戽流與挑流聯合消能工在狹窄彎道河段水電工程中的應用

錢麗云,任　葦

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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戽流與挑流聯合消能工在狹窄彎道河段水電工程中的應用

錢麗云,任葦

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：基于甘南某水電站工程實踐，針對單純挑流消能工在狹窄河段應用時，存在易沖刷兩岸、沖坑深度大、消能不充分的問題，將該工程中間表孔的挑流消能方式調整為戽流，將兩側表孔、底孔挑流向河中間集中，根據調整后模型試驗成果，由于采用了分散消能形式，有效降低了沖坑深度，消能效果良好，這種戽流與挑流聯合消能形式，為狹窄彎道段水電工程消能設計提供了新思路。

關鍵詞：戽流；挑流；聯合消能；狹窄

0前言

水庫一般都要泄洪，泄洪就需消能。最古老的消能工是階梯形溢流面。目前，底流消能、戽流消能和挑流消能成為3種主要消能方式[1]。近20多年，中國的水利工作者在引進國外先進消能技術的同時對消能工和消能方式做了很多創新性的研究和設計工作。如河北潘家口、遼寧白石水庫分別采用了寬尾墩和異形寬尾墩挑流消能，安康、巖灘、五強溪等水電站工程采用了寬尾墩(異形寬尾墩)—(底孔)—消力池(加T形墩等)方式的組合消能[2-3]，寬尾墩是中國創造的。龍羊峽、東江等水庫則采用了窄縫挑流的先進消能技術。由于大型導流洞改建永久泄洪洞的需要，開展了洞內消能工的研究，并在黃河小浪底水庫率先建成了大型多級孔板消能泄洪洞。對水平螺旋流和旋流式豎井溢洪道等內消能技術的研究成果，也已應用到公伯峽和沙牌等工程[4]。

1工程概況

某水電站裝機容量3×27 MW，水庫正常蓄水位1 962.00 m，最大壩高62 m，樞紐工程屬Ⅲ等中型工程，首部樞紐設計洪水標準為50年一遇，相應洪水流量956.00 m3/s，校核洪水標準為500年一遇，相應洪水流量1 580.00 m3/s。

攔河大壩共分為9個壩段，由左向右依次布置左岸擋水壩段、2孔溢流表孔、1孔沖沙底孔、1孔電站進水口壩段及右岸擋水壩段。擋水壩為混凝土重力壩。泄水建筑物布置在壩身。由2個表孔和2個底孔組成，壩后為短護坦，兩岸為消能及霧化影響范圍防護區[5]。

樞紐區河道蜿蜒曲折，彎道較多，河槽形態以“V”字形居多，河寬一般僅為15～40 m。庫區兩岸基巖裸露，山體雄厚，岸坡高陡，河床覆蓋層厚約5 m左右，作為混凝土壩基需清理。下覆基巖為石碳系灰巖，巖體比較完整，強度高，模量值較大，透水性小，弱風化厚度8～15 m，河床建基面選擇在可置于弱風化巖體中下部，巖體完整性較好。

2原設計挑流消能方案及初步修改

原設計方案充分利用上述河床基巖整體性較好的特點，表孔、底孔均采用挑流消能，同時通過水工模型試驗調整底孔鼻坎形式，使其水流落點分散，減少對下游的沖刷，提高消能效果。詳見圖1。

圖1　原設計挑流消能方案平面布置圖　　　單位：m

根據設計方案并進行了水工模型試驗發現：

(1) 表孔和底孔挑流落點位置基本一致，均位于護坦末端下游40 m左右，超過護坦防護范圍，對河床沖刷較大，沖刷坑最低點高程1 888.16 m，最大沖刷深度19.84 m；

(2) 左表孔水舌水疵較大，水舌落點有些蹭擊左岸岸坡，右底孔出流也有些蹭擊右岸岸坡。

以上試驗成果表明：原設計方案未充分考慮河道彎道多、河寬狹窄的特點，因此建議對底孔及表孔的水舌收縮幅度進行修改，以避免水舌蹭擊岸坡；進一步通過模型試驗加強消能效果，減小河床沖刷坑深度。模型試驗主要進行了以下修改。

(1) 水舌對撞消能方案

對表孔出口進行修改，以達到出口水舌對撞的目的。通過模型放水試驗發現，由于兩表孔距離近，水舌不能采用較大偏角，否則容易沖擊河岸，但小偏角方案不僅不能產生水舌對撞效果，反而使兩表孔水舌合為一處，水流更為集中，使下游沖刷更為嚴重，最大沖刷深度達25 m左右。

(2) 動床加寬

對下游河道的動床范圍進行了加寬處理，放水試驗發現，動床加寬后，對消能有一定的有利效果，沖刷坑深度有所減小，但校核工況的最大沖刷深度還在20 m左右，沒有明顯改善。

(3) 挑坎尾部修改

目的主要為調整表孔、底孔水舌收縮幅度及落點。放水試驗發現，下游沖刷情況沒有實質性改善。校核工況的最大沖刷深度在18 m左右， 30年一遇洪水標準不同運行方式沖刷坑深度介于8～14 m，5年一遇洪水標準不同運行方式沖刷坑深度均在10 m以上。

以上試驗均在采用挑流消能工的前提下，通過各種優化措施，結果表明，均不能有效解決存在的問題。

3戽流與挑流聯合消能工設計

上述多個修改方案的放水試驗發現，由于某水電站所處河段蜿蜒曲折，主河槽狹窄，河道單寬流量大，流速高，底孔、表孔均為挑流，水舌落點位置一致，均位于護坦下游，直接砸在下游河床上；水舌落點區域水流集中，沖擊力大，河床局部沖刷劇烈。有必要改變思路，將單一挑流消能工調整為聯合消能方式。

根據分析考慮，擬將2個溢流表孔中的中間一孔修改為戽流，為挑流提供了較為穩定的水墊，將兩側的溢流表孔、底孔鼻坎體型進行優化，使水舌集中，詳見圖2。

圖2　戽流與挑流聯合消能方案平面布置圖　　　單位：m

經模型放水試驗發現：在樞紐下游，兩底孔和左表孔均形成自由挑流，右表孔出口形成貼水面挑流或臨界淹沒挑流；兩底孔水舌落點位于護坦河槽中心，左表孔水舌落點緊貼護坦左岸護坡，挑射水舌潛入水面后形成強烈的水面波動及漩滾水流，并對壩下0+086.40 m下游護坦及河道右岸形成頂沖，右岸形成主流區，左岸形成一定范圍的回流區。

在30年一遇及其以下洪水，護坦及下游河道流態較好，沖刷坑深度均在5 m以下；設計洪水、百年一遇洪水及校核洪水護坦及下游河道右岸雖然還有涌浪，但較前述的一些修改方案有很大改善，沖刷坑最大深度均不超過10 m。

可以看出，采用戽流與挑流聯合消能工，護坦及下游河道流態有很大改善，樞紐下游沖刷坑問題也較好解決，此方案可作為推薦方案。

4結語

本文依托某中型工程，根據其具體河道特點，結合其樞紐區河道彎道較多、河寬窄的地形特點，以及壩址區基巖條件好的特點，介紹了設計采用中間戽流、兩側挑射的聯合消能設計，成功了解決了消能問題的思路，為類似工程提供借鑒。

參考文獻:

[1]許蔭椿 ,胡德保.水力學[M].北京：科學出版社,1988.

[2]林珍喜,鄭洪,歐陽福生,周翠云.寬尾墩在福建龍湘水電站挑流消能中的作用研究[J].湖南水利水電,2008,(4)：26-28.

[3]潘旭東,郭宇.山口水電站泄流能力及消能方式研究[J].水利與建筑工程學報，2012，(02)：48-51，122.

[4]劉慧卿 ,劉云婷,張先起.適合高壩的壩身旋流式豎井溢洪道設計[J].華北水利水電學院學報,2003,(4)：41.

[5]郭紅浩.九龍峽水電站水工整體模型試驗及三維數值模擬[D].楊凌：西北農林科技大學，2009.

Application of Joint Energy Dissipation Structure of Bucket and Trajectory Flow in Hydropower Project in Narrow and Curve River Course

QIAN Liyun, REN Wei

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China)

Abstract:Based on the practice of one hydropower project and aiming at the application of the single energy dissipation structure with trajectory flow in narrow river course, which easily scours banks, causes deep scouring pit and energy is not fully dissipated, the energy dissipation type of the trajectory flow of the middle surface outlet is modified to the bucket flow. The trajectory flows from the surface outlets on both sides and the bottom outlets concentrate to the middle. From the results of the modified model tests, the scouring pit depth is decreased and the energy dissipation effect is excellent after the dispersive energy dissipation type is applied. The joint energy dissipation type of bucket and trajectory flow provides design of the energy dissipation of hydropower project in narrow and curve river course with new concept.

Key words:bucket flow; trajectory flow; joint energy dissipation; narrow

中圖分類號：TV653

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.012

作者簡介：錢麗云(1987- ),女,河北省陽原縣人,工程師,從事水工結構設計工作.

收稿日期：2015-06-04

文章編號：1006—2610(2016)01—0048—03