丁浩鐸

摘 要：本文講述了“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工在瀾滄江大華橋水電站泄洪表孔設(shè)計中的應(yīng)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(shè)計為Y型。經(jīng)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(tài)穩(wěn)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(tài)更趨于穩(wěn)定。體型優(yōu)化后，大華橋水電站泄洪表孔布置能夠滿足樞紐泄洪運(yùn)行需要。

關(guān)鍵詞：大華橋水電站 寬尾墩 臺階壩面 戽式消力池 計優(yōu)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(xiāng)境內(nèi)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(jī)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(lián)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(shè)計及優(yōu)化

2.1泄洪表孔初步設(shè)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(shè)計工作，其中：

（1）擋水、泄水建筑物正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期（即設(shè)計洪水）采用500年一遇，相應(yīng)洪峰流量為11600m3/s；非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期（即校核洪水）采用2000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為13700m3/s；消能防沖設(shè)施：正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為50年一遇，相應(yīng)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(diǎn)高程為堰頂，末點(diǎn)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(shè)計優(yōu)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(xué)水力學(xué)所實施。西安理工大學(xué)水力學(xué)所需根據(jù)初步設(shè)計方案模型試驗結(jié)果對溢洪表孔總體布置及體型修改意見，并提出優(yōu)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(nèi)的水流流態(tài)處于紊流平方區(qū)，故阻力處于自模擬區(qū)，因此模型試驗只需滿足重力相似準(zhǔn)則即可。

②模型制作：模型溢洪道均采用透明有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，糟率滿足模型相似率，且易于觀察流態(tài)；試驗范圍為上游電站進(jìn)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(jìn)行計算；供水、穩(wěn)水、量水系統(tǒng)等滿足模型試驗要求。

2.2.2初步設(shè)計方案試驗結(jié)果

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

①為保證堰面部位流態(tài)的穩(wěn)定以及牛腿結(jié)構(gòu)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(nèi)。

②原方案寬尾墩收縮比較小、水舌較細(xì)，略有下垂，與類似工程相比不甚理想，建議對收縮比調(diào)整為0.45，對寬尾墩的長度，高度進(jìn)行優(yōu)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(jìn)一步降低進(jìn)行試驗研究。

3.優(yōu)化方案體型及試驗成果

3.1優(yōu)化方案體型

針對原設(shè)計方案的不足，經(jīng)多次體型修改，最終優(yōu)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(cè)墩抬高至1464.00m，內(nèi)側(cè)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(yōu)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(cè)墩厚取4.213m，內(nèi)側(cè)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(diào)整至1390.00m，尾坎頂部平面寬度調(diào)整為3m，具體尾坎體型見圖6。

3.2優(yōu)化方案試驗成果

3.2.1泄流能力

泄流能力滿足設(shè)計要求：在2000年一遇（大壩校核）洪水位、500年一遇（大壩設(shè)計）洪水位和200年一遇（廠房設(shè)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(shè)計泄流量的相對差值分別為-1.28%、0.20%、1.24%。

3.2.2流態(tài)

在進(jìn)行寬尾墩優(yōu)化后，挑射水舌上沿落點(diǎn)更遠(yuǎn)，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(tài)更趨于穩(wěn)定。

3.2.3壁面壓力

堰閘段局部有負(fù)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(fù)壓產(chǎn)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(xiàn)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(diǎn)相應(yīng)位置臨底流速最大值出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在50年一遇洪水時壩下0+080.00m斷面消力池左側(cè)，其值為19.5m/s，表面流速多為負(fù)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(jié)

本文詳細(xì)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(lián)合消能工的體型設(shè)計及優(yōu)化，優(yōu)化方案經(jīng)模型試驗驗證，各項水力參數(shù)均能滿足設(shè)計要求，能夠應(yīng)用于工程實際。在進(jìn)行“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工設(shè)計時，主要需注意以下兩點(diǎn)：

（1）寬尾墩收縮比ε是體型設(shè)計的關(guān)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(tài)穩(wěn)定且摻氣效果良好，是保證泄洪表孔流態(tài)控制的關(guān)鍵；經(jīng)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(yōu)。

（2）戽式消力體型設(shè)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(yōu)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(tài)更趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉金星，楊敏.東莊水利樞紐表孔寬尾墩水力特性研究[J].水資源與水工程學(xué)報，第25卷第6期，2014：187-191.