金安桥水电站表孔泄流及底流消能研究

李双宝，马 俊，邓良军

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

金安桥水电站工程为一等大 （1）型工程。枢纽布置从左至右依次为：左岸非溢流坝段、左冲沙底孔坝段、引水发电坝段 （后接坝后式明厂房）、右泄洪冲沙底孔坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段。其中，溢流坝段共设5孔泄流表孔，后接泄槽和消力池。

1 消能方案选择及泄洪建筑物布置

1.1 泄洪消能方案选择

枢纽区左岸边坡受地形和地层岩性、地质构造等多方面因素的影响，曾发生过崩塌，并形成了一些崩塌堆积体。这些崩塌堆积体的组成物质为碎石、块石夹粘质粉、砂土，中等密实，部分较松散，天然状态下均处于稳定状态；但在开挖切角、爆破、泄洪雾化等不利因素影响下，存在坍滑失稳的可能。其中，B20崩塌堆积体规模最大，体积约226万m3，且位于厂房尾水渠及泄洪消能建筑物泄洪雾化影响区。

在可研阶段，曾考虑挑流方案；但由于表孔挑流泄洪量大、运行频繁，所产生的雾化对B20的影响难以定量分析；又根据已建工程的经验，泄洪雾化对B20崩塌堆积体的不利影响是一个巨大的潜在威胁。因此，多方研究最终选定了溢流表孔底流消能的泄洪消能方式[1]。

1.2 泄洪消能建筑物布置

泄洪消能建筑物由左、右底孔及其泄槽，溢流坝段、泄槽、消力池及海漫组成。其中，左、右底孔分别布置在厂房坝段左、右侧，其主要功能为泄洪、冲沙保库、保障电站进水口 “门前清”、降低坝前淤沙高程，在施工后期参与导流、导流洞下闸封堵后向下游河道供水等。

根据调洪及泄流能力初步计算以及地形地质条件，溢流坝段、泄槽及消力池布置于右岸天然台地上。泄洪建筑物共设5孔13 m×20 m开敞式表孔，边墩厚度为4 m，中墩厚度5 m，溢流坝段前沿总宽为93.0 m；孔口设有检修平板门和弧形工作门，分别采用门机和液压启闭机控制，操作平台与坝顶同高程均为1 424 m。闸墩前缘呈尖圆流线形，悬出上游坝面5 m；溢流坝堰顶高程为1 398 m，设计定型水头Hd＝0.858Hmax=19.732 m，堰面为WES曲线，方程为Y=0.039 634X1.85，原点上游为三段圆弧组成。曲线末端接1∶0.75直线段和半径R＝55 m的反弧段；溢流坝后接长约200.0 m的泄槽及长约170.0 m的消力池，消力池后设海漫与原河床平顺连接。

根据河床地形地质条件，消力池后海漫高程Z0确定为1 298.0 m。为避免池后出现远驱式水跃，在此海漫高程下对消力池末端设消能坎和下挖成池方案进行综合比较。由于跌坎方案坎后水流落差较大，需二次消能；故，消力池选定为下挖式。

2 泄洪消能理论分析

2.1 泄洪标准

根据枢纽建筑物等级[1]，泄洪设计标准为500年一遇，校核标准为5 000年一遇，下游消能防冲建筑物设计标准为100年一遇。

泄洪与消能计算时，选取了以下4种典型工况（括号中流量为经水库调洪后的下泄总流量）进行计算：校核洪水 （Q=17 653 m3/s，P=0.02%）；设计洪水（Q=14 700 m3/s，P=0.2%）； 百年洪水（Q=12 400 m3/s， P=1%）； 十年洪水 （Q=8 880m3/s， P=10%）。

2.2 泄流能力计算

根据上述公式及参数，在不同水位下计算得相应泄流量，见表1。

表1 溢流坝表孔泄流库水位～流量关系曲线

2.3 消力池消能计算

2.3.1 消能计算原理

泄洪水流由溢流表孔下泄，经泄槽进入消力池并在池内发生水跃而消能。为保证各级洪水在池内均能发生稍有淹没的水跃，提高消能效率，同时使消力池尽可能经济合理，需要对消力池结构尺寸及体形参数进行理论计算与分析。

先按式（1）[4]判别收缩断面处的水流自然衔接形式以确定是否修建消力池

计算分析表明，在各级洪水时均需修建消力池。

在上述分析基础上，分别对库前水位、池前、池末写能量方程，可得

根据水跃方程，可得

在消能计算时 （见图1）， 由于 s，hc、hT为未知量， 其余均为已知量， 故联立求解式（3）（4）（5）可得该3个未知量。

消力池长度计算经验公式[4]

2.3.2 消能计算参数

首先，确定由溢流坝表孔下泄流经泄槽进入消力池内的各级流量及相应单宽流量q。考虑到校核洪水时 （此时不再发电），右底孔参与泄洪，泄洪量Q=2 699.0 m3/s，进入消力池的流量则为校核洪水流量减去底孔流量。对于设计洪水标准以下洪水，仅考虑表孔泄流量而不计入右底孔泄流量，但需扣除部分电站引用流量才是进入消力池的流量。因泄洪时，电站未必全部机组均发电；故，偏安全地考虑一半的引用流量，即Q=1 210 m3/s，则进入消力池的各级流量如表2所示。

图1 消力池消能计算示意

表2 消力池消能流量计算表

其次，根据下泄总流量，在坝址区水位～流量关系曲线上插值查取下游水位。下游水位与池后海漫高程Z0=1 298.0m之差，即为消能计算时所需的下游水深 ht=Z下-Z0。

综上所述，得各级流量下消能计算参数 （见表3）。

表3 消力池消能参数计算

表4 消能计算成果

2.3.3 消能计算结果及分析

由前所述消能计算原理及计算参数，利用程序进行计算，最终得结果如表4所示。

消能防冲洪水标准为百年一遇洪水，故选定消力池底板高程为1 282.5m，即下挖深度s=15.5 m；而池长则结合地形地质条件并综合考虑各级洪水工况，最后选定为L=170 m，并按此结构尺寸开展模型试验研究。

3 模型试验研究

3.1 泄流能力

昆明理工大学及武汉大学两家科研单位对溢流表孔的泄流能力进行了量测[2]，分析整理后与计算结果进行了比较 （见表5）。

表5 泄流能力计算成果比较

由表5中可以看出，理论计算与两单位实测数据基本吻合，满足设计要求。

图2 金安桥水电站泄洪消能建筑物剖面布置

3.2 模型试验

从模型试验的成果来看，常规平底水跃消力池入口处在设计工况下临底流速高达40.19 m/s，实属国内外罕见。常规钢筋混凝土结构难以承受如此高流速大流量的水流，因此临底流速问题成了制约底流消能方案成立的决定性因素。根据郭子中先生关于混合流消能的理论，以及前苏联萨扬舒申斯克（Sayano-Shushenskaya）水电站工程的实践经验，参考国内在建相似工程的模型试验成果，若通过在收缩断面处设置一定高度、具有一定挑射角的跌坎，使高速水流不直接作用于消力池底板上，可大幅降低临底流速。多方案试验研究表明，将本工程消力池前端底板高程降底6.0 m后，临底流速有大幅度的降低。

在消力池前端底板降低6.0 m的跌坎式底流消能模型试验的所有工况中，有7种工况为溢洪道泄槽消力池单独运行工况。在这7种工况下，整个流道流态基本相似，库区水面平稳，溢流表孔堰前、堰面和泄槽段的流态良好；消力池内均能形成淹没式水跃，随着流量的增大，消力池内水跃跃首的位置逐渐向下游推移；水跃充分发展区的位置基本不变。经过模型试验研究和分析，可以得出如下结论与建议[2]：

（1）枢纽总体布局设计方案基本合理。

（2）泄流建筑物泄洪能力可以满足设计要求。

（3）在宣泄校核及设计洪水时，消力池内水流紊动较为剧烈；但出池水流平稳，在泄百年以下洪水时，出池流速均较小，消能效果较好；池后水力衔接、归槽均较平顺。

（4）动水压力分布正常，符合一般规律。

（5）泄槽段最大流速43.68 m/s，消力池最大临底流速13.95 m/s，对高流速段均应进行抗冲耐磨设计。

经理论分析及试验研究，最终选定的泄洪消能建筑物剖面布置如图2所示。

4 结语

水力学理论计算和模型试验验证的结果表明，金安桥水电站溢流表孔的泄流能力能够满足设计的要求。

在泄洪消能方案的选择中，由于受地形地质条件的制约，溢流表孔选用了底流消能的消能方式。但表孔泄洪水头高达145 m，最大泄洪流量14 954.2 m3/s，泄槽末收缩断面处试验流速高达40.19 m/s（设计工况），传统的平底板底流消能难以解决底板在高速水流作用下的抗冲耐磨及结构问题，因此能否降低临底流速，是制约本工程泄洪消能成功与否的关健。经过近两年的理论分析研究，以及有关科研单位的多个模型试验，通过在收缩断面处设一跌坎的措施，成功降低了临底流速，使得本工程的泄洪消能方案得以顺利实施。

［1］ 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.金安桥水电站可行性研究报告［R］.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2005.

［2］ 昆明理工大学， 武汉大学，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.金安桥水电站整体水工模型试验研究报告［R］.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2005.

［3］ SL253—2000 溢洪道设计规范［S］.

［4］ 武汉水利电力大学.水力学试用教材 （上、下册）［M］.北京：高等教育出版社，1985.