高水头窄河道多洞联合泄洪模型试验研究

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(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

某水电站是以单一发电为主的大型水库电站,无航运、漂木等综合利用要求。

引水发电建筑物布置于河道左岸，泄水建筑物布置在河道右岸，由泄洪洞、放空洞组成。泄洪洞由1条深孔泄洪洞(1#泄洪洞)和2条开敞式泄洪洞(2#，3#泄洪洞)组成，放空洞不参与泄洪。整体枢纽布置如图1所示。

整体枢纽下泄流量大，上游设计水位相应下泄流量7 650 m3/s，校核水位洪水峰值流量10 400 m3/s。下泄水头高，上下游水位差约210 m，因此，需要多条泄洪洞联合参与泄洪，3条泄洪洞均采用挑流消能。

其中1#泄洪洞出口正对河道狭窄处，轴线与河道轴线的夹角大约为35°，此外，该挑坎出口离电站尾水出口较近且正对左岸山嘴，归槽问题比较突出。2#泄洪洞轴线与河道轴线夹角很小，归槽条件相对较好，但由于该泄洪洞位于1#泄洪洞与3#泄洪洞之间，水舌入水位置比较集中，由此产生的能量集中现象引起的冲刷和雾化问题需要引起重视[1]。3#泄洪洞紧邻放空洞且靠近右岸，相对有一定的水舌调整空间，但由于水垫塘的挑流消能区旋滚剧烈，会在右岸产生较大的回流流速从而会对岸坡的稳定产生威胁。针对上述特点，需要综合考虑多方面因素来设计挑坎。

以上内容涉及到较复杂的水流现象。水工模型试验能复演和预演原型的复杂水流现象，因此本文通过1∶50整体水工模型试验[2-3]，对以上课题开展研究。

2 试验研究技术路线

2.1 泄洪洞挑坎体型设计思路

由于该水电站泄洪洞下泄水流的能量集中问题和水舌的归槽问题比较突出，同时又是多洞联合泄洪，消能防冲设计难度大，对挑流鼻坎的水力性能要求很高。在进行挑坎设计时除了要考虑每个泄水建筑物单独的运行条件以外，更要对联合消能的整体情况进行分析和研究。因此，在泄洪洞出口挑坎优化设计过程中，需要综合多个因素来改善出口挑流的水流流态：

(1) 1#泄洪洞挑坎出口距离左岸凸起处较近，为了解决好归槽问题，需尽量避免水舌在纵向上扩散较大，使水舌前端挑距过长，从而发生直接顶冲岸坡的情况。

(2) 2#泄洪洞挑坎虽然归槽条件较好，但是由于该挑坎位置在中间且受上游地形限制，所以没有很大的调整空间，在设计上主要起到一个衔接作用，且需避免与另外2条泄洪洞的水舌重叠产生能量集中和严重雾化的现象。

(3) 3#泄洪洞挑坎归槽条件较好，且有一定的调整空间，因此应在不影响其它泄洪枢纽结构安全的基础上尽量地将出射水流扩散，缓解入水能量集中的现象，同时也要避免右岸产生过大的回流流速影响岸坡的稳定。

表1 水库特征水位及下泄流量

表2 原方案试验成果

2.2 下游河道流态

下泄水流进入下游河道后的流态比较复杂，为了更清晰地描述试验现象，现将下游河道划分为3个区域，如图2所示：Ⅰ区域为挑射水流和电站尾水共同作用影响的区域；Ⅱ区域为挑流消能区域；Ⅲ区域为下泄水流归槽区域。各分区划线见图2(图中河道内实线为分区边界)。

图2 下游河道分区

经泄洪建筑物下泄的水流在Ⅱ区域内形成强烈旋滚，产生极为强烈的紊动并消耗大量的动能，同时主流周围掺有大量的气泡且入水位置水面在挑射水流的冲击作用下形成凹陷，下游河床砂石不断翻滚。中部主流经消能后逐渐归入下游主河道即进入Ⅲ区域，水流流态逐渐平稳。Ⅰ区域流态情况平稳，尾水受下泄水流影响较小。

2.3 试验工况

试验主要观测不同挑流消能方案对泄洪冲刷的影响，选取具有代表性的工况进行消能防冲试验研究，通过对比分析确定最优方案。根据本工程的实际情况，选取2个具有代表性的工况，即校核工况、设计工况。水库特征水位及下泄流量如表1所示。每个工况在连续放水3 h后测量冲坑地形。

3 试验方案及结果分析

整体水工模型试验的挑坎设计要考虑每条泄洪洞单独运行时的特点，此外，更要着重考虑联合泄洪的运行要求，根据前人经验[4-6]，综合以上的设计思路提出设计方案。

下游河道流速大小及分布对于下游岸坡稳定性来说是非常重要的指标之一，冲坑深度及范围是判定消能防冲效果最重要的指标之一。下面就原设计方案及优化方案在设计及校核洪水时下游流速特征值及冲坑地形数据进行综合比较。

3.1 原设计方案

1#泄洪洞水头高、流量大、能量集中、归槽条件较差，出于对岸坡的保护，不向左岸扩散、不增加纵向挑距，并且考虑到泄洪洞轴线偏右，所以首先采取等宽型挑坎[7]。

2#泄洪洞轴线与河道基本平行，出口挑坎水舌落点位于河道中部，但由于2#泄洪洞空间上处于中间位置，可以尝试纵向上对出射水流进行拉伸。根据相应工程经验[8]，首先使用燕尾型挑坎。

3#泄洪洞归槽条件较好，但在位置上靠近右岸，且右侧有不参与泄洪的放空洞，在设计时要避免产生过大的回流流速同时也要考虑扩散的水流对放空洞的结构安全的影响，首先尝试单边扩散的斜切挑坎[7]。

综上所述，1#泄洪洞采用等宽挑坎，2#泄洪洞采用燕尾型挑坎，3#泄洪洞采用单边扩散斜切挑坎(见图3)。试验数据见表2。

经过试验观测，该方案挑射水流入水后消能较为充分,能量主要集中消刹于水垫塘内,挑射水流主要在Ⅱ区形成了回流，原设计方案中，1#泄洪洞水舌入水产生的部分浪涌冲击岸坡，同时由于回流位置距离I区较近，对电站的出力有一定影响。下泄水流经过回流影响后逐渐归入下游主河道(即进入Ⅲ区)，水流流态逐渐平稳。2#泄洪洞挑坎的镂空位置由于地形原因，出流水舌下部水体冲击本岸，且水流纵向分布较为不均匀导致水冠水体比较厚重，未起到纵向拉伸降低能量集中的作用。3#泄洪洞水舌还有一定的调整空间，进一步对水舌进行扩散。此外，泄洪洞整体回流距离电站尾水出口较近，造成一定不利影响，可以尝试新方案。

3.2 优化设计方案

为防止浪涌冲击对岸，1#泄洪洞挑坎可考虑斜切扭曲型[9]，首先在入水位置上将入水点向右侧偏移，防止浪涌冲击岸坡，同时能够顺应河势；其次为了可以使水舌适当横向扩散，减小入水单宽，避免联合泄洪时的能量集中问题。

2#泄洪洞受地形限制，对于燕尾挑坎的缺口位置及两翼长度限制较大，不能起到很好的优化效果[10]，同时考虑当地的地质条件限制，方案2采用斜切等宽挑坎[11]，在适应上游地形的基础上起到与1#，3#挑坎水舌的衔接与过渡作用，且该体型结构简单，便于施工。

3#泄洪洞可考虑双边的扩散[12-13]，更大程度地分散入水能量，且右侧的扩散水舌可以起到顶冲右岸回流的作用，同时为了避免水流脱壁现象，对3#泄洪洞挑坎采用曲线边墙连接，因此采用双边斜切扩散挑坎。

尺寸单位:m

综上所述，1#泄洪洞采用斜切扭曲挑坎,2#泄洪洞采用等宽挑坎,3#泄洪洞双边扩散斜切挑坎，见图4。试验数据见表3。

尺寸单位:m

表3优化方案试验成果

Table3Testresultsoftheoptimizeddesign

工况冲坑深度/m波浪爬高/m左岸右岸尾水波动/m两岸流速/(m·s-1)回流位置左岸右岸左岸右岸对两岸的冲击校核31.20530.4310.6510.14Ⅱ区中部Ⅱ区中部归槽情况良好设计25.354.752.750.3210.189.55Ⅱ区中部Ⅱ区中部归槽情况良好

与原设计方案相比，在整体枢纽泄流的情况下，优化设计方案的冲坑深度、波浪爬高、两岸流速、尾水波动均比原设计方案要小，且回流距离电站尾水出口较远，对电站出力影响较小。在2种方案下堆丘都沿河槽分布，电站出口位置无堆积石块。此外，原设计方案的水舌有小部分冲击左岸岸坡，不利于岸坡稳定；优化设计方案整体的归槽效果良好。2种设计方案下，在整体水舌的空间位置上均无明显相交，无能量叠加和严重雾化问题产生。因此将优化方案作为最终推荐方案。

4 结 论

对于高水头、大单宽流量、窄河床的泄洪枢纽而言，消能方式一直是需要深入探讨的问题。本次水工模型试验通过对泄水建筑物的消能防冲效果和运行安全性两方面的研究，同时针对该项目特殊的大交角、下游河床抗冲刷能力弱等问题进行了研究。将优化设计方案作为推荐方案，对同类型工程枢纽具有借鉴意义。

(1) 优化设计方案能够较好地解决下泄水流的能量集中问题和归槽问题。同时也减小了对下游堆积体的冲刷侵蚀。

(2) 在联合消能的情况下，对于挑坎的设计除了要考虑每个泄水建筑物单独的运行条件以外，更要对联合消能的整体情况进行分析和研究。

(3) 该水电站是以单一发电为主的大型水库电站，坝址控制流域面积比例大，枢纽流量大，提高水资源利用率对该地区供电能力有很大作用,将会产生良好的社会经济效益。本文研究成果为保证电站安全运行提供了科学依据。

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