“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合消能在大華橋水電站的設計應用

丁浩鐸

摘 要：本文講述了“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合消能工在瀾滄江大華橋水電站泄洪表孔設計中的應用。大華橋水電站泄洪表孔體型包括敞式WES曲線溢流堰、1：0.70的臺階斜坡、反弧段和戽式消力池，寬尾墩設計為Y型。經模型試驗驗證，Y型寬尾墩收縮比在0.45時，挑射水舌縱向拉伸充分、形態穩定且摻氣效果好；戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2時尾坎后下游水面涌動明顯減弱，流態更趨于穩定。體型優化后，大華橋水電站泄洪表孔布置能夠滿足樞紐泄洪運行需要。

關鍵詞：大華橋水電站 寬尾墩 臺階壩面 戽式消力池 計優化

1.工程概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉境內的瀾滄江干流上，是瀾滄江上游河段的第七級電站，該電站為碾壓混凝土重力壩，泄水建筑物級別為2級，最大壩高106m，多年平均流量925m3/s，總庫容3.15億m3，電站裝機容量900MW；其攔河壩壩頂高程為1481m，最大壩高106m，壩頂寬度11m，壩頂軸線長度231.5m，其中，泄洪表孔壩段長度91.5m（5孔），采用“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合效能形式并集中布置在主河床，以便水流原位歸槽，減少對岸坡的沖刷。

2.初步設計及優化

2.1泄洪表孔初步設計

2009年，北京國電水利電力工程有限公司完成了大華橋水電站初步設計工作，其中：

（1）擋水、泄水建筑物正常運用洪水重現期（即設計洪水）采用500年一遇，相應洪峰流量為11600m3/s；非常運用洪水重現期（即校核洪水）采用2000年一遇，相應洪峰流量為13700m3/s；消能防沖設施：正常運用洪水重現期為50年一遇，相應洪峰流量為8300m3/s。

（2）泄洪表孔采用5孔13.5×17m的開敞式溢流堰，堰頂高程1460.00m，采用“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”消能方式；每孔泄洪表孔上游壩面為鉛直面，堰頂上游段堰面曲線采用三心圓曲線，堰頂下游面曲線采用開敞式溢流堰堰面曲線（堰面曲線方程為y=0.047366x1.85，起點高程為堰頂，末點高程為1439.397m，樁號為下0+029.189），顏面曲線后接1：0.80摻氣槽，摻氣槽末端與1：0.70的臺階斜坡段相切連接，臺階斜坡段后接反弧段和戽式消力池，Y型寬尾墩收縮比0.43。

2.2初步設計優化

大華橋水電站水工整體模型試驗由北京國電水利電力工程有限公司委托西安理工大學水力學所實施。西安理工大學水力學所需根據初步設計方案模型試驗結果對溢洪表孔總體布置及體型修改意見，并提出優化方案。

2.2.1模型試驗

①模型比尺：大華橋水電站水工模型制作比尺為1：80，由模型試驗基本理論可知，模型內的水流流態處于紊流平方區，故阻力處于自模擬區，因此模型試驗只需滿足重力相似準則即可。

②模型制作：模型溢洪道均采用透明有機玻璃進行制作，糟率滿足模型相似率，且易于觀察流態；試驗范圍為上游電站進水口上游280m至下游壩軸線下游710m，模型沙粒徑采用公式V=（5～7）d0.5進行計算；供水、穩水、量水系統等滿足模型試驗要求。

2.2.2初步設計方案試驗結果

經模型試驗驗證，泄水建筑物的泄流能力符合并滿足設計要求，堰面曲線、消能工整體設計合理，局部仍需修改，具體結論如下：

①為保證堰面部位流態的穩定以及牛腿結構合理可行，5#表孔邊墩向上游延長處理不宜過長，宜控制在9m以內。

②原方案寬尾墩收縮比較小、水舌較細，略有下垂，與類似工程相比不甚理想，建議對收縮比調整為0.45，對寬尾墩的長度，高度進行優化研究。

③原方案戽池尾坎高6m，下游水面線波動仍較大，建議對消力池尾坎進一步降低進行試驗研究。

3.優化方案體型及試驗成果

3.1優化方案體型

針對原設計方案的不足，經多次體型修改，最終優化泄洪表孔體型如下：

3.1.1邊墩體型

邊墩墩頭縮回至壩上0+008.50m，邊墩墩頭曲線為1/4橢圓，橢圓曲線方程為（x2/42）+（y2/62）=1，具體如圖4所示。

3.1.2寬尾墩體型

中孔寬尾墩末端頂高程抬高至1463.50m，邊孔寬尾墩則將外側墩抬高至1464.00m，內側墩抬高至1462.00m；考慮到抬高寬尾墩末端頂高程會影響到泄流能力，并且會使水流觸及閘門支座底緣，優化方案中將寬尾墩收縮比ε增大至0.45，則中墩墩厚為3.71m；邊孔寬尾墩的體型仍采取不對稱布置型式，其中外側墩厚取4.213m，內側取3.213m，體型如圖5.1～5.2所示。

3.1.3戽池尾坎體型

保持保持戽池坡度1：2.0不變，將尾坎高程調整至1390.00m，尾坎頂部平面寬度調整為3m，具體尾坎體型見圖6。

3.2優化方案試驗成果

3.2.1泄流能力

泄流能力滿足設計要求：在2000年一遇（大壩校核）洪水位、500年一遇（大壩設計）洪水位和200年一遇（廠房設計）洪水位工況下，表孔實測泄流量分別為11995m3/s、10263m3/s、9895m3/s，與設計泄流量的相對差值分別為-1.28%、0.20%、1.24%。

3.2.2流態

在進行寬尾墩優化后，挑射水舌上沿落點更遠，水舌下垂趨勢也得以明顯緩解；在消力池尾坎降至1390m高程后，戽式消力池末端及附近下游水面涌動明顯減弱，流態更趨于穩定。

3.2.3壁面壓力

堰閘段局部有負壓，其中2000年一遇洪水在壩0+000.00斷面壓力最小，為-0.20m；寬尾墩壁面壓力最大值約處在寬尾墩銳形迎水面尖角處，最大值不超過11m水頭，整個寬尾墩上無負壓產生；臺階溢流壩面位于水面線以上處壓力最大值不超過8m水頭，位于水面線以下處在10～37m水頭變化；反弧段壁面壓力沿程增大，壓力最大值出現在2000年一遇洪水和500年一遇洪水工況，位于反弧段末端壩下0+071.40m處，壓力均為47.86m。

3.2.4流速

表孔WES堰面段各測點相應位置臨底流速最大值出現在500年一遇洪水工況，位于壩下0+026.40m斷面，其值為19.6m/s；在臺階溢流面段臨底流速最大值出現在500年一遇洪水工況下，位于壩下0+040.55m斷面，其值為27.3m/s；從壩下0+080.00m、壩下0+107.60.00m和壩下0+120.00m三個斷面的臨底流速對比來看，最大臨底流速出現在50年一遇洪水時壩下0+080.00m斷面消力池左側，其值為19.5m/s，表面流速多為負值，一般為-1～-3m/s，最大值為-5.3m/s，出戽水流表面流速大下部流速小，有利于減輕河床沖刷。

4. 小結

本文詳細講述了瀾滄江大華橋水電站泄洪表孔“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合消能工的體型設計及優化，優化方案經模型試驗驗證，各項水力參數均能滿足設計要求，能夠應用于工程實際。在進行“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合消能工設計時，主要需注意以下兩點：

（1）寬尾墩收縮比ε是體型設計的關鍵。恰到好處的收縮比ε能夠使挑射水舌縱向拉伸充分、形態穩定且摻氣效果良好，是保證泄洪表孔流態控制的關鍵；經模型試驗驗證，大華橋水電站泄洪表孔寬尾墩收縮比ε=0.45選取較優。

（2）戽式消力體型設計合理則能改善消力池后水面涌動，從而減輕對下游河道和岸坡的沖刷。大華橋水電站泄洪表孔優化方案戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2時尾坎后下游水面涌動明顯減弱，流態更趨于穩定。

參考文獻：

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