三河口水利樞紐表孔泄洪消能方式研究

馬進(jìn)武，張曉莉，劉少斌

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西西安 710001；2.西北勘測設(shè)計研究院工程實驗檢測分院，陜西西安 710043）

三河口水利樞紐表孔泄洪消能方式研究

馬進(jìn)武1，張曉莉2，劉少斌2

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西西安 710001；2.西北勘測設(shè)計研究院工程實驗檢測分院，陜西西安 710043）

1 工程概況

三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的兩個水源之一，是整個調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。工程地處陜西省漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游峽谷段，樞紐壩址位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)上游約3.8km處，距離西安市約170km。樞紐主要由大壩、壩身泄洪放空系統(tǒng)、壩后泵站、電站和連接洞等組成。

三河口水利樞紐攔河大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高145m。大壩按500年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，相應(yīng)下泄流量為6610m3/s；按2000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核,相應(yīng)下泄流量為7580m3/s。消能防沖建筑物設(shè)計洪水為50年一遇（P=2%），相應(yīng)下泄流量為4410m3/s；校核洪水為 200年一遇（P=0.5%），相應(yīng)下泄流量為6070m3/s。

泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。三孔泄洪表孔（15m×15m）及泄洪底孔均布置在拱壩壩身。泄洪表孔采用淺孔布置形式，泄洪底孔相間布置在3個表孔之間。

泄洪建筑物均采用挑流方式消能，為減輕對壩腳及下游河床的沖刷，下游設(shè)置水墊塘。水墊塘底寬70m，長160m，采用混凝土進(jìn)行底板襯砌。

2 模型比尺及試驗組合

三河口水利樞紐水力學(xué)模型試驗[1]按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型幾何比尺取1∶80。

幾種特征工況的試驗組合見表1。

3 原方案試驗結(jié)果

原方案三孔表孔均采用常規(guī)的挑流鼻坎形式，即出口為等高一字形，只是中孔的鼻坎挑角大于兩邊孔（見圖1）；底孔也是采用等寬一字形挑流鼻坎。

表1 模型試驗組次表Tab.1 Group and quantity of model tests

圖1 泄水孔布置及表孔體型圖Fig.1 Layout of release outlets and profile of surface outlet

試驗放水結(jié)果表明，無論哪種流量工況，底孔水舌幾乎沒有擴散，直接沖入水墊塘內(nèi)；對于表孔，雖然邊孔和中孔鼻坎挑角和高程不同，但水舌落點并未拉開，且三孔水舌存在向心集中問題，水舌落點集中，在水墊塘內(nèi)激起很高的涌浪，流態(tài)很差。水舌落點集中直接導(dǎo)致了水墊塘內(nèi)的水流沖擊壓力很大，校核工況時，水墊塘底板的最大時均壓力54×9.8kPa，對應(yīng)的沖擊壓力達(dá)到30×9.8kPa；設(shè)計工況時，底板最大時均壓力49.5×9.8kPa，對應(yīng)的動水沖擊壓力亦達(dá)到26×9.8kPa，遠(yuǎn)大于國內(nèi)工程上一般所采用的15×9.8kPa的限制值。

另外，從最大壓力出現(xiàn)的部位看，最大沖擊壓力均出現(xiàn)在表孔水舌落水點，而底孔水舌對底板的沖擊并不大。因此，試驗在對底孔出口采用窄縫消能形式改善了其出流流態(tài)后，重點對表孔鼻坎體型進(jìn)行了優(yōu)化，以改善水墊塘底板的壓力分布。

4 表孔鼻坎修改試驗

挑流鼻坎的作用是調(diào)整水流方向，使水舌入水面積盡可能增大，入水能量分散，其體型優(yōu)化一般有三種方式，即橫向擴散、縱向拉開、上下分層。鑒于表孔在以后的工程運行中，會存在單孔泄洪和多孔組合泄洪的方式，所以，試驗擬定表孔優(yōu)化思路為：先按單孔優(yōu)化，使每孔水舌無論是水流流態(tài)、擴散程度，還是對底板的沖擊壓力都最優(yōu)，滿足單孔單獨泄洪的要求；再依據(jù)單孔優(yōu)化的體型，對三孔進(jìn)行組合試驗。由于三孔聯(lián)合泄洪時，各孔下泄水流之間會產(chǎn)生水流疊加或碰撞，有可能會出現(xiàn)一些不利的流態(tài)，所以，必要時，將根據(jù)聯(lián)合試驗的結(jié)果，再對各單孔鼻坎體型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使鼻坎體型不僅能滿足單孔運行的要求，而且在三孔表孔聯(lián)合泄洪時，使各孔水舌盡量上下分層、前后拉開、減少重疊、避免碰撞產(chǎn)生水翅，以達(dá)到流態(tài)穩(wěn)定、水墊塘底板壓力分布均勻的目的。

三河口表孔泄洪單寬流量較大，最大單寬流量133.8m3/（s·m），若單純采用橫向擴散或縱向拉開的辦法，難以充分地利用有限的水墊塘進(jìn)行消能。因此，試驗參考同類工程經(jīng)驗[2-3]，擬采用在表孔出口設(shè)置差動齒坎的形式，使每孔水舌都能做到上下分層、前后拉開，又有橫向的擴散，盡可能地增大入水面積，使水墊塘得到充分的利用，增加其消能率，同時改善塘內(nèi)水流流態(tài)，減小底板受到的沖擊壓力。

4.1 修改方案一

4.1.1 右孔體型修改

1）修改一

為了分散水流，試驗首先在右孔的內(nèi)側(cè)（左側(cè)）設(shè)置寬度為7.5m，挑角為20°，反弧半徑為15m的差動挑流齒坎，齒坎為等寬挑坎，坎槽寬度比為1∶1。為了使挑坎與齒槽之間有合適的高差，同時又不致使齒坎過高，試驗將齒槽的反弧半徑由18m增大至25m，挑角由5°減小為-10°。修改后，齒槽末端比原方案降低2.89m，與齒坎末端高度差為5.85m。

修改后，右孔水舌被齒坎和齒槽分成上下兩層，通過齒坎的上層水舌挑距較遠(yuǎn)，通過齒槽的下層水舌挑距較近，兩層水舌挑距差15～20m。上下兩層水舌之間由一股縱向水流相連，整個水舌落水區(qū)呈“Z”形。水舌在空中摻氣并擴散，入水面積和原方案相比有較大增加，水墊塘內(nèi)水流流態(tài)有所改善。但是，兩層水舌前后拉開的距離仍顯較短。

為了增大水舌前后拉開的距離，試驗又將右孔齒坎挑角增大至30°，為了不使坎槽之間的高差過大，又將齒坎反弧半徑減至12m，結(jié)果兩層水舌之間的拉開距離也沒有明顯變化。試驗又比較了幾種不同反弧半徑和挑角的齒坎體型，結(jié)果表明，如果保持齒坎反弧半徑不變，只增加其挑角，則坎高相應(yīng)增加，泄流時水頭差減小，因此水流挑距并不會增大；如果挑角增加，同時反弧半徑減小，則半徑與水深的比值相應(yīng)減小，坎上水流實際出射角小于齒坎挑角，同樣不能達(dá)到增大齒坎水舌挑距的目的。因此，要想增大水舌拉開的程度，還需要對齒槽的挑角進(jìn)行調(diào)整。

2）修改二

試驗在修改一的基礎(chǔ)上保持齒坎體型不變，將齒槽挑角由-10°降至-30°。修改后，右孔水舌仍為兩層，上層水舌隨齒坎挑起，挑距較遠(yuǎn)；下層水舌沿齒槽跌落，落距較近，兩層水舌落水點間距比修改一明顯增大。上層水舌擴散較好，水深較薄，下層水舌相對集中，水深較厚。

然而，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在閘門局開泄流時，開度越小，齒坎上水深越薄，水舌擴散寬度也越大，上層水舌右側(cè)邊緣會直接砸在水墊塘右側(cè)邊坡上，偶爾會濺出塘外。試驗又分別將齒坎寬度減至6.0m和將齒坎內(nèi)側(cè)角修成圓角，結(jié)果表明，局開泄洪時，仍會在某一開度范圍內(nèi)出現(xiàn)水流濺出水墊塘的現(xiàn)象?？梢?，在內(nèi)側(cè)設(shè)置齒坎不能滿足右孔局開運行的要求。

3）修改三

試驗又將齒坎設(shè)置在右孔的外側(cè)（即右側(cè)），齒坎及齒槽挑角及反弧半徑均與修改二相同，坎槽寬度比仍為1∶1，見圖2。修改后，水舌形態(tài)與體型二正好相反，落水范圍呈反寫的“Z”形，水舌橫向擴散及縱向拉開程度均較好。閘門局開運行時，各種開度下均無水流沖砸水墊塘邊坡及濺出塘外的現(xiàn)象。

根據(jù)以上修改結(jié)果，確定修改三為右孔初選體型。

4.1.2 左孔體型修改

圖2 右孔修改一體型圖Fig.2 Profile of the modified right surface outlet

由于三個表孔沿拱壩中心線對稱布置，因此試驗初步擬定左孔鼻坎體型采用與右孔對稱布置，左右孔的泄槽及齒坎形狀及尺寸相同，只是左孔齒坎布置在泄槽的左側(cè)。

4.1.3 中孔體型修改

1）修改一

為了使中孔下泄水流在空間分層，試驗在泄槽中部加設(shè)一寬為7.5m的齒坎，齒坎挑角30°，齒坎反弧半徑15m，坎槽末端高差為3.66m，坎槽寬度比為1∶1。

試驗發(fā)現(xiàn)，修改后的中孔在閘門小開度局開運行時效果較好，泄槽內(nèi)水深較小，水流經(jīng)過齒坎時分成兩層，且兩層水舌挑距不同，前后拉開。但是當(dāng)閘門開度較大或全開運行時，泄槽內(nèi)水深增大，水舌挑距減小，兩層水舌互相摻混，落距相近，沒有明顯拉開。

2）修改二

分析認(rèn)為，修改一水舌沒有拉開的主要原因是當(dāng)閘門開度較大或全開運行時泄槽內(nèi)水深較大，而齒坎與齒槽間高度差太小。因此，試驗將底槽由10°挑角改成30°俯角，以25m的反弧半徑與1∶1直線段相接；齒坎反弧半徑減至12m，挑角為30°；修改后坎槽高差為6.928m（見圖3）。

試驗結(jié)果表明，隨著坎槽間高差的增大，無論是閘門全開還是局開泄洪，水舌入水形狀均呈底部開口的“O”形，前后明顯拉開，且橫向擴散較好。單孔泄流時，整個水舌在空間呈現(xiàn)出光滑、透明、超薄的特點，水舌落點分布面大，流態(tài)很好。

所以將修改二確定的體型作為中孔鼻坎初選體型。

圖3 中孔修改一體型圖Fig.3 Profile of the modified middle surface outlet

4.1.4 修改方案一試驗結(jié)果

對上述各孔初步選定的體型進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，表孔單孔開啟泄洪時，各孔水舌橫向擴散及縱向拉開均較好，水舌入水面積大，能量也得到了盡可能的分散，水墊塘內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)。無論哪孔開啟泄洪，水墊塘內(nèi)的最大沖擊壓力在10×9.8～12×9.8kPa之間，均小于15×9.8kPa的限值。

然而，當(dāng)左孔與右孔同時開啟泄洪時，由于兩孔消能工形式及體型相同，且對稱布置，其下泄水流在入水處交匯，且均集中于水墊塘中線部位，導(dǎo)致水墊塘中線上沖擊壓力過大。

當(dāng)三孔全開泄洪時，相鄰孔的水舌偶爾發(fā)生互相碰撞交匯，碰撞處產(chǎn)生的水翅，形成濺水；水舌交匯處，水流疊加下泄，落水集中，導(dǎo)致了水墊塘內(nèi)水流沖擊壓力還是偏大，設(shè)計工況時水墊塘底板的最大沖擊壓力為24.25×9.8kPa。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，試驗對表孔各孔體型再次進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 修改方案二

4.2.1 右孔體型修改

參考修改方案一的試驗結(jié)果，為了避免水舌與中孔水舌碰撞交匯，試驗將右孔齒槽底板的俯角進(jìn)一步增大，由30°增大至40°，使其出流的挑距更近；同時齒坎反弧半徑改為18m，挑角降至10°，調(diào)整后體型見圖4。

圖4 右孔推薦方案體型圖Fig.4 Profile of the right surface outlet recommended

4.2.2 左孔體型修改

左孔齒坎由修改方案一的左側(cè)移到右側(cè)，不再與右孔對稱，以避免與右孔水舌交匯后水墊塘中線上沖擊壓力過大；齒槽體型不變，與修改方案一相同；齒坎反弧半徑由12m增加到20m，齒坎挑角由20°減小至0°，避免其水舌與中孔水舌碰撞而產(chǎn)生濺水，調(diào)整后體型見圖5。

4.2.3 中孔體型修改

在修改方案一，中孔采用中部設(shè)置齒坎形式，水舌擴散非常充分，整個水舌空間占據(jù)面積很大，結(jié)果在聯(lián)合泄洪時，其與兩邊孔的水流碰撞后產(chǎn)生水翅，濺水明顯。在對齒坎體型進(jìn)行多次修改后，這種現(xiàn)象依然沒能消除。

試驗又對中孔采用舌型擴散鼻坎進(jìn)行了研究，經(jīng)過多次優(yōu)化，當(dāng)挑坎反弧半徑為20m，起挑角度為34.8°時，水舌形態(tài)及落水?dāng)U散情況較好。泄流水舌沿水墊塘橫向散開，縱向挑距相差不大，落水范圍呈“一”字形。由于水舌僅有橫向擴散而沒有縱向拉開，因此水舌厚度與修改方案一的齒坎方案相比有所偏大。但由于落水幾乎占據(jù)了水墊塘的水面寬度，在水墊塘內(nèi)沒有形成明顯的水流集中現(xiàn)象，所以不會造成沖擊壓力大的結(jié)果；同時，經(jīng)觀察，這種體型在與其它孔同時泄洪時，不會發(fā)生水舌碰撞而產(chǎn)生水翅的現(xiàn)象，所以作為中孔的推薦方案（見圖6）。

圖5 左孔推薦方案體型圖Fig.5 Profile of the left surface outlet recommended

圖6 中孔推薦方案體型圖Fig.6 Profile of the middle surface outlet recommended

4.2.4 修改方案二試驗結(jié)果

按照以上方式對表孔進(jìn)行修改以后的試驗結(jié)果表明，無論是各孔單獨開啟泄洪，還是多孔聯(lián)合泄洪，表孔的下泄水流流態(tài)較好，也沒有產(chǎn)生因碰撞而引起的水翅和濺水現(xiàn)象；水舌沿水墊塘橫向和縱向拉開，水流落水點分散；水墊塘內(nèi)水面平穩(wěn)，沒有大的涌浪發(fā)生，流態(tài)較好。

水墊塘內(nèi)的水流流態(tài)及壓力分布也有較大程度的改善。設(shè)計洪水時水墊塘的水流流態(tài)見圖7，可見中孔水舌最高，挑距也最遠(yuǎn)，橫向擴散寬度幾乎與水墊塘底寬相同；左右孔水舌挑距稍近，位于中孔水舌之下，擴散寬度各占水墊塘的一半左右。各股水舌落水位置互相錯開，挑距均不相同。水墊塘內(nèi)水流摻混劇烈，但水面波動不大。

圖7 推薦方案水流流態(tài)Fig.7 Flow pattern of the recommended scheme

圖8是設(shè)計工況時水墊塘底板的壓力分布，可見除了水舌沖擊點局部壓力較大外，塘內(nèi)其余部位壓力相差不大，分布比較均勻。設(shè)計工況時水墊塘底板最大時均壓力28.4×9.8kPa，對應(yīng)的沖擊壓力為7.0×9.8kPa；校核工況時水墊塘底板最大時均壓力30.8×9.8kPa，對應(yīng)的沖擊壓力為8.7×9.8kPa。各種運行工況下，水墊塘底板最大沖擊壓力均小于10.5×9.8kPa，滿足不大于15×9.8kPa的要求。

圖8 水墊塘底板壓力分布Fig.8 Pressure distribution of the plunge pool

長科院的岳鵬博等曾通過減壓模型試驗，對構(gòu)皮灘水電站表孔分流齒坎的空化問題進(jìn)行過研究[5]，結(jié)果表明，采用一定半徑的反弧連接壩面和齒坎后，可以平順?biāo)?，使分流齒坎區(qū)的空化強度明顯減弱，且未超過空化初生階段。三河口表孔修改方案二兩邊孔差動齒坎前水流流速15～18m/s，與構(gòu)皮灘表孔相當(dāng)，齒坎高度也與構(gòu)皮灘表孔接近，因此不易發(fā)生空化空蝕破壞。

5 結(jié)語

三河口水利樞紐的主要泄水建筑物三孔泄洪表孔的單寬流量較大，原方案時，表孔下泄水流沒有充分?jǐn)U散，泄流集中，導(dǎo)致水墊塘內(nèi)的沖擊壓力較大，對水墊塘的安全運行不利。經(jīng)過試驗研究，最后選定的表孔消能工形式能最大限度的使水流分散，落水點均勻，不僅能滿足單孔運行時的水力學(xué)要求，而且在多孔聯(lián)合泄流時，沒有出現(xiàn)水流疊加導(dǎo)致局部集中的現(xiàn)象及各水舌互相碰撞產(chǎn)生水翅的現(xiàn)象，水墊塘內(nèi)的水面平穩(wěn)，壓力分布均勻，試驗成果可供同類工程參考。

[1]劉少斌.引漢濟渭工程三河口水利樞紐整體水工模型試驗報告[R].西安：中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院工程實驗檢測分院，2012.

[2]徐勤勤，劉彩云，韓繼斌.江口水電站大壩泄洪消能試驗研究[J].人民長江，2001，32（3）：40-42.

XU Qin-qin，LIU Cai-yun，HAN Ji-bin.Test and study on energy dissipating for flood release of jiangkou hydropower station[J].Yangtze River，2001，32（3）：40-42（in Chinese）.

[3]程子兵，韓繼斌，黃國兵.構(gòu)皮灘水電站泄洪消能試驗研究[J].人民長江，2006，37（3）：84-86.

CHENG Zi-bing，HAN Ji-bin，HUANG Guo-bing.Test and study on energy dissipating for flood release of Goupitan hydropower station[J].Yangtze River，2006，37（3）：84-86（in Chinese）.

[4]郭航忠.水墊塘底板穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[5]岳鵬博，駱建宇，王業(yè)紅.構(gòu)皮灘水電站泄洪表孔分流齒坎的空化試驗研究[J].長江科學(xué)院院報，2008，25（4）：100-102.

YUE Peng-bo，LUO Jian-yu，WANG Ye-hong.Cavitation experiment on surface spillway division pier of goupitan hydropower station[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（4）：100-102（in Chinese）.

Research on Energy Dissipation Pattern for the Surface Outlets of Sanhekou Hydropower Project

MA Jin-wu1，ZHANG Xiao-li2，LIU Shao-bin2
（1.Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an 710001，Shaanxi，China；2.Engineering Experiment and Detection Institute，CHECC，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

The Sanhekou Hydropower Project is designed as for the RCC arch dam.The main outlet structures are three overflow surface outlets and two bottom outlets,and all outlets adopts the ski-jump dissipation pattern.To mitigate the erosion of the dam toe and the river bed，a plunge pool is set up at the downstream of the dam.In the original design，the flow from the surface outletsistoohighlycentralized，causing bringing larger fluctuating pressure on the plunge pool，which is disadvantageous threatening to the safe operation of the plunge pool.Based on the model tests，in the latest selected dissipation scheme，the flow can be dispersed furthest，and the flow pattern and pressure distribution in the plunge pool is obviously significantly improved.

overall hydraulic model test；arch dam；overflow surfaceoutlets；theplungepool；pressure

三河口水利樞紐為碾壓混凝土拱壩設(shè)計，主要泄水建筑物是三孔泄洪表孔和二孔泄洪底孔，均采用挑流方式消能。為減輕對壩腳及下游河床的沖刷，在壩下游設(shè)置水墊塘。原方案時，表孔的泄流集中，導(dǎo)致水墊塘內(nèi)的沖擊壓力較大，對水墊塘的安全運行不利。經(jīng)過試驗研究，最后選定的方案能最大限度的使水流分散，水墊塘內(nèi)的流態(tài)及壓力分布明顯改善。

水工整體模型試驗；拱壩；溢流表孔；水墊塘；壓力

1674-3814（2012）08-0082-06

T V 135

A

2012-06-12。

馬進(jìn)武（1975—），男，工程師，從事水工建筑物的設(shè)計工作，完成了陜西省信邑溝溢洪道設(shè)計，新疆下坂地水利樞紐工程溢洪道設(shè)計，新疆下坂地電站高邊坡處理設(shè)計等。

（編輯 李沈）