乐昌峡水利枢纽工程溢流坝泄洪消能研究

黄智敏，何小惠，钟勇明，陈卓英，付 波

乐昌峡水利枢纽工程溢流坝泄洪消能研究

黄智敏，何小惠，钟勇明，陈卓英，付 波

（广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510610）

乐昌峡水利枢纽工程坝址处河道狭窄，溢流坝的泄洪落差和单宽流量较大，且电站尾水出水口靠近溢流坝，因此，溢流坝泄洪安全是枢纽工程的关键技术问题。通过溢流坝泄洪消能模型试验研究，对溢流坝堰面曲线、两侧收缩边墙、闸墩、挑流鼻坎等布置和体型进行了优化，改善了其运行水力特性，妥善解决了溢流坝泄洪消能防冲的问题。关 键 词：溢流坝；溢流堰；宽尾墩；差动式挑流鼻坎；消能；模型试验；乐昌峡水利枢纽工程

1 工程简介

1．1 工程概况

乐昌峡水利枢纽工程位于广东省乐昌市境内的北江一级支流武水乐昌峡河段内，枢纽工程是以防洪为主，结合发电、灌溉、供水、改善航运等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽工程的正常蓄水位为154．5 m，汛限水位为144．5 m，死水位为141．5 m，设计洪水标准为100年一遇（P＝1%），校核洪水为1 000年一遇（P＝0．1%）。枢纽工程水库总库容为3．439亿m3，防洪库容为2．113亿m3。

乐昌峡水利枢纽工程主要由挡水大坝、溢流坝、放水底孔、电站等建筑物组成（见图1）。溢流坝布置在坝址河道中间，共分5孔，每孔净宽12 m，中墩、边墩厚3 m，溢流坝段长度为78 m。溢流坝堰顶采用双胸墙与弧形闸门共同挡水的形式，胸墙底缘为圆弧曲线、底高程为145．5 m；溢流堰顶高程134．8 m，单孔孔口尺寸12 m（宽）×10．7 m（高），初设方案的溢流堰面（WES）曲线方程为y＝0．034 108x1．85，下接1∶1的陡坡段，陡坡段下游接半径R＝26 m的反弧段，反弧段挑流鼻坎挑角为32°，出口断面高程116．95 m。溢流坝两侧边墙由桩号0＋040．92断面以5．41°收缩角往下游收缩，至挑流鼻坎出口断面（桩号0＋061．5）宽度为68．1 m（见图2）。

坝址附近两岸地形对称，河谷呈“V”形，河道呈微弯、断面狭窄，河床面高程约90．0～92．0 m。坝址两岸和河床的弱风化岩体埋深较浅，河床弱风化带

图1 乐昌峡水利枢纽工程平面布置图Fig．1 Layout of Lechangxia water control project

图2 溢流坝初设方案布置图Fig．2 Layout of initial scheme of the overflow dam

上界面埋深约1．6～8 m，弱风化岩厚约3～5 m，往下为微风化基岩。河床基岩较新鲜坚硬、强度较高，岩体完整性较好。

1．2 工程主要特点

（1）拦河坝最大坝高约83 m，溢流坝泄流最大落差和单宽流量分别约50m和142（m3／（s·m）－1），溢流坝属高水头、大流量泄水建筑物。

（2）枢纽工程是以防洪为主，溢流坝泄流孔口超泄能力较大，在各级洪水流量泄流条件下，泄流孔口采用闸门控泄运行。

（3）溢流坝下游河道狭窄，枢纽工程主要泄水建筑物（溢流坝和放水底孔）平面布置基本占据了坝址河床面宽度，溢流坝泄流挑射水舌易对下游河道两岸造成冲刷破坏。

（4）电站尾水出水口上边缘距离溢流坝出口断面约160 m，溢流坝挑射水舌易对电站出水口区域产生冲刷影响。

1．3 水工模型设计

为了解决溢流坝泄洪下游消能防冲和电站出水口区域冲刷的2大关键问题，开展了枢纽工程溢流坝的整体水工模型试验。水工模型按佛劳德准则设计为正态，模型几何比尺Lr＝60。

溢流坝下游河床动床模型设计，选择河床弱风化基岩抗冲流速V＝（7～8）m／s、微风化基岩抗冲流速V＝（10～12）m／s。由伊兹巴什公式D＝V2／K2（式中：D为散粒体粒径（m）；V为基岩抗冲流速（m／s）；K为系数，一般取5～7，本文取K＝6），可计算出弱风化基岩的模型冲料散粒体粒径Dm＝2．3～3．0 cm，微风化基岩的模型冲料散粒体粒径Dm＝4．7～6．7 cm。

溢流坝下游河道模型动床范围为桩号0＋061．5至电站出水渠未端（桩号约0＋330）。为了减轻下游河床覆盖层冲刷对电站出水口出水渠区域淤积的影响，在下游河道桩号0＋090至电站出水渠上游右导墙前缘（桩号约0＋200），将河床表层覆盖层开挖掉，高程约85．0～86．0 m以下按基岩模拟，下游河道两岸坡基岩按设计提供的基岩等高线模拟。

2 溢流坝初设方案试验

2．1 溢流坝运行流态

（1）在各级洪水流量泄流运行时，库区上游来流较平顺地进入溢流坝前，溢流坝各泄流孔口入流较平顺，溢流坝的泄流能力可以满足工程设计的要求。

（2）在水库正常蓄水位（Z＝154．5 m）、闸门控泄运行条件下，溢流堰顶下游堰面的负压值约－25～－30 kPa；在设计洪水频率流量泄流运行时（P＝1%，Q＝3 900 m3／s，闸门开度e＝4．15 m），溢流堰面负压值约－48 kPa。溢流堰面负压值较大，不能满足设计规范的要求［1］。

（3）溢流坝泄流在两闸孔之间的中墩末端交汇后，闸墩末端水流出现脱壁、产生冲击波，墩后冲击波的水花飞溅，闸墩末端区域流态较紊乱。

2．2 挑射水舌和下游河道冲刷特性

（1）由于溢流坝泄洪流量较大、下游河道较狭窄，因此，溢流坝泄流挑射水舌对下游河道及其两岸坡会产生不同程度的冲刷。在设计洪水频率流量（P＝1%）泄流运行时，溢流坝挑射水舌下游入水断面宽度约63 m，挑射水舌的下游左、右侧水舌撞击下游河道两岸坡，对河道岸坡造成较明显的冲刷。

（2）在设计洪水频率流量（P＝1%）和200年一遇坝址洪峰流量（Q＝6 860 m3／s，e＝7．3 m）泄流运行时，溢流坝下游河床遭受较严重的冲刷，测试的溢流坝下游河床冲刷坑底高程分别约为78．0 m和74．0 m，冲刷坑底部上边缘到溢流坝出口断面距离分别约为97 m和108 m，冲刷坑上游坡度i分别约为1∶8．08和1∶6．75；冲刷坑底部到电站出水渠上游右导墙的距离分别约为42 m和15 m，冲刷坑下游坡度分别约为1∶3．3和1∶2．7。在洪水流量Q＝6 860 m3／s泄流运行时，电站上游端1＃机组出水口出水渠区域河床遭受严重冲刷和淘刷，冲刷区域河床较低处高程约78．0 m，电站出水渠上游右导墙被冲垮（出水渠区域河床弱风化基岩面高程约85～86 m），危及电站尾水出水口的安全运行（见图3）。

图3 溢流坝下游河道及电站出水渠冲淤地形剖面图Fig．3 Sectional draw ing of scouring at the downstream river channel of the overflow dam and the outlet channel of the station

3 溢流坝优化方案试验

3．1 优化的基本思路

针对初设方案存在的问题，溢流坝体型修改和优化的基本思路为：①在满足溢流坝泄流能力要求的前提下，改善溢流堰面体型，尽量减小堰面的负压值；②借助现有溢流坝工程宽尾墩的成果，改善溢流坝面各中墩末端区域的流态，增加溢流坝下游反弧段泄流的掺气和消能率；③为了避免或减轻溢流坝挑射水舌对下游河道两岸坡的冲刷，溢流坝下游出口断面需进一步缩窄，为了减轻溢流坝高速泄流对收缩边墙产生急流冲击波的影响，需对溢流坝两侧收缩边墙布置和体型进行优化；④为了减轻溢流坝泄洪对下游河床和电站出水口区域的冲刷影响，一方面在满足坝基安全的前提下，尽量减小溢流坝挑射水舌的挑距，使坝下游河床冲刷坑尽量往坝址前移，减轻挑射水舌对电站出水口区域的冲刷破坏；另一方面增加挑坎挑射水舌的竖向和纵向拉开扩散，增大挑射水舌在空中的碰撞、掺气和消能，减小水舌下游入水区域的单位面积能量，尽量减轻下游河床的冲刷深度。

3．2 溢流堰面优化

经模型试验比较，将溢流堰面设计水头Hd由0．835Hm修改为0．971Hm（Hm＝28．2 m为堰顶最大水头），则溢流堰面曲线方程由初设方案y＝0．034 108x1．85修改为y＝x1．85／（2Hd0．85）＝0．03x1．85，堰面曲线下游坝面陡坡段与水平线夹角为42．5°（见图4）。溢流堰面曲线修改之后，在各级洪水流量泄流运行条件下，堰面的负压强绝对值｜p｜＜30 kPa，满足了工程设计规范的要求［1］。

3．3 坝面流态改善

参考有关工程的研究成果和经模型试验比较，在溢流坝各闸孔中墩下游端设置宽尾墩（桩号0＋017至0＋028），宽尾墩的尺寸为：宽尾墩首端闸孔的断面宽度B1＝12 m（墩厚3 m，桩号0＋017）、末端断面宽度B2＝9．7 m（墩厚5．3 m，桩号0＋028），宽尾墩闸孔断面收缩率η＝B2／B1＝0．808（见图4，图5）。

图4 溢流坝泄流流态示意图Fig．4 Sketch of flow pattern of the overflow dam

图5 溢流坝推荐方案布置图Fig．5 Layout of recommended scheme ofthe overflow dam

溢流坝泄流进入宽尾墩区域之后，宽尾墩两侧导墙区域水深逐渐壅高，至墩末出口断面形成两侧高、闸孔中心区域低的凹型水冠状；宽尾墩改善了原流线型闸墩末端区域水流脱壁、水花飞溅的不良流态，且宽尾墩末端下游局部区域为无水区域，有利于反弧段水流的掺气；相邻两闸孔泄流在宽尾墩未端下游交汇后，形成高而窄的水冠状水舌跃起，往下游挑射，大大增加了挑射水舌在空中的碰撞、掺气和消能（见图4）。

3．4 溢流坝两侧收缩边墙优化

经模型试验比较，将溢流坝下游出口断面宽度由初设方案68．1 m缩窄至60 m（见图5）。同时，为了减轻溢流坝高速泄流对收缩边墙产生急流冲击波的影响，两侧收缩边墙采用分两段收缩的形式：第一段边墙（桩号0＋017至0＋028）收缩角为4．68°；第二段边墙（桩号0＋028至0＋061．5）收缩角为8．66°，第二段收缩边墙收缩角相对于第一段收缩边墙收缩角只增加3．98°，各段收缩边墙的相对收缩角度相应较小。

试验表明，溢流坝两侧边墙采用分段收缩之后，泄流时收缩边墙区域无较明显的冲击波产生，收缩边墙区域的水深无明显的壅高，溢流坝两侧收缩边墙布置和体型是合理的。

3．5 挑流鼻坎推荐方案

参考有关文献［2］和经模型试验优化之后，溢流坝反弧段挑流鼻坎采用抗空化性能良好的扩散式梯形差动式挑流鼻坎，其布置和体型尺寸为（见图5，图6）：①高坎反弧段曲率半径R＝35 m，出口挑角为20°；高坎始起断面桩号为0＋047．42、宽度为3．5 m，出口断面宽度为6 m（桩号0＋059．39）、高程为115．61 m，高坎两侧面坡度为1∶1；②挑流鼻坎低坎为水平挑坎，高程为113．5 m，挑角为0°。

图6 扩散式梯形差动式挑流鼻坎布置图Fig．6 Layout of diffusional trapezoidal differential flip bucket

3．6 挑射水舌和下游河道冲刷特性

推荐方案差动式挑流鼻坎的挑射水舌和下游河床冲刷特性见表1，表2。

表1 溢流坝挑射水舌特性Table 1 Flip nappe characteristics of the overflow dam

表2 溢流坝下游河道冲刷特性Table 2 Scouring characteristics of downstream river channel of the overflow dam

试验表明：

（1）溢流坝挑流鼻坎出口断面宽度由初设方案68．1 m缩窄为60 m之后，挑射水舌下游入水断面宽度比初设方案明显减小（见表1），大大减轻了溢流坝挑射水舌对下游河道两岸坡的冲刷。由于溢流坝下游河道较狭窄，因此，应根据溢流坝下游河床的冲刷状况，对下游河道两岸坡进行加固防护。

（2）差动式挑流鼻坎和宽尾墩的联合运用，宽尾墩后和挑流鼻坎形成多层次的挑射水舌，增大挑射水舌在空中的碰撞、掺气和消能，明显减轻了水舌对下游河床的冲刷（见表2和图3）。

（3）差动式高坎平面布置前窄、后宽，使低坎水流形成窄缝式收缩状水流，且高坎两侧坡面坡度放缓至1∶1，使高坎侧坡面保持为正压状态，明显改善了高坎的抗空化性能。

（4）扩散式梯形差动式挑流鼻坎高、低坎挑角分别为20°和0°，挑射水舌的挑距明显缩短（见表1），坝下游河床冲刷坑往坝址前移，但由于差动式挑坎大大减轻了下游河床的冲刷坑深度，在各级洪水流量泄流运行条件下，溢流坝下游河道冲刷坑上游坡度i＜（1∶4）（见表2），满足工程设计规范的要求。

（5）溢流坝挑射水舌挑距减短和冲刷坑深度减小，明显减轻了对电站出水渠区域河床的冲刷。溢流坝下游河床冲刷范围只限于电站出水渠右导墙上游区域，右导墙下游出水渠河床为冲刷坑冲渣淤积区（见图3）。测试的电站出水渠右导墙上游侧底部冲刷高程见表2，供工程设计和施工参考。

3．7 差动式挑流鼻坎消能特性探讨

本工程挑坎采用差动式挑流鼻坎之后，虽然挑坎出口断面宽度由68．1 m缩窄至60 m，但坝下游河床冲刷坑深度仍比初设方案明显减小。本文对差动式挑坎增大水流消能特性作初步分析探讨。参照常规的连续式挑坎下游河床冲刷坑计算公式，可以写出差动式挑坎下游河床的冲刷坑深度计算公式

式中：T为冲刷坑深度，由下游水位与冲刷坑底高程之差计算；q为挑坎出口单宽流量；Z为泄流上、下游水位差；K为下游河床基岩冲刷系数；β为差动式挑坎消能增大系数。

由初设方案溢流坝下游河床冲刷坑深度T，可以计算出本工程坝址下游河床基岩冲刷系数K≈1．47。由于溢流坝挑坎两侧边墙为收缩状，其挑射水舌下游入水断面宽度明显小于挑坎的出口断面宽度（见表1），挑射水舌下游入水断面单宽流量明显大于挑坎出口断面的单宽流量。为了便于分析，本文计算下游冲刷坑深度的单宽流量仍采用挑坎出口断面单宽流量。

采用基岩冲刷系数K＝1．47，可计算出溢流坝各级泄洪流量的差动式挑坎消能增大系数β，见表3。结果表明：差动式挑坎消能效果比连续式挑坎明显增大，其消能增大系数β约达0．8～0．9，即其下游河床冲刷坑深度只有连续式挑坎相应冲深的80%～90%。由于本工程差动式挑坎出口断面收缩较窄，其下游河床入水单宽流量比初设方案相应更为增大（见表1），因此，若本工程差动式挑坎出口断面宽度仍为68．1 m，则差动式挑坎的消能作用更加显著，坝下游河床冲刷坑深度可进一步减小。

表3 差动式挑坎消能增大系数β计算Table 3 Calculation of energy dissipation augmenting factorβof the differential bucket

4 结 语

（1）乐昌峡水利枢纽工程溢流坝具有泄流落差和单宽流量较大、下游河道狭窄、电站出水口靠近溢流坝出口等特点，溢流坝的消能问题较突出。通过水工模型试验研究，优化了溢流坝溢流堰型，在溢流坝设置了分段收缩边墙、宽尾墩、扩散式梯形差动式挑流鼻坎等工程措施，改善了溢流坝泄流流态，妥善解决了溢流坝消能的问题。

（2）模型试验推荐的扩散式梯形差动式挑流鼻坎，具有抗空化性能良好、挑射水舌扩散和消能特性好、施工方便等特点，在减小溢流坝挑射水舌挑距的同时，大大减轻了下游河床的冲刷，满足了工程布置和安全运行的要求。本文研究成果可供类似工程设计参考。

［1］ 中华人民共和国水利部．SL319－2005，混凝土重力坝设计规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2005．（Ministry ofWater Resources of the People’s Republic of China．SL319－2005，Design Specification for Concrete Gravity Dams［S］．Beijing：China Water Power Press，2005．（in Chinese））

［2］ 华东水利学院．水工设计手册（第6卷）［K］．北京：水利电力出版社，1982．（East China Institute of Water Conservancy．Handbook of Hydraulic Structure Design（Volume 6）［K］．Beijing：Water Power Press，1982．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

长江科学院主编的两个规范送审稿通过审查

2011年4月13－16日，长江科学院主编的《水工混凝土掺用天然火山灰技术规范》和中国长江三峡集团公司、长江科学院共同主编的《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》送审稿审查会在湖北宜昌召开，会议由电力行业水电施工标准化技术委员会主持。来自中国电力企业联合会、武警水电指挥部、中国葛洲坝集团公司、中国水利水电建设集团公司、金安桥水电站有限公司、武汉大学、中国水电顾问集团成都勘测设计研究院、中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、葛洲坝集团试验检测有限公司、中国水利水电第三工程局有限公司、中国水利水电第七工程局有限公司、中国水利水电第十六工程局有限公司等单位的专家，以及中国长江三峡集团公司、长江水利委员会长江科学院、南京工业大学、江苏博特新材料有限公司等单位的编写人员代表参加了会议。

专家组认为这两部规范为水工混凝土掺用氧化镁或天然火山灰提供了技术依据，内容丰富，科学实用，达到了国际先进水平，满足报批要求，同意通过审查。

（摘自《长江水利科技网》）

Flood-Releasing and Energy Dissipation of Overflow Dam at Lechangxia Water Control Project

HUANG Zhi-min，HE Xiao-hui，ZHONG Yong-ming，CHEN Zhuo-ying，FU Bo
（Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangdong Research Institute ofWater Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China）

This paper studies the flood-releasing and energy dissipation of the overflow dam at Lechangxia water control projectwhich is located in a narrow river valley．The flood-releasing safety of the overflow dam therefore is a critical technical issue as it has large water head drop and the discharge per unitwidth of the dam is large，and moreover，the tailrace exit of the hydropower station is in the vicinity of the dam．Based on hydraulicmodel tests，the hydraulic property of the overflow dam is improved and hence problems of flood-releasing and energy dissipation and scour protection are solved in this paper by optimizing the layout and configuration of overflow weir and both the contracted sidewalls aswell as piers and flip buckets．

overflow dam；overflow weir；flaring gate piers；differential flip bucket；energy dissipation；model test；Lechangxia water control project

TV135．2

A

1001－5485（2011）05－0018－05

2010-05-31

黄智敏（1957-），男，广东惠州人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学研究，（电话）020-38491159（电子信箱）hzm3011＠gd-sky．com．cn。