大崗山水電站泄洪洞建設(shè)及運行全過程水力學問題分析

李桂林，郭金婷，羅永欽，吳 楠

［1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650033；3.國電金沙江旭龍（奔子欄）水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041］

0 引言

高拱壩兩側(cè)設(shè)置岸邊泄洪洞是水電工程常見樞紐布置方式，國內(nèi)已建或在建的二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級、白鶴灘、烏東德等工程均采用此種方式，高拱壩水頭高，泄洪消能問題突出[1]，壩身泄洪、泄洪洞泄洪是主要泄洪方式，因壩身泄洪易帶來近壩區(qū)流激振動、泄洪霧化等問題，泄洪洞常作為優(yōu)先選擇運行的泄水建筑物，其泄洪安全備受關(guān)注。高水頭岸邊泄洪洞的主要水力學問題表現(xiàn)在進口漩渦、空化空蝕、摻氣減蝕、出口消能、通風補氣等方面[2]，研究的全過程通常是：前期設(shè)計及科研人員基于水力設(shè)計、水工模型試驗[3-4]、三維數(shù)值模擬[5]等手段對泄洪洞體型進行詳細深入研究；后期工程完建后經(jīng)過長期泄洪考驗、系統(tǒng)原型觀測進一步驗證及反饋前期研究成果，形成完整封閉的泄洪洞建設(shè)及運行經(jīng)驗。然而實際情況是，高壩工程的調(diào)節(jié)庫容通常較大，泄水建筑物泄洪頻率較低，接受長期泄洪考驗的概率相對也低；另外，系統(tǒng)的組織并獲得原型運行的水力學數(shù)據(jù)難度大，因此岸邊泄洪洞水力學問題研究常不是全過程的，難以提供工程建設(shè)運行的完整技術(shù)支撐。

大崗山水電站拱壩最大壩高為210m，電站正常蓄水位1130m，總庫容7.42億m3，調(diào)節(jié)庫容為1.17億m3，工程泄水建筑物由壩身4個深孔和右岸1條開敞式進口無壓高水頭泄洪洞組成。該工程是典型的高壩工程，位于高山峽谷區(qū)域，電站調(diào)節(jié)庫容小，汛期泄洪非常頻繁，泄洪洞是主要的泄水建筑物[6]。泄洪洞前期水力學問題的研究已十分深入，后期運行頻次高，亦進行了較為系統(tǒng)的水力學原型觀測，具備全過程水力學問題分析條件。

1 水力設(shè)計

經(jīng)過樞紐布置多方案比選，岸邊泄洪洞布置在右岸，采用開敞式縱坡為i=0.1039且一坡到底的形式，總長度1077.50m，開敞式設(shè)計的好處是保證了進口補氣的順暢。斷面形式為圓拱直墻型，斷面尺寸為由16.00m×20.00m（寬×高）漸變成14.00m×18.00m（寬×高）；進口底高程為1098.32m，出口底高程為990.00m，全斷面鋼筋混凝土襯砌。經(jīng)水力設(shè)計后的泄洪洞最大泄量為3352m3/s，最大流速為41.95m/s，為解決高速水流引起的空化空蝕問題，設(shè)計了六道摻氣設(shè)施，每級間距約150m，摻氣坎的設(shè)置間距符合規(guī)范要求，出口采用挑流消能。摻氣坎、出口消能工具體形選擇與優(yōu)化、下游河道消能防沖是下一步研究重點。

2 水工模型試驗

在前期水力設(shè)計的基礎(chǔ)上，建造了水工單體模型，比例尺為1:40，上游模擬對進口流態(tài)有影響的構(gòu)筑物，下游河道模擬長度600m。在模型試驗優(yōu)化過程中，主要技術(shù)難點是：1號摻氣坎區(qū)域具有低Fr數(shù)水力特點，不易形成穩(wěn)定的摻氣空腔；出口下游河道狹窄，其消能防沖效果對挑流鼻坎體形較為敏感。通過開展多種方案對比的模型試驗，解決了上述的難點技術(shù)問題（見圖1），確定了泄洪洞流道的推薦體形（見圖 2）。

推薦方案模型試驗泄洪洞在校核洪水位1132.35m運行時，流量試驗值為3460m3/s，比設(shè)計值略大。泄洪洞進口邊墻處的分離區(qū)域較小，水面形態(tài)總體平順。六級摻氣坎采用“U 形挑坎+局部陡坡?lián)綒饪病斌w形，解決了1號及其他摻氣坎的摻氣問題，各級流量下均能形成穩(wěn)定空腔且基本沒有回溯水流產(chǎn)生，各級摻氣坎前的摻氣濃度大于1.22%，通風井內(nèi)的最大風速約56m/s，各實測參數(shù)均滿足規(guī)范要求。出口采用了斜鼻坎，坎上水深均勻，各級流量下均能正常起挑，下游河道消能防沖效果總體較好[7]。

圖2 大崗山泄洪洞剖面圖Figure. 2 Dagangshan flood discharge tunnel section

3 水力學原型觀測

高流速泄洪洞水力設(shè)計對水流脈動的考慮有局限性，水工模型試驗亦有模型相似率的問題。為進一步檢驗設(shè)計成果，了解泄洪洞運行的真實工作狀態(tài)，2016年汛期（運行初期）對泄洪洞進行了水力學原型觀測（見表1），觀測水位為1120.75～1128.66m，觀測參數(shù)包括了流態(tài)、動水壓力、底流速、摻氣濃度、空穴監(jiān)聽。

表1 水力學原型觀測工況Table 1 Hydraulic prototype observation conditions

3.1 流態(tài)

原型泄洪洞閘門全開時，因進口左右兩側(cè)收縮影響，出現(xiàn)一定程度的繞流現(xiàn)象，原型模型流態(tài)十分相似（見圖3和圖4）；原型閘門局開時進口檢修門槽處有不同程度的立軸旋渦，屬正常水力學現(xiàn)象，對工程運行無不利影響。

圖3 1120. 0m水位閘門全開進口流態(tài)（模型）Figure.3 Gate fully open inlet flow state in 1120. 0m Water level（model）

原型泄洪洞出口水舌縱向充分起挑，水體呈“乳白色”，橫向充分拉伸，形成馬蹄形的水流形態(tài)，出口挑射水流落水點基本位于下游河道的中心，水舌外緣落水點附近的水流涌浪沖向左岸，局部范圍內(nèi)水流沿岸坡有一定爬升，落水點上游水面總體較為平順；水工模型試驗水舌形態(tài)、下游河道流態(tài)與原型十分相似（見圖5和圖6）。

圖4 1120.7m水位閘門全開進口流態(tài)（原型）Figure 4 Gate fully open inlet flow state in 1120.7m（actual）

圖5 1120.0m水位出口流態(tài)（模型）Figure 5 Export flow state in 1120. 0m Water level （model）

圖6 1120.7m 水位出口流態(tài)（原型）Figure 6 Export f low state in1120. 7m Water level（actual）

3.2 摻氣濃度、空化噪聲

原型1號摻氣坎前邊墻上水流表面自摻氣作用明顯，水流摻氣濃度達9.2%～23.5%，泄洪洞出口挑坎起點處（樁號1+077.50m）底部測點水流摻氣濃度實測值為5.0%～6.6%。根據(jù)1:40泄洪洞單體水工模型試驗成果，1123m水位閘門全開泄洪時，樁號1+060.00m泄洪洞底部水流摻氣濃度為3.7%，原型觀測各工況水流摻氣濃度均略大于模型試驗值，摻氣效果較好。泄洪洞內(nèi)的空化噪聲測點也未監(jiān)測到明顯的空化噪聲，表明摻氣坎的底部摻氣能有效保護坎后泄槽底板免遭空蝕破壞。

3.3 流速、脈動壓力

原型觀測時，1120.75m、1125.98m、1128.66m水位閘門全開、1122.70m水位閘門開度大于6m泄洪，泄洪洞出口反弧段及挑坎處（距底板3cm）水流流速實測值為22.00～25.73m/s。模型試驗時，各級水位閘門全開時，洞內(nèi)流速沿程增大。校核洪水位1132.35m下，泄洪洞出口流速為35.8m/s。正常蓄水位1130.00m下，泄洪洞出口流速為27.35m/s。原型觀測泄洪洞出口流速略小于模型試驗，這可能與原型斷面流速分布不均、底部流速偏低有關(guān)。但考慮到觀測工況泄洪洞進口水位略有差異，模型試驗結(jié)果與原型觀測成果基本吻合。

原型觀測泄洪洞樁號1+077.50m處底板上時均壓力約為（4.80～5.68）×9.81kPa，根據(jù)模型試驗成果，水位1120m、1123m閘門全開泄洪工況下，泄洪洞樁號1+070.00m附近底板上時均壓力為（2.70～3.69）×9.81kPa，原型值比模型試驗值大（1.99～2.10）×9.81kPa。原型觀測脈動壓力最大值出現(xiàn)在1128.660m水位閘門全開泄洪時，為2.41×9.81kPa。泄洪洞出口底板上動水壓力值總體不大，原型觀測成果與模型試驗吻合較好。

3.4 閘門起挑開度

原型觀測庫水位為1122.70m、閘門開度小于4.2m泄洪時，出口挑流鼻坎內(nèi)水體未完全起挑，水流落砸本岸，泄洪洞閘門局開時，閘門開度應(yīng)大于4.2m運行。電廠在實際運行中可重點關(guān)注在汛期排沙運行控制水位時，閘門不同開度局開時閘門振動情況及進口不利流態(tài)的影響，以總結(jié)運行經(jīng)驗并指導(dǎo)實際運行。

原型觀測成果總體表明，進口水流平順，洞內(nèi)無明顯不利水力現(xiàn)象，實測水力參數(shù)無異常現(xiàn)象，出口挑流鼻坎的水流擴散充分，下游消能效果較好。從泄洪洞前期水力設(shè)計、模型試驗成果與原型實測值對比來看，三者之間總體吻合較好，但原型底部摻氣量更大。

4 泄洪洞實際運行情況

泄洪洞的水力設(shè)計、水工模型試驗、水力學原型觀測均一致論證了泄洪洞建設(shè)、運行初期的泄洪安全性，但泄水建筑物的泄洪安全需經(jīng)過長時間實際泄洪的考驗，因此獲得泄洪洞近年來實際運行過程與狀態(tài)十分重要。大崗山水電站于2015年 9月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2015年底四臺機組全部投產(chǎn)，截至目前，電站已安全度過兩個完整汛期，根據(jù)電廠實際運行記錄，泄洪洞的運行時間基本從每年 5 月初持續(xù)至 10 月底，運行時間較長。

2016、2017年度泄洪洞運行開度統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明（見表2和表3），兩年時間累積操作泄洪洞閘門近5000次，閘門在開度5～10m范圍內(nèi)頻繁開啟，全開次數(shù)較少，存在局開泄放較小流量長期運行的情況。建設(shè)單位在2016年汛后和2017年汛后對泄洪洞進行了檢查，兩次檢查結(jié)果表明，經(jīng)歷兩個完整汛期運行后，泄洪洞整體運行狀態(tài)較好，泄洪洞進出口、洞身、底板、邊墻等各部位運行正常，未發(fā)現(xiàn)大面積沖蝕磨損，僅結(jié)構(gòu)縫有幾處沖磨現(xiàn)象；泄洪洞出口岸坡、道路總體運行較好，局部有掏刷現(xiàn)象。

表2 2016年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞開度統(tǒng)計表Table 2 Flood discharge opening statistics table(2016.5.1～10.31)

表3 2017年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞開度統(tǒng)計表Table 3 Flood discharge opening statistics (2017.5.1～10.31)

5 結(jié)論

本文基于大崗山水電站泄洪洞水力設(shè)計、水工模型試驗、水力學原型觀測、后期運行與調(diào)查，分析了其建設(shè)與運行期全過程的關(guān)鍵水力學問題，得到以下結(jié)論：

（1）泄洪洞體形優(yōu)良合理，各工況進口及全程流態(tài)均較好；6級摻氣坎體形科學合理，原型摻氣效果較模型高，更有利規(guī)避流道內(nèi)發(fā)生空蝕破壞。

（2）泄洪洞出口挑流鼻坎體形合理，水力學條件較優(yōu)，水流擴散充分，下游消能效果達到了預(yù)期要求。

（3）水力學原型觀測進一步驗證了水力設(shè)計、水工模型試驗成果，水力參數(shù)總體吻合較好，觀測成果還為后期閘門操作運行、水庫調(diào)度提供了支撐；實際運行情況及現(xiàn)場調(diào)查進一步論證了泄洪洞長時間、高頻率泄洪的安全性。

（4）大崗山水電站泄洪洞的建設(shè)管理、運行是成功的，其解決高速水力學問題的全過程研究思路、方法可為類似工程建設(shè)及運行提供借鑒。