高坝泄洪挑流消能工优化研究与应用

黄国兵，谢世平，段文刚

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

高坝泄洪挑流消能工优化研究与应用

黄国兵，谢世平，段文刚

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

挑流消能工是高坝建设中应用最广的消能形式，不同工程应针对工程自身的特点进行优化研究与选择。选取长江科学院主要研究的3种不同坝型的已建工程泄水建筑物为代表，对隔河岩重力拱坝泄洪水流向心集中问题、水布垭面板堆石坝非对称狭窄河谷消能区冲刷和淤积问题，以及构皮滩双曲拱坝坝身泄洪功率最大的水垫塘消能防冲问题进行了论述。分别提出了“表孔宽尾墩非对称收缩+深孔下弯式窄缝非对称收缩+水垫塘”新型泄洪消能工布置形式、窄缝挑流阶梯式布置形式、表孔差动加分流齿与中孔不同挑角碰撞消能形式等研究成果。经工程原型泄洪考验，表明这些新型挑流消能工型式成功地解决了各工程的泄洪消能难题，也可供今后类似高坝挑流消能工程参考借鉴。

挑流消能；宽尾墩；窄缝挑坎；水垫塘

1 概 述

泄洪消能问题是大型水利水电工程设计和运行中的关键技术问题。挑流消能是国内外高坝工程中应用最广泛的消能形式。随着大型高坝的兴建，消能防冲问题愈发突出，传统意义上的挑流消能形式已很难满足工程设计的需要，必须结合不同工程的特点而有所突破和创新。隔河岩水电站、水布垭水电站和构皮滩水电站是大型水利水电工程，坝型分别为混凝土重力拱坝、混凝土面板堆石坝和混凝土双曲拱坝。这3座大坝的泄水建筑物泄洪消能既有其各自的特殊性，在同类坝型中也有较好的代表性。长江科学院通过数十个水力学模型（整体、断面、局部、减压），结合理论分析、数学计算、原型观测等研究手段，经过几十年研究，比较了不同挑流消能方式（常规挑流、宽尾墩、窄缝、碰撞），揭示了各种典型布置下的泄洪消能水力特性，凝练了具有普适性的水流控导措施，集成创新和优化了挑流消能综合技术，极大地推动了我国水利水电工程科研、设计和建设水平。研究成果具有较大的推广应用前景。本文针对隔河岩重力拱坝泄洪水流向心集中问题、水布垭面板堆石坝非对称狭窄河谷消能区冲刷和淤积问题，以及构皮滩双曲拱坝坝身泄洪功率最大的水垫塘消能防冲问题等技术难题进行论述，提出了解决方案，可供今后类似高坝泄洪挑流消能工程参考借鉴。

2 隔河岩重力拱坝消能工优化

2.1 泄洪消能难点

隔河岩水电站的泄洪方式采用坝身孔口泄洪，枢纽全部泄量均经由坝身下泄。泄洪孔口从上至下分3层：坝顶层设置7个表孔，堰顶高程为181.8 m，孔口尺寸为12 m×18.2 m；中层设有4个深孔，进口底板高程134 m，孔口断面尺寸由上游坝面处的6.10 m×10.67 m至出口收缩为4.5 m×6.5 m；第3层是检修放空底孔，进口底板高程为95 m，孔口断面尺寸由进口6.1 m×10.0 m收缩至出口的4.5 m×6.5 m。隔河岩工程最大泄洪量为23 900 m3／s，最大水头为104.7 m，最大单宽泄流功率为196 MW。消能区位于岩性软弱、两岸风化较深的石牌页岩河段，抗冲能力较低。由于采用拱坝坝身泄洪方式，泄流会向着拱坝坝轴线圆弧的圆心方向集中，造成单宽流量沿河宽方向分布的极不均匀性，要使其调整均匀，难度较大。

2.2 优化研究与应用

经系列比尺模型试验研究后，决定采用宽尾墩附加射流水垫塘方案作为泄洪消能形式，研究过程和方案见图1。表孔体型优化研究系统地比较了对称宽尾墩与非对称宽尾墩、不同宽尾墩收缩比、堰面挑坎设置和宽尾墩出口断面型式等的水力特性和冲刷特性。特别针对表孔水舌形态不稳、水冠弯曲、左右摆动及2个边孔1#和7#表孔水舌水翅击打水垫塘两岸高程100 m以上岸坡的现象进行了系列多方案的优化试验研究。研究成果表明：采用非对称布置宽尾墩加小挑坎的形式，既具有扩散水舌的功能，又可以调整射流水舌运行的方向，从根本上解决拱坝泄洪水流向心集中问题［1］。深孔研究比较了平底型和下弯型等多种体型：平底型深孔每一种体型4项水力指标均有2项不能满足要求，并存在挑流水舌太远无法充分利用水垫塘长度的缺点；下弯型深孔更易控制射流进入水垫塘的位置，使水垫塘的长度得以充分利用，同时采用跌坎收缩型出口具有较好的水力特性，且能使下游得到更好的消能效果。

图1 解决拱坝泄流向心集中问题研究过程Fig.1 The research p rocess of solving the centripetal concentration of spillway flow at the arch dam

经泄流能力、水流流态、压力分布、空化特性和消能效果等对比研究表明，提出的“表孔宽尾墩非对称收缩+深孔下弯式窄缝非对称收缩+水垫塘”泄洪消能布置方案（见图2）水力特性良好。表孔、深孔非对称收缩消能工可控导泄流水舌在水垫塘中分区无交汇入水，表孔和深孔水舌入水区大体平行且对称于拱中心线，充分利用了水垫塘的长度，从而达到分散落水和减轻集中冲刷的目的。

隔河岩水电站自1993年5月建成运用，至今已安全运行18年。期间经过多次大洪水特别是1998年长江全流域性特大洪水的泄洪考验，均安然度汛。水力学原型观测表明；消能工消能效果良好，原型观测主要水力参数与水工模型试验成果基本吻合。汛后现场检查溢流坝面和闸墩均未发现明显空蚀和磨损破坏，表明大坝运行是安全的。

图2 表孔、深孔体型示意图Fig.2 Schematic diagram of the surface outlet and deep outlet

3 水布垭面板堆石坝消能工优化

3.1 泄洪消能难点

水布垭水电站大坝采用砼面板堆石坝，泄水建筑物采用岸边溢洪道泄洪布置方式。溢洪道采用全表孔泄洪，控制段布置5个表孔，孔口尺寸为14.0 m×21.8 m，堰顶高程为378.2 m。溢洪道最大泄洪量为18 320 m3／s，泄洪水头落差为171 m，最大泄洪功率为31 000 MW［2］。由于消能区处于非对称狭窄河谷，且河床基岩岩性软弱破碎，抗冲能力低，挑流消能存在消能区纵向利用问题及两岸山体的稳定问题。另外，消能区尾部与电站尾水口门区距离较近，会产生电站尾水波浪大、出口淤堵等影响电站安全运行的问题。

图3 岸边溢洪道试验研究过程Fig.3 Process of tests on the bankside spillway

3.2 优化研究与应用

本枢纽的消能形式重点研究挑流消能，通过优化消能工的体型尽量抬高冲刷坑的高程以减轻对两岸边坡、滑坡的影响（研究过程和方案见图3）。溢洪道挑流共研究了一级消能（分区陡槽接连续式挑坎、台阶式陡槽接差动式挑坎、分区陡槽接窄缝式挑坎）和二级消能（一级平底消力池接一级挑流、一级逆坡消力池接一级挑流）等5种方案。综合比较，消能形式采用分区陡槽接窄缝式挑坎的布置方案。由于电站尾水紧邻消能区的下游，泄洪时在尾水出口产生的冲刷淤积和泄洪涌浪有可能影响机组运行和尾水洞检修。为此又对窄缝鼻坎的布置及体型进行了深入研究，主要进行了窄缝鼻坎消能工5孔平齐型出口方案和窄缝鼻坎消能工5孔阶梯状出口方案的研究比较。研究表明：采用窄缝鼻坎阶梯式出口布置方案（即1#至5#孔的出口桩号成阶梯式的缩短，1#孔最长，5#孔最短）能更好地控制河床冲刷深度和电站尾水泄洪波浪，减轻电站尾水口门区受泄洪水流的影响，改善电站尾水洞出口的淤堵情况。

另外，由于存在1#孔水舌分离水体打击左岸岸坡和5#孔水舌内缘打击山坡等问题，对1#和5#两个边孔的鼻坎体型进行了优化。研究采用异形窄缝鼻坎控导措施，窄缝鼻坎出口加小贴角解决了边孔水翅打击河岸边坡问题；鼻坎右偏解决了电站尾水淤积问题；各孔出口底板较两侧边墙适当延长解决了窄缝水舌内缘水帘打击鼻坎下游山体问题。

分区陡槽窄缝鼻坎阶梯式出口布置形式被应用于工程实际。经2008年汛期最大约3 100 m3／s流量的泄洪考验，其消能防冲效果与模型类似工况的试验成果基本吻合，电站尾水口门区无砂石淤积，表明水布垭工程非对称狭窄河谷消能区的冲刷和淤积问题得到成功解决。

4 构皮滩双曲拱坝消能工优化

4.1 泄洪消能难点

构皮滩水电站主体建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身泄水建筑物、水垫塘、泄洪洞、地下厂房、通航建筑物等组成。双曲拱坝坝顶高程640.5 m，最大坝高232.5 m。坝身泄水设施由6个表孔、7个中孔、2个放空底孔组成，总泄量25 840 m3／s。表孔堰顶高程617.00 m，孔口尺寸12 m×13 m（宽×高）；中孔出口尺寸7 m×6 m，奇、偶数孔进口孔底高程分别为550.00 m和543.00 m；坝后设水垫塘和二道坝，水垫塘采用平底板封闭抽排方案。由于坝址河谷狭窄、最大泄洪功率达42 200 MW，在国内外已建工程中是最大的。水垫塘作为坝身泄洪的消能工，岸坡较陡，消能区尾部及其下游岸坡为软岩，其自身的安全稳定也很重要。

4.2 优化研究与应用

构皮滩水电站坝身泄洪表孔、中孔均为向心布置，表孔出口采用立面大差动形式，并设不同形式的分流齿坎，以尽量错开各孔水流的入水层次，出口段采用平面扩散的形式，宽度由进口的12 m变为出口的18 m。为防止边表孔水流直接冲击水垫塘的边坡，边表孔的出口宽度为13 m。表孔出口布置见图4。中孔采用平底型与上挑型相间布置，使得各孔水舌入水点相互错开。通过1∶110水工整体模型优化方案比选，表孔和中孔布置形式［3］为：1#和6#表孔出口挑角为-20°，内侧各布置一个6 m×4 m（宽×高）的齿坎（挑角10°）；2#和5#表孔出口挑角为0°，不设齿坎；3#和4#表孔出口挑角为-35°，出口中心线上各布置一个8 m×8 m的齿坎（挑角10°）。1#，3#，5#和7#中孔为平底型，挑角为0°，2#，4#和6#为上挑型，其中4#中孔挑角为10°，2#和6#中孔挑角为25°。试验研究成果表明：各设计工况下水垫塘底板上的冲击动水压力均小于15×9.81 kPa，边墙及二道坝上动水压力基本符合静压分布，护坦下游最大冲深为1.1 m，冲坑后坡比缓于安全坡比1∶3，坝身泄洪消能效果较好。

图4 表孔出口下游立视图Fig.4 Elevation view from the outlet downstream of the surface spillway

考虑到分流齿坎区有较强的空化发生，导致空蚀破坏的可能性大，为此进行了优化方案的比较研究，最后采用在WES曲线坝面和齿坎面之间，以半径R＝8.0 m的圆弧进行平滑衔接，其它体型不变。试验研究表明：分流齿坎修改方案明显改善了齿坎区的空化特性，危害性空化的强度均降至初生阶段，发生空蚀破坏的可能性不大。同时还对1#中孔进行了方案的修改优化，最终将进口顶椭圆曲线方程修改为，检修门井后的水平均直段顶部高程为559.00 m（较原方案抬高1 m），其后与出口压坡段以半径R＝30.00 m、圆心角为9.46°的圆弧衔接，出口段压坡坡比为1∶6，压力出口控制断面尺寸为7 m×6 m（宽×高）。这样不仅消除了孔内高速水流空蚀破坏之忧，且泄流能力满足原设计要求。

1∶55大尺度水工整体模型优化复核研究表明：提出的泄洪消能建筑物采用表孔差动加分流齿与中孔不同挑角碰撞，另设一条岸边辅助泄洪洞的泄洪消能布置形式，成功解决了泄洪功率高达42 200 MW，泄洪难度居世界前列的泄洪消能关键技术。

5 结 语

长江科学院针对隔河岩、水布垭、构皮滩等大型水利水电工程泄洪消能的特点，对挑流消能及新型挑流消能工的消能机理、布置形式、泄洪消能效果等进行了大量的试验研究和水力学原型观测，取得了许多有创新意义的成果：

（1）在国内外首次将宽尾墩收缩射流技术运用到隔河岩重力拱坝上，创新性地提出了分层多孔收缩射流水垫塘联合消能工布置形式并成功运用于工程中，即将7个表孔、4个深孔及2个底孔在平面上错开，空间上分层，集中布置于拱坝坝身，达到了从坝身安全下泄23 900 m3／s洪水的预期目的。

（2）提出了分区陡槽窄缝挑坎阶梯式出口布置以适应下游非对称狭窄河谷的新型消能工布置形式及异形窄缝鼻坎控导措施，解决了水布垭岸边溢洪道泄洪消能和电站尾水淤积等重大技术难题。

（3）首次在双曲拱坝中采用“表孔出口立面大差动及边表孔不对称扩散加分流齿、中孔平底型与上挑型不同挑角相间布置”的泄洪消能方案，成功解决了目前世界上已建双曲高拱坝中坝身泄洪流量和泄洪功率都最大的泄洪消能难题，为高拱坝大泄量泄洪消能开辟了新思路。

这些研究成果不仅解决了工程上的泄洪消能难题，同时也可供今后挑流消能工程的设计和建设参考借鉴。

［1］ 高仪生，金宝芬.隔河岩枢纽泄洪消能试验研究［J］.长江科学院院报，1993，10（4）：17-24.（GAO Yisheng，JIN Bao-fen.Experimental Studies on Flood Release and Energy Dissipation for Geheyan Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1993，10（4）：17-24.（in Chinese））

［2］ 黄国兵，陈 俊，高仪生，等.水布垭枢纽泄洪消能防冲试验研究［J］.长江科学院院报，2001，18（5）：3-6.（HUANG Guo-bing，CHEN-Jun，GAO Yi-sheng，et al.Experimental Study on Energy Dissipation and Scour Protection Below Flood-ReleasingWorks of Shuibuya Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，18（5）：3-6.（in Chinese））

［3］ 程子兵，韩继斌，黄国兵.构皮滩水电站泄洪消能试验研究［J］.人民长江，2006，37（3）：84-86.（CHENG Zi-bing，HAN Ji-bin，HUANG Guo-bing.Experimental Studies on Flood Release and Energy Dissipation for Goupitan Project［J］.Yangtze River，2006，37（3）：84 -86.（in Chinese））

［4］ 黄国兵，王才欢，王春龙，等.水布垭枢纽泄水建筑物主要水力学问题研究［J］.人民长江，2007，38（7）：95 -98.（HUANG Guo-bing，WANG Cai-huan，WANG Chun-long，etal.Studies on the Main Hydraulic Problem of Discharge Structure for Shuibuya Project［J］.Yangtze River，2007，38（7）：95-98.（in Chinese））

（编辑：刘运飞）

Optim ization and Application of Energy Dissipation W orks for Ski Jum p Spillway at High Dams

HUANG Guo-bing，XIE Shi-ping，DUANWen-gang
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The ski jump energy dissipator has been mostwidely used in the energy dissipation of high dam，yet optimizations should bemade according to the unique characteristics of different projects.The outlet structures of three different dam types investigated by Yangtze River Scientific Research Institute are taken to illustrate the research achievements.Different arrangements of energy dissipator have beenmade for the three dam types.First，for the centripetal concentration of discharge flow atGeheyan gravity arch dam，a combination of the asymmetric shrink of flaring pier at the surface spillway，asymmetric contraction of the recurved narrow slitat the deep outlet，and plunge pool，is arranged.Second，for the erosion and siltation in the energy dissipation area of the asymmetric narrow valley at Shuibuya concrete face rockfill dam，narrow slit flip buckets are arranged in a cascade.Third，to solve the erosion problem of spillway plunge pool in the case ofmaximum power dissipation at Goupitan double curvature arch dam，differential flip bucketand flow-separating dentated sill for surface outlet combined with collision of different jetangle at themiddle outletare applied.Practices of flood discharging at the projects indicated that these new types of energy dissipator successfully solved the energy dissipation problem for the projects，and thus could be referential for alike ski-jump energy dissipation of high dams.

energy dissipation of ski jump type；flaring pier；narrow slit flip buckets；plunge pool

TV653

A

1001-5485（2011）10-0090-04

2011-07-13

黄国兵（1963-），男，湖北天门人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学研究工作，（电话）027-82926893（电子信箱）huanggb＠mail.crsri.cn。