角木塘水電站工程高效聯(lián)合消能工分析研究

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(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽，550002)

1 研究背景

在壩工設(shè)計中，泄洪消能是非常重要的研究課題。它不僅影響整個樞紐工程的布置，還直接影響工程量與投資，并且它的成敗關(guān)系著整個工程的運行安全[1、2]。

在河流中修建水電站，由于壩址地形地質(zhì)條件，泄洪過流寬度常常受到限制，這類泄水建筑物多具有高水頭、大流量、低佛氏數(shù)、深尾水以及下游水位落差變幅大等特點，泄水建筑物的形式和合理布置是一個重要技術(shù)問題，很有必要通過水工模型試驗，分析消能形式的合理性，尋求一種技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理的樞紐布置和泄洪消能設(shè)計方案[3]。

目前我國在消能防沖方面取得的研究成果較多，出現(xiàn)了許多新型的消能方式，其中寬尾墩聯(lián)合消能工，是我國首創(chuàng)的一項泄洪消能新技術(shù)，其特點是將溢流壩閘墩尾部由常規(guī)的平尾改為寬尾，把堰頂原來的二元溢流水舌在墩尾加以收縮，迫使水舌沿壩面縱向擴展而成為堰頂三元收縮射流，這種形態(tài)水流和各種傳統(tǒng)消能流聯(lián)合運用，形成各種寬尾墩聯(lián)合消能工，適用于高中低水頭、大流量、低佛氏數(shù)工程，解決了多個工程的泄洪消能難題。寬尾墩聯(lián)合消能工可充分發(fā)揮各單項泄洪建筑物的消能優(yōu)勢，形成立體的泄洪結(jié)構(gòu)并求得最佳的聯(lián)合效果，明顯提高傳統(tǒng)消能工的消能率，改善下游銜接流態(tài)，顯著減少下游河床沖刷，尤其是和底流或戽流結(jié)合時，其效率更為顯著，可達到圓滿的消能效果，是解決大單寬流量、低佛氏數(shù)泄洪消能難題的一條新的有效途徑。寬尾墩聯(lián)合消能工已成功地應(yīng)用于安康、五強溪、巖灘、隔河巖、索風(fēng)營等許多大型及中小型水利水電工程中，取得了顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。本文結(jié)合角木塘水電站工程的特點，對泄洪消能方案進行了論述[2、4、5、6～8]。

2 工程概況

角木塘水電站工程位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級開發(fā)中的第10級，上銜官莊電站，下接浩口電站。壩址控制流域集水面積為6886km2，壩址校核工況洪峰流量為13600m3/s(P=0.2%)，設(shè)計工況洪峰流量為9610m3/s(P=2%)，消能防沖工況洪峰流量為8790m3/s(P=3.33%)。角木塘水電站工程任務(wù)主要是發(fā)電，裝機容量為2×35MW。水庫校核洪水位387.034m，總庫容3259萬m3，水庫正常蓄水位為383m。

工程主要由擋水建筑物、泄水消能建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房等組成。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程388m，最大壩高55m，壩頂寬為6m，壩軸線長154.8m。溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流凈寬為62.5m，堰頂高程為364.5m。表孔設(shè)5扇弧形工作閘門及1扇平面檢修鋼閘門，大壩下游消力池長75m。發(fā)電引水系統(tǒng)及廠房布置于右岸，發(fā)電引水系統(tǒng)由進水口和壓力引水道組成，進口閘井段長26.84m，單條引水道長38.612m，引水道末端接機組進水管。主、副廠房平行布置，升壓站為戶內(nèi)式，主廠房平面尺寸為67.3m×25.9m，機組中心間距17m，水輪機安裝高程348.657m。

壩址河谷為不對稱“Ⅴ”型谷，左岸地形坡度一般在40°～60°之間，局部達70°～80°；右岸地形坡度一般在35°～55°之間，兩岸均為逆向坡或斜向坡，自然邊坡穩(wěn)定。兩岸緩坡殘坡積的粘土夾碎石層厚0～3.5m；河床沖洪積的砂卵礫石層厚10.0m～18.9m。下伏基巖左壩肩緩坡以上為(S2h)泥巖，左壩肩及河床為(P2q)灰?guī)r，河床、右壩肩中下部為(P2m)灰?guī)r，右壩肩中上部為(P3w+c)灰?guī)r，下部為薄層泥巖、粉砂巖夾薄層灰?guī)r不等厚互層，上部為灰?guī)r。左壩肩水平強風(fēng)化層厚6m～8m，水平弱風(fēng)化層厚9m～14m；右壩肩水平強風(fēng)化層厚22m～25.5m，水平弱風(fēng)化層厚8m～14m；河床巖體強風(fēng)化層厚3m～5m，弱風(fēng)化層厚6m～12m。

3 泄水消能建筑物布置

3.1 泄洪布置方案擬定

本工程為碾壓混凝土重力壩，壩址位置河床較窄，水庫正常蓄水位383m高程對應(yīng)的河床寬約130m。由于洪量大，溢洪道需要較大的泄洪寬度。左岸山勢陡峻，不具備布置岸邊溢洪道的條件；右岸地形雖較緩，但發(fā)電廠房布置于右岸，且壩址右岸下游約280m～525m的范圍內(nèi)有Ⅲ號崩塌體，故右岸也不具備布置岸邊溢洪道的條件。另外，由于本工程上、下游洪水位相差較小，若設(shè)置底孔對減小泄洪壓力的影響甚小，并且因溢流堰頂高程(364.5m)比淤沙高程(366.4m)低1.9m，也不需設(shè)置底孔沖沙。因此，本工程泄洪方案擬定為表孔泄洪。

3.2 消能方式選擇

本工程消能防沖建筑物為3級建筑物，消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。本工程泄洪具有低水頭、大單寬流量和低佛氏數(shù)的特點，泄水建筑物消能方式的選擇須兼顧水力、地形、地質(zhì)及應(yīng)用條件進行綜合分析選定。本工程大壩下游河床覆蓋層較厚，抗沖刷能力較差，并且下游洪水位較高，故消能方式采用挑流消能不合適；面流消能適用于中、低水頭，下游尾水較深，水位變幅不大及河岸穩(wěn)定、抗沖刷能力強的情況。面流流態(tài)復(fù)雜多變，水面波動較大且向下游延伸較遠，對岸坡穩(wěn)定、電站運行均有不利影響。本工程雖然下游尾水較深，但水位變幅大，河床右岸抗沖刷能力差，大壩下游右岸約280m～525m的范圍有Ⅲ號崩塌體，故本工程也不宜采用面流消能；消能戽適用于尾水較深且變幅較小，且下游河床和兩岸抗沖能力較強的情況。消能戽消能高速水流在表面，水面波動較大，其缺點與面流消能工相同，故消能戽也不適合本工程。底流消能具有水躍穩(wěn)定，安全可靠，消能效果好，下游水面波動小，對地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強及水流霧化較小等優(yōu)點，可適應(yīng)高、中、低水頭，只是消力池工程量較大[9]。故消能方式考慮采用底流消能。

4 消能工方案研究

本工程校核工況泄量為13600m3/s，最大單寬流量達217.6m3/s，選擇適宜的消能工方案對本工程的運行安全至關(guān)重要。本工程消能工設(shè)計時綜合考慮投資、下泄水流流態(tài)、消能效果、對電站尾水、下游河床和岸坡的沖刷影響等因素，借助水工模型試驗進行消能工方案[5、10、11]研究，以選擇適合本工程特點的消能工。消能工在水工模型試驗研究過程中，進行了如下多個方案的比較：

(1)跌坎底流消能方案：跌坎+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案(池長75m)；

(2)正坡階控消力池(底部斜邊墻消力池+反坡式尾坎)方案(池長60m)；

(3)消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案(池長60m)；

(4)趾墩+消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案(池長60m)；

(5)消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案(池長75m)；

(6)寬尾墩+消力墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案(池長75m)。

4.1 跌坎底流消能方案

該方案堰頂下游面冪曲線末端采用1∶1的斜坡與下游半徑為15m的圓弧段相銜接，圓弧段末端接345m高程的平臺，與下游消力池間形成跌坎，消力池末端設(shè)置反坡式尾坎。

水工模型試驗成果表明，這種跌坎式底流消能工消能效果不理想，存在一些不足：

(1)消力池底板的效用較低。各工況下主流距離消力池底板較遠，消力池底板至主流底部的這部分空間沒有被充分利用；

(2)消能率在8%～33%之間，在常遇洪水(P=50%)條件下消能率接近30%，消能效果較差；

(3)由于出池后的水流仍具有較大能量，與下游水流銜接時形成了二次水躍，對下游河床和岸坡的沖刷影響較大。

4.2 正坡階控消力池(底部斜邊墻消力池+反坡式尾坎)方案

該方案是在方案(1)實驗成果的基礎(chǔ)上，對消能工的結(jié)構(gòu)型式做了如下調(diào)整：

(1)去掉跌坎平臺，將WES堰下游側(cè)1∶1的斜坡壩面延長至消力池底部；

(2)縮短消力池15m，即消力池池長調(diào)整為60m，消力池尾坎型式不變。

水工模型試驗成果表明，該方案與方案(1)相比，消力池內(nèi)流態(tài)有較明顯改善，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

(1)主流下潛。出閘水流直接下潛至消力池底部附近，消力池臨底流速和池底壓力增大；

(2)池內(nèi)水流摻混加劇。水流摻混加劇對提高消能率有一定貢獻，P=20%、P=50%工況下消能率均不超過30%，消能效果仍不夠理想，在消力池出口附近仍有二次水躍發(fā)生，出池水流流速較大(P=20%工況下達到11.39m3/s)，對下游河床和岸坡的沖刷影響較大。

4.3 消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案

該方案是在方案(2)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本工程特點考慮增加輔助消能工，在距消力池首部18m處設(shè)置7個梯形消力墩，在消力池末端尾坎前設(shè)置7個新型“T”型墩。

水工模型試驗成果表明，在常遇洪水條件下，該方案消能效果較好，主要表現(xiàn)在：

(1)整個消力池流態(tài)良好，水面較為平穩(wěn)，降低了消力池尾坎附近的流速，消力池整體消能率提高至40%左右，同時也消除了二次水躍；

(2)出池水流的流速大小基本控制在6m/s以內(nèi)，下游右岸Ⅲ號堆積體位置的近岸流速基本控制在5m/s以內(nèi)(P=50%時在Ⅲ號崩塌體下游邊線位置出現(xiàn)最大流速5.42m/s)，降低了對河床和岸坡的沖刷影響。但該方案在較大洪水(如P=2%)條件下，因下游水位較高，主流上半部分沒有受到輔助消能工的影響，消能效果仍然不夠理想。

輔助消能工附近的流速隨著泄量的增加而減小，在P=50%工況下，中部消力墩附近最大流速達18.01m/s，易發(fā)生空蝕破壞，且消力墩在常年水位以下深達17m，其檢修較為困難，這是該方案較大的缺點。

4.4 趾墩+消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案

該方案是在方案(3)的基礎(chǔ)上，考慮在消力池入口斜坡段設(shè)置趾墩，以便進一步提高消能率。結(jié)合本工程特點將趾墩布置于閘墩尾部和消力池間的斜坡中部，頂部高程345m，趾墩高為4m，中間三孔每孔布置兩個，兩個邊孔每孔布置一個。

水工模型試驗成果表明，該方案與方案(3)相比，僅在高頻洪水下泄時消能率有所改善。輔助消能工附近的流速隨著泄量的增加而減小，在P=50%工況下，趾墩周邊最大流速達17.82m/s，消力墩周邊最大流速達17.66m/s，消力池末端“T”型墩周邊各工況下流速均較小，低于15m/s。趾墩、中部易發(fā)生空蝕破壞，檢修比較困難，這是該方案較大的缺點。P=50%工況下，尾坎后水流最大流速為10.38m/s，在Ⅲ號堆積體所在河道最大流速5.27m/s，較方案(3)相比略有降低。

4.5 消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案

該方案是在方案(4)的基礎(chǔ)上，將消力池長度延長至75m，撤除趾墩，中墩位置向后移至距消力池首部30m處。

水工模型試驗成果表明：

(1)該方案各工況下輔助消能工附近流速基本保持在15m/s以下，僅在P=3.33%工況下，在中間消力墩兩側(cè)流速達到了16.42m/s；

(2)該方案消能率約為6%～43%，消能效果較好；

(3)溢流表孔和消力池底板的空化程度較輕；

(4)下游河道流速分布較均勻，下游右岸Ⅲ號崩塌體附近流速隨著泄量的增加而增大，在校核工況下出現(xiàn)最大值5.42m/s，其它工況下基本在5m/s以內(nèi)，故各工況下泄水流對下游河床和Ⅲ號崩塌體的影響較小。

4.6 寬尾墩+消力墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池方案

上述方案(5)雖然效果較好，但仍不夠理想。為了進一步研究適合本工程特點的消能工，使消能效果達到理想高效的目的，使表孔、消力池及下游水流流態(tài)更加良好，出池水流流速更小，以盡量減小對下游河床及右岸Ⅲ號崩塌體的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗，寬尾墩底流消力池消能，是解決大單寬流量、低佛氏數(shù)泄洪消能難題的一條新的有效途徑[7]。表孔加寬尾墩，壩下消力池長度可以減短1/3，消力池尾坎處流速分布趨于均勻，對提高消能率、減輕下游沖刷有明顯的效果[6、12]。故在方案(5)的基礎(chǔ)上研究了寬尾墩底流消力池聯(lián)合消能方案。為了不影響表孔泄流能力，僅考慮在局部孔設(shè)置寬尾墩?？紤]在2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，保留消力池內(nèi)的中墩、取消尾坎前的T型墩，方案即為寬尾墩(2#、4#孔)+(消力墩)+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池，中墩位置距消力池首部30m處，消力池長75m。

該方案水工模型試驗成果表明：

(1)該方案雖較無寬尾墩情況泄流能力有所減小，但各工況下泄流能力可滿足設(shè)計要求；

(2)各工況下消力池、尾水渠以及下游河道水流流態(tài)良好，尾坎末端無二次水躍出現(xiàn)，消能作用穩(wěn)定控制在消力池內(nèi)。消力池內(nèi)流速分布良好，尾坎末端出池水流流速基本控制在6.0m/s以內(nèi)，Ⅲ號堆積體附近流速基本控制在5.0m/s以內(nèi)，河床沖坑形態(tài)良好；

(3)在寬尾墩的作用下，加強了各輔助消能工的協(xié)同作用，消力池內(nèi)消能任務(wù)能量主要依靠中墩和寬尾墩完成。尾坎調(diào)整水流出池流速，使水流均勻穩(wěn)定進入下游河床。該方案各工況下消能率均得到了提升，在常遇洪水(P=50%)條件下消能率達到48.9%，消能效果較上述其它方案更為理想；

(4)該方案消力池底板各測點的脈動均方根總體水平較低，基本在均值的5%以內(nèi)，最小值沒有出現(xiàn)負壓。

根據(jù)上述各方案水工模型實驗成果，結(jié)合本工程特點，方案(6)較其它方案優(yōu)，故本工程消能工方案采用方案(6)，即寬尾墩底流消力池新型高效聯(lián)合消能工：寬尾墩(2#、4#孔)+消力墩+反坡式尾坎+底部斜邊墻消力池。

5 泄水消能建筑物布置

根據(jù)選定的消能工方案進行泄水消能建筑物布置，泄水消能建筑物的平面布置見圖1，其縱剖面見圖2。

圖1 泄水消能建筑物平面布置

圖2 泄水消能建筑物縱剖面

溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流壩段長82.5m，溢流凈寬5m×12.5m，堰頂高程364.5m，堰頂位置設(shè)5扇12.5m×19.6m的弧形工作閘門和一扇12.5m×19.75m的共用檢修閘門。溢流堰中部設(shè)置閘墩，閘墩凈距12.5m，閘墩墩長37.08m，邊墩及導(dǎo)墻厚3m，中墩厚3.5m，在第2#、4#孔設(shè)置寬尾墩，壩頂交通橋設(shè)在下游閘墩上。溢流堰采用WES實用堰，其上游堰面曲線采用三圓弧線，下游面采用冪曲線，其末端采用1∶1的斜坡與下游的消力池底板相銜接。

消力池沿水流方向長75m，底板厚2.0m，在345m高程以下消力池斷面為倒梯形，邊墻坡比為1∶1.63，消力池底板高程335m，池底寬43.90m。在消力池末端底部設(shè)置梯形齒墻，齒墻底寬為3.0m，挖深4.0m。在距消力池首部30m位置，布置7個消力墩，間距3.0m。消力墩垂直水流方向?qū)?.0m，高4.0m，上游面鉛直，下游面為1∶1的斜坡，頂部沿水流方向?qū)?.0m，底部沿水流方向?qū)?.0m。消力池末端尾坎坎頂高程347.5m，頂寬2.5m，底寬5.0m，內(nèi)側(cè)坡比1∶0.2。消力池右側(cè)為主廠房水下墻，消力池后段右側(cè)用3m厚的隔墩在355m高程以下與廠房尾水渠隔開。

6 結(jié)語

(1)泄水建筑物消能方式的選擇必須兼顧水力、地形、地質(zhì)及應(yīng)用條件進行綜合分析選定。本工程泄洪具有低水頭、大單寬流量和低佛氏數(shù)的特點，消能方式主要考慮采用底流消能。

(2)本工程兩岸均不具備布置岸邊溢洪道的條件，只能采取表孔(5孔)泄洪，最大單寬流量達217.6m3/s，大壩下游河床覆蓋層較厚，河床及右岸抗沖刷能力差，選擇適宜的消能工型式對工程的運行安全至關(guān)重要。

(3)根據(jù)本工程的特點，消能工型式結(jié)合水工模型試驗進行了多方案比較，最終選定適合本工程特點的寬尾墩底流消力池新型高效聯(lián)合消能工：寬尾墩(2#、4#孔)+消力墩+反坡式尾坎+消力池方案。各工況下消能率高，消力池、尾水渠及下游河道水流流態(tài)良好，下泄水流對下游河道及岸坡的沖刷影響較小，確保了泄洪安全。

(4)本工程采用的高效聯(lián)合消能技術(shù)，可為其它類似工程設(shè)計提供參考，它對完善和創(chuàng)新發(fā)展峽谷區(qū)低水頭、大單寬流量和低佛氏數(shù)工程的消能技術(shù)體系具有十分重要的意義。