野三河水電站泄水建筑物設計及試驗研究

楊仕志，保慶順，馬雪峰，張文宇，羅 杰

(1. 湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070； 2. 武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072)

野三河水電站工程位于恩施州建始縣高坪鎮境內、清江左岸一級支流野三河干流、水布埡庫尾。工程任務是以發電為主，兼庫區旅游等綜合利用。水庫正常蓄水位為664.00 m(黃海高程)，總庫容為1 923.3萬m3，電站總裝機容量為50 MW，年發電量為16 424萬kW·h，最大壩高74 m。工程等別為Ⅲ等中型工程，大壩及壩身泄水建筑物、發電引水系統、電站廠房等主要建筑物級別為3級；次要建筑物級別為4級，臨時建筑物為5級。

大壩防洪標準選用50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核，相應天然洪峰流量分別為1 990 m3/s和3 080 m3/s，經水庫調蓄后的下泄流量分別為1 990 m3/s和3 017 m3/s。電站廠房防洪標準為50年一遇洪水設計、200年一遇洪水校核，洪峰流量分別為2 080 m3/s和2 720 m3/s。

1 泄水建筑物設計

野三河水電站壩址地形呈“V”形峽谷，河道狹窄，地質構造簡單，地層為單斜構造，基巖為三迭系大冶組第4、5段薄層灰巖與頁巖互層、中至厚層狀灰巖。巖層走向為NE向，傾NW，巖層產狀315°～330°∠37°～48°。為傾向上游偏右岸的橫向河谷。整體邊坡穩定性較好。泄水建筑物布置要考慮河道狹窄，泄洪建筑物落點可布置范圍小；但兩岸邊坡為橫向邊坡，穩定性較好；拱壩泄水建筑物存在向心集中的特點[1]。

1.1 初步設計階段

野三河水電站采用壩身泄水方式。在初步設計階段，泄水建筑物為兩個表孔和一個中孔。溢流表孔的堰頂高程650.00 m，每孔凈寬10.0 m；中孔底板高程618.00 m(后抬高到619.00 m)，出口控制斷面尺寸為4 m2×4 m2。經過試驗研究，初步設計階段最終推薦的方案為：兩個表孔和一個中孔泄流，兩表孔采用外挑內跌的差動挑流消能工，中孔采用窄縫式挑流消能工[2]。三孔聯合泄流時，兩表孔的部分挑流水舌與中表孔的挑射水舌呈上下對沖消能。

1.2 施工圖設計階段

在施工圖設計階段，考慮到大壩采用碾壓混凝土施工，需要簡化壩體結構以加快工程施工進度。因此，取消泄水建筑物中結構相對復雜的中孔[3]。修改后的泄水建筑物采用三個表孔泄流。施工圖設計階段最終推薦的方案為：三個表孔泄流，表孔溢流堰頂高程651.00 m，單孔凈寬9.0 m，弧形工作閘門半徑為15.5 m。

綜上，泄水建筑物確定為三表孔泄流。下文對三個表孔的布置方式進行了試驗研究，目的是從平行泄流布置方案與上下對沖布置方案中選出更符合泄流、消能等設計要求的方案。泄水建筑物平面布置如圖1所示。

圖1 泄水建筑物平面布置圖

2 試驗研究

2.1 平行泄流布置方案

在平行泄流布置方案中，三個表孔的挑流坎高程基本上在同一高程。泄水建筑物以中表孔中軸線為對稱中心，平行于拱壩對稱中心軸線，布置在拱壩對稱中軸線左側。左右兩個邊表孔的軸線與中表孔軸線呈5°夾角。三個溢流表孔，堰頂高程651.0 m，每孔凈寬9.0 m。采用挑流方式，反弧半徑均為9.0 m，挑坎高程為636.12 m。在溢流壩面上采用了小挑坎。溢流面水流經過小挑坎時發生分離。部分水流經小挑坎挑起，在大挑坎下游處下落。另一部分水流仍沿溢流面下泄，從大挑坎挑出。小挑坎撕開壩面水流，使水舌落點面積增大，充分摻氣，起到輔助消能的作用[4]。

2.2 上下對沖布置方案

在上下對沖布置方案中，中表孔采用滑雪道形式將挑坎高程降低，兩個邊表孔維持到較高位置。兩邊表孔的壩面落差小，水舌挑射距離近，水舌近似垂直下落；中表孔的壩面落差大，水舌挑射距離遠，水舌近似平射出去。三孔聯合泄水時，兩邊表孔水舌在拱壩向心的作用下，正好落在中表孔的平射水舌，兩者在空中發生碰撞。三股水舌在空中上下碰撞，可以大量地消耗能量，減小其對基巖的沖刷。

為了保證左、右表孔的水舌正好落到水舌上，實現上下水舌在空中碰撞，需要加大三個表孔的軸線夾角。設計將三表孔的軸線夾角從原來的5°增加到8°。從試驗情況來看，這個夾角是合適的。

2.3 泄流能力試驗

在對平行泄流布置方案和上下對沖布置方案進行泄水建筑物體型研究前，首先進行了綜合泄流能力試驗。兩種布置方案在三表孔全開敞泄時的泄流能力試驗成果見表1。

表1 三孔聯合泄流能力表

試驗成果表明，兩種方案的泄流能力均大于設計值，滿足設計和運行要求。從表1中可見，平行泄流布置方案的整體泄流能力較設計值偏大較多。考慮到平行泄流布置方案的溢流堰頂有較大的負壓，上下對沖布置方案的溢流堰定型設計水頭采用了較大值。因此，其整體泄流能力有所下降，但是仍然滿足要求。

2.4 泄水建筑物體型研究

平行泄流布置方案與上下對沖布置方案相比，泄流能力均滿足設計要求，但是后者的消能效果更好，所以泄水建筑物最終選擇上下對沖布置。對上下對沖布置方案體型再次進行了研究和調整，并確定了最終體型。修改后的溢流面曲線(WES曲線)加大了定型設計水頭。

中表孔體型在溢流面曲線以下部分仍然保持不變。其反弧半徑16.0 m，挑角20°，挑坎高程613.5 m。見圖2中表孔中心線剖面圖。

圖2 中表孔中心線剖面圖

左、右表孔的溢流曲線與中表孔相同，挑坎仍采用外挑內跌形式。外側高挑坎的反弧半徑為10.0 m，挑角23°，挑坎高程642.66 m；內側低挑坎反弧半徑為16.0 m，挑角0°，挑坎高程640.09 m。兩表孔中心線與中表孔夾角由5°加大到8°。見圖3右表孔中心線剖面圖。

圖3 右表孔中心線剖面圖

邊表孔水舌下落與中表孔水舌碰撞，交匯點位于中表孔水舌最高點上游，其交匯角較前增大，其碰撞消能的效果更好。上下水舌碰撞濺起的部分水花時而飛落到反弧水流上。試驗成果表明，反弧末端底板脈動壓力沒有明顯增大，校核工況時脈動壓力最大值僅為8 kPa，不超過時均壓力的8%，不會產生不利影響。

2.5 動床沖刷試驗

上文對泄水建筑物體型進行了試驗研究并確定了最終體型。下面以此體型為基礎設計沖刷試驗，從而驗證體型設計的合理性。巖石設計允許抗沖流速約8.0 m/s。試驗以30年一遇洪水為沖刷試驗的主要工況。兼顧50年一遇、500年一遇洪水，以及實際工程中可能出現的組合運行工況。試驗結果詳見表2。

表2 上下對沖布置推薦方案沖刷試驗結果 m

上下對沖布置方案的沖刷試驗充分表明對沖消能的優點。30年一遇和50年一遇的沖坑深度與現有的平行泄流布置方案試驗結果相比明顯減小。試驗還表明，雖然三孔泄流量大，空中對沖消能的沖刷坑深度小于兩表孔的沖刷深度。

試驗進行了單中孔、單邊孔和雙邊孔等多種運行組合，組合試驗的上游水位為汛限水位662.00 m。單中表孔水舌挑距遠，水平流速分量大，沖坑淺；單邊孔落點位置雖然距離壩腳較近，但流量小，沖刷坑深度較淺。所以，各孔單獨運行不存在問題。邊表孔與中表孔兩孔組合泄流時，由于下泄水流不對稱，沖坑最深點偏于開啟孔的對岸一側，對邊坡安全不利[5]。在實際運行時，應該盡可能避免開啟“中表孔+邊表孔”這種組合工況。

3 結 語

野三河水電站拱壩位于典型的山區狹窄河谷，對于這種中小型工程，在滿足安全下泄洪水的前提下，因地制宜的簡化泄水建筑物的布置和體型，降低工程造價，是泄水建筑物設計的出發點和初衷。野三河水電站泄水建筑溢流前緣采用大差動布置，利用拱壩的向心作用，挑坎高程較高的兩邊表孔水舌正好落在挑坎高程較低的中孔平射水舌上，兩者在空中碰撞，大量地消剎能量的同時，盡量將泄洪水流拋向遠方，使沖坑遠離壩腳，是解決狹窄河谷泄水消能的有效途徑之一，本文的試驗結果也驗證了設計的合理性，可供類似工程參考。

目前工程已安全運行10余年，表孔經歷多次泄洪考驗，表孔原型泄流和模型泄流對比，相似性很好。詳見圖4。

圖4 三表孔原型泄流與模型泄流對比圖