖對岸，頂沖處在0+300的斷面附近，頂沖點處流速達5.13m/s。Ⅰ區回流面積約90m×200m，最大回流流速為-1.94m/s；Ⅱ區回流面積約90m×250m，最大回流流速為-4.38m/s；Ⅲ區回流面積約20m×50m，最大回流流速為-0.40m/s；Ⅳ區回流面積約40m×70m，最大回流流速為-0.30m/s。

正常高水位時，新洞出流沿新洞軸線方向頂沖對岸，頂沖處在0+300的斷面附近，頂沖點處流速達5.25m/s。Ⅰ區回流面積約80m×240m，最大回流流速為-1.65m/s；Ⅱ區回流面積約90m×250m，最大回流流速為-3.58m/s；Ⅲ區回流面積約20m×50m，最大回流流速為-0.50m/s；Ⅳ區回流面積約40m×70m，最大回流流速為-0.33m/s。

設計洪水溢洪道與新洞聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約90m×250m，最大回流流速為-2.73m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流區回流面積約100m×230m，最大回流流速為-3.35m/s；Ⅳ區回流面積約40m×70m，最大回流流速為-0.80m/s。新洞主流基本未受溢洪道主流影響，兩者交匯于0+250斷面，0+500河道斷面以下流速已基本均勻分布。

表1 新洞出口方案比較

校核洪水溢洪道與新洞聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約80m×240m，最大回流流速為-3.50m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流面積約100m×210m，最大回流流速為-3.33m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.75m/s。新洞主流基本未受溢洪道主流的影響，兩者交匯于0+250斷面，0+500河道斷面以下流速已基本均勻分布。

修改方案一汛期水位、設計洪水、校核洪水時新洞后沖坑最深點高程分別為58.7m、54.4m、52.8m，相應的最大沖坑深度為7.3m、11.6m、13.2m，沖坑最深點距箱涵出口分別為32.6m、25.6m、24.8m，由沖坑最深點計算所得的沖坑后坡分別為1∶4.47、1∶2.21、1∶1.88，該方案各工況沖坑最陡處出現在沖坑最深點上游，最大分別達1∶2.97、1∶1.83、1∶1.33，沖刷坑可能危及新洞出口安全。

4.2.3 修改方案二

汛限水位新洞單獨泄流時，新洞出流擴散良好，主流略偏向新洞中心線下游，未明顯頂沖對岸，Ⅰ區回流消失；Ⅱ區回流面積約100m×370m，最大回流流速為-2.55m/s；Ⅲ區回流面積約30m×50m，電廠尾水處最大回流流速為-0.42m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.44m/s。至0+500斷面以下流速基本均勻分布。

正常高水位時，新洞出流擴散良好，主流略偏向新洞中心線下游，未明顯頂沖對岸，Ⅰ區回流消失；Ⅱ區回流面積增大，約100m×330m，最大回流流速為-3.59m/s；Ⅲ區回流面積約20m×50m，最大回流流速為-0.40m/s；Ⅳ區回流面積約40m×70m，最大回流流速為-0.43m/s。

設計洪水溢洪道與新洞聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約80m×240m，最大回流流速為-1.99m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流區面積約100m×230m，最大回流流速為-3.27m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.82m/s。新洞主流未明顯受溢洪道主流的影響，兩者在0+250斷面交匯，至0+500斷面以下流速已基本均勻分布。

校核洪水溢洪道與新洞聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約80m×220m，最大回流流速為-1.56m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流區面積約100m×200m，最大回流流速為-3.59m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.78m/s。新洞主流未明顯受溢洪道主流影響，兩者在0+250斷面交匯，至0+500斷面以下流速已基本均勻分布。

汛限水位、設計洪水、校核洪水時，新洞后沖坑最深點高程分別為60.0m、56.4m、55.5m，相應的最大沖坑深度為6.0m、9.6m、10.5m，沖坑最深點距箱涵出口分別為34.3m、32.4m、33.4m，對應的沖坑后坡分別為1∶5.71、1∶3.38、1∶3.18，滿足規范規定沖坑后坡緩于1∶3的要求。

4.2.4 終結布置方案

汛限水位新洞單獨泄流時，新洞出流擴散良好，主流略偏向新洞中心線下游，未明顯頂沖對岸，Ⅰ區回流面積約80m×250m，最大回流流速為-1.63m/s；Ⅱ區回流面積約80m×230m，最大回流流速為-2.34m/s；Ⅲ區回流面積約30m×50m，電廠尾水處最大回流流速為-0.39m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.32m/s。至0+500斷面以下流速基本均勻分布。

正常高水位時，新洞出流擴散良好，主流略偏向新洞中心線下游，未明顯頂沖對岸，Ⅰ區回流面積約80m×160m，最大回流流速為-1.41m/s；Ⅱ區回流面積約85m×240m，最大回流流速為-2.71m/s；Ⅲ區回流面積約20m×50m，最大回流流速為-0.48m/s；Ⅳ區回流面積約40m×70m，最大回流流速為-0.34m/s。

設計洪水溢洪道與新洞聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約70m×170m，最大回流流速為-2.19m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流區面積約100m×270m，受溢洪道影響，最大回流流速為-10.22m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.78m/s。新洞主流未明顯受溢洪道主流影響，兩者在0+250斷面交匯，至0+500斷面以下流速已基本均勻分布。

聯合泄洪時，Ⅰ區回流面積約50m×160m，最大回流流速為-2.66m/s；Ⅱ、Ⅲ區回流融為一體，回流區面積約100m×220m，最大回流流速為-3.35m/s；Ⅳ區回流面積約40m×60m，最大回流流速為-0.82m/s。新洞主流未明顯受溢洪道主流影響，兩者在0+250斷面交匯，至0+500斷面以下流速已基本均勻分布。

終結布置方案汛限水位、設計洪水、校核洪水時，新洞后沖坑最深點高程分別為62.4m、60.2m、58.9m，相應的最大沖坑深度為3.6m、5.8m、7.1m，沖坑最深點距箱涵出口分別為76.1m、100.8m、107.4m，對應的沖坑后坡分別為 1∶21.14、1∶17.38、1∶15.13。滿足規范規定沖坑后坡緩于1∶3的要求。

5 結語

新洞軸線的三個方案下游總體流態差別不大，對廠房的影響均較小。考慮到洞出口下移后，洞長及拆遷量略有增加，洞出口距升壓站更近，出口水流霧化對升壓站的影響更大，因而建議選用方案一。

新洞進口的吸氣漏斗旋渦可采用截面尺寸為0.5m×0.5m、凈間距0.8m或截面尺寸為0.25m×0.25m、凈間距0.5m的消渦梁構成的浮箱格柵予以消除，其中格柵長不小于20m，寬不小于5m，并須保證有足夠的浮力和保證浮箱格柵隨水位升降。

新洞出口段采用底流消能工程量過大，可將原布置方案0+387.000～0+428.900加高至66.0m高程，此時新洞出流平拋至下游，受下游水流的頂托，基本貼水面流動，消能效果最佳，對電廠運行的影響最小