金沙水電站泄洪消能設計研究

沈曉明 趙鯤鵬 張琛

摘要：金沙水電站具有大流量、低水頭、高淹沒度的特點。為了盡量使泄洪水流與下游平順銜接，減少對樞紐其他建筑物的影響， 便于調度運行管理，工程采用表孔泄洪、底流消能型式。結合導流建筑物的布置，泄洪消能建筑物被縱向圍堰分成兩區布置。表孔閘墩末端設置寬尾墩，可將泄洪水躍推出閘室。設計方案經水工模型試驗驗證，能較好地滿足金沙水電站泄洪消能要求。

關鍵詞：泄洪消能; 表孔; 底流消能; 寬尾墩; 金沙水電站

中圖法分類號：TV653 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.005

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0019 - 04

0 引 言

“低水頭、大流量、大單寬”河床式水電站泄洪消能特點是閘下躍前水流的弗式數較低、消力池內水墊較深、水流下泄后下游水位對閘室水流和消力池內水流流態影響較大[1]。為解決此類泄洪消能問題，銀盤水電站泄洪消能布置考慮通航、發電和施工導流等因素的影響，采用了“面流+底流”的消能型式[2]。里底水電站泄洪建筑物下游河床抗沖刷能力較弱，為避免沖刷帶來的不利后果，采用了“底流+寬尾墩”的消能型式[3]。枕頭壩水電站采用直立消力坎的泄洪消能方案[4]。通口水電站采用寬尾墩加跌坎和戽式消力池的泄洪消能方式[5]。金沙水電站泄洪流量大、水頭低，下游淹沒度大，泄洪時水躍基本發生在表孔閘室內部，通過泄洪消能建筑物設計，將水躍推出閘室，有效解決了低水頭、高淹沒度水電站泄洪消能的相應問題。

1 工程概況

金沙水電站位于長江金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，壩址處多年平均流量1 870 m3/s，年徑流量590億m3。工程等別為Ⅱ等，校核洪水標準為1 000 a一遇，相應洪峰流量18 000 m3/s，設計洪水標準為100 a一遇，相應洪峰流量14 200 m3/s，消能防沖設計洪水標準為50 a一遇，相應洪峰流量11 700 m3/s（考慮觀音巖水電站調蓄）[6]。

金沙水電站為上游觀音巖水電站的反調節梯級，水庫無防洪庫容，不承擔下游防洪任務。水庫正常蓄水位1 022.00 m，死水位1 020.00 m，校核洪水位1 025.30 m，總庫容1.08億m3。當入庫洪水標準不超過核洪水時，按入庫流量下泄;當發生超校核標準洪水時，按樞紐泄流能力下泄。

2 泄洪消能建筑物布置

2.1 布置原則

金沙水電站泄洪流量大、水頭低，壩址區河谷寬緩，結合地形地質條件及泄洪消能特點，泄洪消能建筑物布置原則如下：① 宜優先選擇超泄能力強的泄洪表孔，并盡量布置于壩身;② 應使泄洪水流與下游平順銜接，減少對樞紐其他建筑物的影響;③ 便于調度運行管理，確保泄洪建筑物運行安全;④ 泄洪設施的技術難度控制在國內外已有技術水平之內。

2.2 堰頂高程和孔數比較

根據金沙水電站“大流量、低水頭、高淹沒度”的工程特點，參考國內已建成的同等規模工程設計經驗[7-8]，該工程泄洪建筑物采用全表孔泄洪的型式，孔口單寬泄流能力控制在200～300 m3/（s·m）之間，相應溢流前緣凈寬約60～90 m。

擬定998.00 ，999.00 m和1 000.00 m三種堰頂高程，對表孔數量及尺寸進行比較。考慮到弧形閘門的單門靜水壓力不宜太大，表孔選用5孔或6孔。金沙水電站河床及左岸布置河床式電站，右岸布置導流明渠和縱向圍堰，廠房壩段總長約232 m，而壩址正常蓄水位1 022.00 m處河谷寬度僅200 m。為減少兩岸山體開挖，降低邊坡開挖高度及支護難度，節約工程投資，在滿足泄流能力要求的條件下，經綜合比選，選定5孔表孔，堰頂高程999.00 m，孔口尺寸為14.5 m×23.0 m（寬×高），正常運用工況下弧門單側支鉸推力26 504 kN。

2.3 布置方案

綜合考慮泄洪建筑物布置及泄流能力要求，并結合消能區的地質條件，金沙水電站在壩身布置5孔泄洪表孔。結合導流建筑物的布置，表孔分兩區布置，縱向圍堰壩段以左布置3孔，以右導流明渠內布置2孔。

消能型式均采用底流消能，布置下挖式消力池，底板高程988.00 m，消力池長90.0 m，底板厚3.0 m。表孔和消力池結構如圖1和圖2所示。

3 泄洪消能建筑物設計

3.1 表孔體型設計

表孔堰面曲線采用流量系數大、超泄能力強的開敞式WES實用堰面曲線。堰頂高程999.00 m，堰頂最大水頭26.30 m，取定型設計水頭Hd=20 m。表孔上游面直立，堰頭為1/4橢圓曲線，曲線方程為x2/72+（4-y）2/42=1。堰頂下游采用WES冪曲線，曲線方程y=0.039x1.85，下接10.65 m長直線段，末端采用反弧段與下游底流消能消力池底板平順相接，反弧段半徑R=70 m，反弧段末端高程為988.00 m。溢流堰順水流向總長51.23 m。

表孔凈寬14.5 m，跨橫縫布置，中墩厚5.5 m。為減少溢流前緣寬度，取消縱向圍堰兩側表孔的邊墩，將縱向圍堰和兩側表孔邊墩結合，縱向圍堰壩身段閘墩寬18.0 m。閘墩墩頭采用半徑為2.0 m的圓弧形，頂高程1 027.00 m，順水流方向最大長度61.83 m。表孔閘墩末端設置收縮比為0.5的“Y型”寬尾墩，寬尾墩長9.5 m，其豎直段頂高程為996.00 m，最高點高程為999.00 m。

每個表孔均設一道事故檢修門槽和一扇弧形工作門，事故檢修門由壩頂門機啟閉，弧形工作門由設在壩頂上的液壓啟閉機啟閉。

3.2 表孔水力設計

表孔泄流能力按NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設計規范》[9]附錄C公式計算，5個表孔總泄流能力計算成果見表1，樞紐調洪演算成果見表2。由表1可知，表孔泄流能力滿足要求。

3.3 消能防沖水力設計

表孔下游采用底流消能，消力池底板高程988.00 m，池長90.0 m。明渠消力池末端不設置尾坎;為防止下游河道內的推移質回流至消力池內造成磨損，河床消力池末端設置高4.0 m的尾坎，坎頂高程992.00 m。

5孔表孔全開時，等寬矩形斷面消力池水躍消能計算按DL/T 5166-2002《溢洪道設計規范》[10]附錄A.6公式進行計算。對于常遇小流量泄洪局部孔口開啟時，按擴散水躍進行消能計算，參照NB/T 35023-2014《水閘設計規范》[11]附錄B.0.1 公式。

各級流量情況下消力池內底流水躍消能計算成果見表3。計算表明：主要泄洪工況下消力池內均產生淹沒水躍，消力池底高程988.00 m、池長90.0 m是合適的。

3.4 消能防沖結構設計

消力池護坦厚3.0 m，采用C30混凝土，底板一次整塊澆筑施工。消力池底板設置永久性縱、橫伸縮縫，縫面均設置鍵槽，護坦標準分塊尺寸10 m×10 m。為防止泄洪水流進入結構縫導致護坦破壞，在底板的縱橫結構縫內均設置一道紫銅止水。

為保證下泄水流出消力池后出流順暢并提高下游的抗沖刷能力，將河床3孔消力池下游一定范圍開挖至高程988.00 m后與天然河床平順連接。河床消力池尾坎后采用大塊石防沖護底。開挖后，高程988.00 m的大部分區域正長巖出露，抗沖刷能力較強，僅左區靠廠壩導墻側河床覆蓋層較深，清除覆蓋層后回填混凝土至高程988.00 m。

4 水工模型試驗研究

可行性研究階段開展了表孔1∶67.5水工斷面模型試驗[12]和樞紐布置1∶100水工整體模型試驗[13]。斷面模型試驗重點研究了不同消力池底板高程、不同尾坎高度、閘墩末端是否設置寬尾墩等內容，整體模型試驗針對斷面模型推薦的體型方案進行了研究。

4.1 寬尾墩體型研究

由于金沙水電站泄洪水頭較低，下游淹沒度大，泄洪時水躍基本發生在表孔閘室內部，為了將水躍推出閘室，斷面模型試驗研究了在閘墩末端設置寬尾墩。通過對收縮比為0.4，0.5和0.6的寬尾墩體型的對比研究，從泄流能力、流態、下游沖刷等方面綜合比較，推薦收縮比為0.5的“Y型”寬尾墩。閘墩末端設置寬尾墩后，各工況下的水躍躍首基本被推出閘室，未發現水花觸及弧門支座的現象，且水流出消力池后與下游水流銜接平順。同時，在小流量情況下消力池內未發生遠驅水躍。

4.2 泄流能力比較

設計計算和模型試驗泄流能力曲線比較見圖3。在大壩設計庫水位1 022.00 m和校核庫水位1025.30 m時，設計計算表孔相應的流量分別為14 761 m3/s和18 000 m3/s，模型試驗泄量分別為15 548 m3/s和19 255 m3/s，模型流量較設計流量分別大5.3%和6.9%，表孔泄流能力滿足設計要求。

4.3 試驗主要結論

（1） 模型試驗泄流能力較設計計算值稍大，表孔泄流能力滿足要求。

（2） 表孔堰面體型合理，壩面壓力分布正常，無大的壓力梯度。

（3） 閘墩末端寬尾墩收縮比為0.5的方案較為合適。

（4） 消能效果較好，消力池布置及池長取值合理。

5 結 語

（1） 金沙水電站泄洪消能建筑物采用“5表孔”的壩身泄洪、底流消能型式。結合導流建筑物的布置，泄洪消能建筑物被縱向圍堰分成兩區布置，布置方案較為簡潔、合理。

（2） 表孔孔口尺寸14.5 m×23.0 m（寬×高），堰頂高程999.00 m。消力池底板高程988.00 m，池長90.0 m，末端設置高4.0 m的尾坎，設計方案經水工模型試驗驗證，較好地滿足了金沙水電站泄洪消能要求。

（3） 表孔閘墩末端設置寬尾墩，成功將水躍躍首推出閘室，有效解決了低水頭、高淹沒度水電站泄洪消能的相應問題。研究所得成果可為同類工程泄洪消能設計提供參考。

參考文獻：

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[10] DL/T 5166-2002 溢洪道設計規范[S].

[11] NB/T 35023-2014 水閘設計規范[S].

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[13] 長江水利委員會長江科學院.金沙水電站泄洪消能1：100水工整體模型優化試驗研究報告[R]. 武漢：長江水利委員會長江科學院， 2013.

（編輯：李 慧）

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