大岗山水电站泄洪洞建设及运行全过程水力学问题分析

李桂林，郭金婷，罗永钦，吴 楠

［1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川省成都市 610041；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650033；3.国电金沙江旭龙（奔子栏）水电开发有限公司，四川省成都市 610041］

0 引言

高拱坝两侧设置岸边泄洪洞是水电工程常见枢纽布置方式，国内已建或在建的二滩、小湾、溪洛渡、锦屏一级、白鹤滩、乌东德等工程均采用此种方式，高拱坝水头高，泄洪消能问题突出[1]，坝身泄洪、泄洪洞泄洪是主要泄洪方式，因坝身泄洪易带来近坝区流激振动、泄洪雾化等问题，泄洪洞常作为优先选择运行的泄水建筑物，其泄洪安全备受关注。高水头岸边泄洪洞的主要水力学问题表现在进口漩涡、空化空蚀、掺气减蚀、出口消能、通风补气等方面[2]，研究的全过程通常是：前期设计及科研人员基于水力设计、水工模型试验[3-4]、三维数值模拟[5]等手段对泄洪洞体型进行详细深入研究；后期工程完建后经过长期泄洪考验、系统原型观测进一步验证及反馈前期研究成果，形成完整封闭的泄洪洞建设及运行经验。然而实际情况是，高坝工程的调节库容通常较大，泄水建筑物泄洪频率较低，接受长期泄洪考验的概率相对也低；另外，系统的组织并获得原型运行的水力学数据难度大，因此岸边泄洪洞水力学问题研究常不是全过程的，难以提供工程建设运行的完整技术支撑。

大岗山水电站拱坝最大坝高为210m，电站正常蓄水位1130m，总库容7.42亿m3，调节库容为1.17亿m3，工程泄水建筑物由坝身4个深孔和右岸1条开敞式进口无压高水头泄洪洞组成。该工程是典型的高坝工程，位于高山峡谷区域，电站调节库容小，汛期泄洪非常频繁，泄洪洞是主要的泄水建筑物[6]。泄洪洞前期水力学问题的研究已十分深入，后期运行频次高，亦进行了较为系统的水力学原型观测，具备全过程水力学问题分析条件。

1 水力设计

经过枢纽布置多方案比选，岸边泄洪洞布置在右岸，采用开敞式纵坡为i=0.1039且一坡到底的形式，总长度1077.50m，开敞式设计的好处是保证了进口补气的顺畅。断面形式为圆拱直墙型，断面尺寸为由16.00m×20.00m（宽×高）渐变成14.00m×18.00m（宽×高）；进口底高程为1098.32m，出口底高程为990.00m，全断面钢筋混凝土衬砌。经水力设计后的泄洪洞最大泄量为3352m3/s，最大流速为41.95m/s，为解决高速水流引起的空化空蚀问题，设计了六道掺气设施，每级间距约150m，掺气坎的设置间距符合规范要求，出口采用挑流消能。掺气坎、出口消能工具体形选择与优化、下游河道消能防冲是下一步研究重点。

2 水工模型试验

在前期水力设计的基础上，建造了水工单体模型，比例尺为1:40，上游模拟对进口流态有影响的构筑物，下游河道模拟长度600m。在模型试验优化过程中，主要技术难点是：1号掺气坎区域具有低Fr数水力特点，不易形成稳定的掺气空腔；出口下游河道狭窄，其消能防冲效果对挑流鼻坎体形较为敏感。通过开展多种方案对比的模型试验，解决了上述的难点技术问题（见图1），确定了泄洪洞流道的推荐体形（见图 2）。

推荐方案模型试验泄洪洞在校核洪水位1132.35m运行时，流量试验值为3460m3/s，比设计值略大。泄洪洞进口边墙处的分离区域较小，水面形态总体平顺。六级掺气坎采用“U 形挑坎+局部陡坡掺气坎”体形，解决了1号及其他掺气坎的掺气问题，各级流量下均能形成稳定空腔且基本没有回溯水流产生，各级掺气坎前的掺气浓度大于1.22%，通风井内的最大风速约56m/s，各实测参数均满足规范要求。出口采用了斜鼻坎，坎上水深均匀，各级流量下均能正常起挑，下游河道消能防冲效果总体较好[7]。

图2 大岗山泄洪洞剖面图Figure. 2 Dagangshan flood discharge tunnel section

3 水力学原型观测

高流速泄洪洞水力设计对水流脉动的考虑有局限性，水工模型试验亦有模型相似率的问题。为进一步检验设计成果，了解泄洪洞运行的真实工作状态，2016年汛期（运行初期）对泄洪洞进行了水力学原型观测（见表1），观测水位为1120.75～1128.66m，观测参数包括了流态、动水压力、底流速、掺气浓度、空穴监听。

表1 水力学原型观测工况Table 1 Hydraulic prototype observation conditions

3.1 流态

原型泄洪洞闸门全开时，因进口左右两侧收缩影响，出现一定程度的绕流现象，原型模型流态十分相似（见图3和图4）；原型闸门局开时进口检修门槽处有不同程度的立轴旋涡，属正常水力学现象，对工程运行无不利影响。

图3 1120. 0m水位闸门全开进口流态（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纵向充分起挑，水体呈“乳白色”，横向充分拉伸，形成马蹄形的水流形态，出口挑射水流落水点基本位于下游河道的中心，水舌外缘落水点附近的水流涌浪冲向左岸，局部范围内水流沿岸坡有一定爬升，落水点上游水面总体较为平顺；水工模型试验水舌形态、下游河道流态与原型十分相似（见图5和图6）。

图4 1120.7m水位闸门全开进口流态（原型）Figure 4 Gate fully open inlet flow state in 1120.7m（actual）

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

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

3.2 掺气浓度、空化噪声

原型1号掺气坎前边墙上水流表面自掺气作用明显，水流掺气浓度达9.2%～23.5%，泄洪洞出口挑坎起点处（桩号1+077.50m）底部测点水流掺气浓度实测值为5.0%～6.6%。根据1:40泄洪洞单体水工模型试验成果，1123m水位闸门全开泄洪时，桩号1+060.00m泄洪洞底部水流掺气浓度为3.7%，原型观测各工况水流掺气浓度均略大于模型试验值，掺气效果较好。泄洪洞内的空化噪声测点也未监测到明显的空化噪声，表明掺气坎的底部掺气能有效保护坎后泄槽底板免遭空蚀破坏。

3.3 流速、脉动压力

原型观测时，1120.75m、1125.98m、1128.66m水位闸门全开、1122.70m水位闸门开度大于6m泄洪，泄洪洞出口反弧段及挑坎处（距底板3cm）水流流速实测值为22.00～25.73m/s。模型试验时，各级水位闸门全开时，洞内流速沿程增大。校核洪水位1132.35m下，泄洪洞出口流速为35.8m/s。正常蓄水位1130.00m下，泄洪洞出口流速为27.35m/s。原型观测泄洪洞出口流速略小于模型试验，这可能与原型断面流速分布不均、底部流速偏低有关。但考虑到观测工况泄洪洞进口水位略有差异，模型试验结果与原型观测成果基本吻合。

原型观测泄洪洞桩号1+077.50m处底板上时均压力约为（4.80～5.68）×9.81kPa，根据模型试验成果，水位1120m、1123m闸门全开泄洪工况下，泄洪洞桩号1+070.00m附近底板上时均压力为（2.70～3.69）×9.81kPa，原型值比模型试验值大（1.99～2.10）×9.81kPa。原型观测脉动压力最大值出现在1128.660m水位闸门全开泄洪时，为2.41×9.81kPa。泄洪洞出口底板上动水压力值总体不大，原型观测成果与模型试验吻合较好。

3.4 闸门起挑开度

原型观测库水位为1122.70m、闸门开度小于4.2m泄洪时，出口挑流鼻坎内水体未完全起挑，水流落砸本岸，泄洪洞闸门局开时，闸门开度应大于4.2m运行。电厂在实际运行中可重点关注在汛期排沙运行控制水位时，闸门不同开度局开时闸门振动情况及进口不利流态的影响，以总结运行经验并指导实际运行。

原型观测成果总体表明，进口水流平顺，洞内无明显不利水力现象，实测水力参数无异常现象，出口挑流鼻坎的水流扩散充分，下游消能效果较好。从泄洪洞前期水力设计、模型试验成果与原型实测值对比来看，三者之间总体吻合较好，但原型底部掺气量更大。

4 泄洪洞实际运行情况

泄洪洞的水力设计、水工模型试验、水力学原型观测均一致论证了泄洪洞建设、运行初期的泄洪安全性，但泄水建筑物的泄洪安全需经过长时间实际泄洪的考验，因此获得泄洪洞近年来实际运行过程与状态十分重要。大岗山水电站于2015年 9月首台机组投产发电，2015年底四台机组全部投产，截至目前，电站已安全度过两个完整汛期，根据电厂实际运行记录，泄洪洞的运行时间基本从每年 5 月初持续至 10 月底，运行时间较长。

2016、2017年度泄洪洞运行开度统计数据表明（见表2和表3），两年时间累积操作泄洪洞闸门近5000次，闸门在开度5～10m范围内频繁开启，全开次数较少，存在局开泄放较小流量长期运行的情况。建设单位在2016年汛后和2017年汛后对泄洪洞进行了检查，两次检查结果表明，经历两个完整汛期运行后，泄洪洞整体运行状态较好，泄洪洞进出口、洞身、底板、边墙等各部位运行正常，未发现大面积冲蚀磨损，仅结构缝有几处冲磨现象；泄洪洞出口岸坡、道路总体运行较好，局部有掏刷现象。

表2 2016年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞开度统计表Table 2 Flood discharge opening statistics table(2016.5.1～10.31)

表3 2017年5 月 1 日～10 月 31 日泄洪洞开度统计表Table 3 Flood discharge opening statistics (2017.5.1～10.31)

5 结论

本文基于大岗山水电站泄洪洞水力设计、水工模型试验、水力学原型观测、后期运行与调查，分析了其建设与运行期全过程的关键水力学问题，得到以下结论：

（1）泄洪洞体形优良合理，各工况进口及全程流态均较好；6级掺气坎体形科学合理，原型掺气效果较模型高，更有利规避流道内发生空蚀破坏。

（2）泄洪洞出口挑流鼻坎体形合理，水力学条件较优，水流扩散充分，下游消能效果达到了预期要求。

（3）水力学原型观测进一步验证了水力设计、水工模型试验成果，水力参数总体吻合较好，观测成果还为后期闸门操作运行、水库调度提供了支撑；实际运行情况及现场调查进一步论证了泄洪洞长时间、高频率泄洪的安全性。

（4）大岗山水电站泄洪洞的建设管理、运行是成功的，其解决高速水力学问题的全过程研究思路、方法可为类似工程建设及运行提供借鉴。