猴子巖水電站導流洞改建非常泄洪洞體型研究

石江濤 劉宇

【摘 要】猴子巖電站非常泄洪洞由導流洞改建而成，非常泄洪洞體型的合理性及抗空化性能的好壞直接關系到該工程能否安全運行。本文通過研究，在常壓模型試驗的基礎上，采用有壓洞塞式泄洪洞改建方案；并通過減壓模型試驗，提出了“垂直射流+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，確定非常泄洪洞的最終體型。減壓模型試驗表明，該體型的抗空化性能滿足工程要求。這一成果，為導流洞改建泄洪洞的推廣應用開辟了新的途徑。

【關鍵詞】猴子巖 泄洪洞 減壓模型 體型

1.前言

猴子巖水電站壩址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉，部分庫區位于甘孜藏族自治州丹巴縣和阿壩藏族羌族自治州小金縣境內。是大渡河水電規劃“三庫22級”的第9級電站，上接丹巴水電站，下接長河壩水電站。

大渡河徑流豐沛，洪峰流量大，猴子巖水電站壩址處多年平均流量約774m3/s，年徑流量244億m3，相當于黃河徑流量的51倍。

電站的設計洪水為千年一遇，洪峰流量7550 m3/s，校核洪水為最大可能洪水（PMF），洪峰流量9940 m3/s，最大泄洪水頭約135m，總泄洪功率約為13000MWs。

猴子巖水電站泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。綜合考慮猴子巖水電站地形地質條件、泄洪、導流建筑物布置條件、技術風險、施工條件、建筑物直接投資等因素，泄洪放空建筑物由1條溢洪洞、1條深孔泄洪洞、1條非常泄洪洞（由1#導流洞改建）和1條泄洪放空洞組成。

非常泄洪洞布置在左岸，由1#導流洞改建而成，布置上利用一條豎井連接泄洪洞與導流洞，最大泄量約1600m3/s，出口流速約20m/s。非常泄洪洞體型是否合理、是否具有足夠的抗空化能力，是猴子巖水電站導流洞改建泄洪洞關鍵技術問題。

2.導流洞改建泄洪洞型式研究

根據猴子巖水電站樞紐布置，借鑒國內外相關工程經驗，并結合猴子巖工程布置條件及泄量要求，本工程不宜采用龍抬頭和豎井旋流消能形式。

本文重點研究了水平旋流消能型式和有壓洞塞消能方式。國內外水平旋流和有壓洞塞工程運用情況見表1。

水平旋流和有壓洞塞工程運用表

表1

工程

名稱 國別 壩型 泄洪洞最 大泄量 （m3.s-1） 水頭 型式 說 明

買加 加拿大 土石壩 850 186 有壓洞塞 已建

小浪底 中國 堆石壩 1500 150 有壓孔板 已建

特里 印度 堆石壩 1820 203 水平漩流 已建

羅貢 俄羅斯 土石壩 1980 250 水平漩流 已建

公伯峽 中國 堆石壩 1060 110 水平漩流 已建

猴子巖 中國 土石壩 1600 128

2.1有壓洞塞式泄洪洞研究

（1）有壓洞塞式泄洪洞布置

有壓洞塞式泄洪洞由短壓力進口、上平段、上彎段、豎井段及下平段（與導流洞結合段）組成。

進水口型式為短壓力進口，平板門擋水，工作閘門孔口尺寸為9m×11m（寬×高），進口閘底板高程1786.00m。

上平段長199.542m，豎井和上平段均采用圓形斷面，直徑11m，豎井與下平段相交處為直彎洞塞，直彎洞塞內徑10.2m。

下平段為與導流洞結合段，導流洞為城門洞形斷面，斷面尺寸為13m×15m（寬×高）。下平段內共設置三級洞塞，，第一級洞塞在導流結束后改建為直徑12m的圓形斷面，第一級洞塞以后，洞塞處需局部改建，其余洞段完全利用導流洞斷面。泄洪洞出口設置突縮段，出口采用壓坡，壓坡孔口高7.5，寬11m。

（2）有壓洞塞泄洪常壓模型試驗

有壓洞塞式泄洪洞采用有壓流突縮突擴的消能方式。該型式的體型結構相對簡單，運行情況平穩。

有壓洞塞式泄洪洞常壓模型試驗成果表明：

① 導流洞改建泄洪洞是可行的。上彎段壓力分布的詳細測量表明，上彎段的防空化性能有充分的保證。上彎段的最小水流空化數為1.15。

② 泄流能力滿足設計要求。

③ 直彎洞塞水流特性、消能效果均很好，整個泄洪洞為有壓流，沒有出現不良的水流流態。

④ 有壓洞塞方案從沿程的時均壓力圖表明，各級洞塞在洞塞進口處壓力突減，然后再突然增大后會迅速降低，最小壓力都出現在洞塞出口之后，各級洞塞能消能充分。

⑤ 各級洞塞的水流空化數滿足不產生空化空蝕破壞的要求。

2.2水平旋流式泄洪洞研究

（1）水平旋流式泄洪洞布置

水平旋流式泄洪洞由短壓力進口、上平段、上彎段、豎井段及下平段（與導流洞結合段）組成。

水平旋流式泄洪洞進水口型式為短壓力進口，平板門擋水，工作閘門孔口尺寸為9.5m×9m（寬×高），進口閘底板高程1786.00m；上平段、上彎段為圓形斷面，直徑9.5m；豎井段為漸變段，由圓形漸變為矩形，矩形出口尺寸為12m×5.25m（長×寬）。

下平段為與導流洞結合段，由水旋段、旋流阻塞漸縮段、突擴段組成。水旋段和旋流阻塞漸縮段利用導流洞改建，而突擴段完全利用導流洞斷面。

水旋段始端設置通氣孔，直徑1.44m，并設置增壓帶，以消除起旋器低壓區的負壓。無壓明流段設置11個排氣洞。

泄洪洞出口：下游水位高于出口洞頂，洞內存在氣壓，為了控制出口氣爆等不利影響，在出口設置排氣洞。

（2）水平旋流式泄洪洞常壓模型試驗

經過多方案優化，水平旋流式泄洪洞解決了消能和排氣問題，其常壓模型試驗成果表明：

① 有壓進水口、上平段和豎井洞段為有壓流，流態穩定。水平旋流洞壁面壓強和旋流水流流速增大，通風孔轉為吸氣狀態，通風順暢，旋流洞內消能效果好，流態穩定。阻塞孔口后的突擴旋轉出流對導流洞四周壁面沖擊力度增大，并且導致銜接段導流洞的振動開始增大，水流隨旋轉慣性作用繞壁面旋轉下泄。隨后氣體隨沿程逐漸析出水面。后接導流洞基本為滿流形式下泄，流態穩定。

② 泄流能力滿足設計要求。

③在導流洞壁面沖擊點附近有虛負壓產生，該區域水氣摻混充分，摻氣濃度高，基本不會產生空蝕破壞，但須對其結構進行處理，增強抗沖抗空蝕性能。

④在旋流阻塞突擴段平均流速在25.75m/s～29.35m/s之間。因摻氣濃度高，消能效果明顯，隨后導流洞內的流速快速減小。

④在水平旋流洞直線段各水流空化數K隨沿程波動變化，大于水流空化數臨界值0.3，旋流洞內不會產生空化現象。阻塞段水流空化數K隨沿程降低，局部水流空化數小于空化臨界值為0.3，表明該段有可能發生空化現象。

3.3導流洞改建泄洪洞型式選擇

常壓模型試驗表明，水平旋流式泄洪洞和有壓洞塞式泄洪方案技術上都是可行的。

水平旋流式消能方案具有洞內壓力相對較低、消能率高的優點。但主要存在以下不利因素：

① 起旋器部分位置有負壓，可能引起空蝕；

② 旋流段由于旋轉水流的高速旋轉運動，切向流速增大，對施工質量要求較嚴；

③ 消能主要在阻塞段至突擴段，該段水流流態非常紊亂，容易空蝕空化及引起振動。

④ 下游尾水位較高，洞內無法保持明流流態，摻入水體的大量氣體不能從洞口順利排出，這就需要增加專門的進排氣設施，該結構較復雜，改建工程量大，改建工期較長。

有壓洞塞式消能方案采用直彎洞和三道水平洞塞利用水流的突縮突擴作用消能，出口收縮段與下游平順連接，在整個洞內形成有壓流系統，結構簡單。

該消能方式流態穩定、水流參數易于控制結構強度高，消能特性好。買加壩自70年代運行至今，未見發生空蝕破壞的報道。

綜合考慮，猴子巖非常泄洪洞采用有壓洞塞消能方案。

3.有壓洞塞式泄洪洞減壓模型試驗研究

為保證泄洪洞有足夠的抗空化富余度、更有利于提高消能率及降低水平洞段前部的壓力，在常壓試驗推薦體型基礎上進行了減壓模型試驗研究。本次試驗經過多方案的試驗比較，提出了“垂直洞塞+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，即：豎井直徑為12m，豎井段設一級收縮洞塞，洞塞出口直徑為8.5m，同時直彎洞塞的進、出口直徑均為12m，直彎出口無突擴，水平段洞塞設五級水平洞塞組，其出口直徑分別為8.4m、8.7m、9.2m、10.0m及10.2m（詳見圖1～圖2）。

試驗結果表明，在校核水及汛限水位下各洞塞段均沒有出現空化，該體型滿足工程需要。

4.結論

本文通過研究，在常壓模型試驗的基礎上，確定采用有壓洞塞式泄洪洞改建方案；并通過減壓模型試驗，提出了“垂直射流+直彎洞塞+水平洞塞組”的消能模式，確定非常泄洪洞的最終體型。減壓模型試驗表明，該體型的抗空化性能滿足工程要求。

作者簡介：

1. 石江濤（1974～ ），男，四川筠連人，工程碩士，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，高級工程師，主要從事水工結構設計工作

2. 劉宇（1982～ ），女，四川南充人，工程碩士，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，工程師，主要從事水工結構設計工作

圖2 泄洪洞豎井段詳圖