黄金坪水电站泄洪洞出口消力池连接段体型优化研究

刘丽娟，张 旻，王勇波

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

黄金坪水电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、1条岸边溢洪道、1条泄洪洞、左岸大厂房和右岸小厂房引水发电建筑物以及右岸导流洞等建筑物等组成。

泄洪洞布置在左岸山体内，由于河道顺直，泄洪洞在平面上转弯布置为有压接无压泄洪洞。采用深式有压进口，接有压洞，中间设控制闸门室，后接无压洞；有压段洞身采用圆形断面，无压段洞身采用城门洞形断面，出口采用底流消能。泄洪洞进口底板顶高程1 420.00m，洞身总长658.43m，其中有压段洞长370.38m，为洞径13.5m的圆形断面，无压段洞长288.05m，为13m×16m(宽×高)的城门洞形断面。出口布置在坝轴线下游约380m处，与河道夹角约38°，出口底板顶高程1 405.34m，利用60m渐变段与消力池连接。消力池长88m，宽30m，底板顶高程1 393.00m，消力池出口设置差动式尾坎，尾坎的高程为1 396m。泄洪洞最大总泄量2 980m3/s。泄洪洞出口消能工的原设计方案采用抛物线接斜坡连接式底流消力池，泄洪洞出口单宽流量为229m3/s.m，消力池临底流速高达30m/s，而泄洪洞出口水流佛氏数仅为3.5，属于典型的低佛氏数水跃消能，其消能工水力设计的关键是如何稳定水跃和增加消能效果[1～6]。

鉴于泄洪洞出口下游对岸为黄金坪村，减小消力池出口流速和下游河道冲刷对工程具有重要的意义。根据泄洪洞出口的地形、地质条件，消力池末端边坡及河床覆盖层深厚，地质条件较差，消力池末端没有向下游移动的地质条件，消力池向上游扩大在布置上也受到极大限制。本文通过水工模型试验研究，在不改变消力池尾坎位置及消力池总布置的前提下，对泄洪洞出口消力池连接段多种体型进行了技术经济比较，以提供适合本工程的消能工优化体型。

2 消能工体型选择

本文在不改变消力池总布置条件下，研究泄洪洞出口与消力池连接段的体型对消能效果的影响。

2. 1 方案一：抛物线接斜坡连接式消力池

原设计方案泄洪洞出口与消力池利用60m渐变段连接，连接段底板采用抛物线接斜坡连接式消力池。渐变段底板采用方程为y=0.014 8x+0.006x2的曲线与1∶3.97的底坡与消力池连接，边墙采用y=0.002 36x2的曲线与消力池连接。消力池底板高程1 393.00m，边墙顶高程1 418.00m；池身长88m，宽30m，底板厚3m。考虑消力池排沙和后期检修维护方便，池末端设差动式消力坎，坎顶高程1 405.00m。具体布置形式及体型参数见图1。

2.2 方案二：三级阶梯式消力池

比选方案之一将泄洪洞出口与消力池的连接渐变段改为阶梯型，以增加沿程消能，称之为阶梯连接式消力池。在出口底部设置高1m、长10m的挑坎，坡度为1∶10，并设置掺气井，以防止阶梯段空化空蚀的发生。连接段先接1.34m跌坎再接三级阶梯，一级阶梯为斜坡形式，坡度为1∶15，二、三级阶梯高3m，长15m。消力池尺寸与方案一相同，具体布置形式及体型参数见图2。

2. 3 方案三：大跌坎连接式消力池

图1 原设计方案消力池布置示意

推荐方案将泄洪洞出口挑坎坎高调高2m，长度为20m，坡度为1∶10。由于洞出口扩散段侧壁有负压，出口采用0.7m的突扩。将方案二的三级阶梯连接段改成水平扩散段，形成一个大跌坎与消力池连接，坎高6m、长60m。消力池尺寸与方案一、二相同，具体布置形式及体型参数见图3。

图2 三级阶梯式消力池剖面示意

3 结果与分析

为评价各方案消力池的水力特性及布置的合理性，并为消力池连接段设计提供试验依据，根据泄洪洞运行特点，在正常蓄水位以上运行时流量变化很小，因此，试验选择上游蓄水位1 476m、下游河道水位1 409.34m、泄洪洞全开运行作为代表性试验工况。试验测试了流态、流速分布、压力分布和水面形态，并对各种方案的消能率进行了计算。研究成果如下。

图4为三种方案消力池内水流流态。方案一消力池内水面波动剧烈，出坎水流不平顺，水面跌落大，消力池出池水流出现明显的二次跌落现象。方案二在第二级台阶中部形成水跃，水跃比较稳定，但回水较为严重，深度约1.6m，消力池内水流紊动剧烈，波动较大，出口处水面跌落和波动值与方案一相比明显减小，消力池后水流较为平顺。方案三在大跌坎中部形成水跃，水跃位置和水面形态最稳定，大跌坎中后段至消力池前部，水面波动较大，水流剧烈旋滚翻腾，高跌坎在改善底部流速方面效果明显。

图3 大跌坎连接式消力池剖面示意

消力池末端水流比较平顺，出口处水面跌落和波动值与方案二相近，消力池后水流平顺衔接。试验表明，方案二和方案三消力池内水流中大量能量已经消耗，出池水流没有明显的二次跌落，消力池出坎流速分布优于原设计方案，出池流速也小于原设计方案。

可见，抛物线接斜坡连接式消力池方案水流流态稳定性较差，消力池入池流速很高，出池水面波动和二次水面跌落均较大，下游冲刷较为严重，所需的防护工程量和难度也较高。

图5为三级阶梯式消力池和大跌坎式消力池出口下游河道流速分布图。图6为三级阶梯式消力池和大跌坎式消力池出口冲刷地形图。各方案水力学指标测试结果见表1。

图4 不同消力池的水流流态

优化后的推荐方案消力池临底流速由24m/s减小至11m/s，减小约56%，消力池临底流速的减小非常有利于消力池底板的稳定。推荐方案消能工的消能更加充分，消力池出池流速由8.3m/s减至6.0m/s，消力池尾坎处的水面跌落也由原设计方案的4～6m减小到2～4m，消力池与下游河道的水流衔接更加平顺。虽然消力池出口下游河道的冲刷深度相差不大，但在黄金坪村河道的右岸流速明显减小。因此，推荐方案不但连接段体型简单，而且消能较充分，消力池出池水流与下游河道水流平稳衔接，对于河岸防护是相当有利的。

综上所述，方案三水力参数指标均比方案一、方案二有所降低，方案三较方案一、二有明显的优势。该体型简单，流态稳定，消能效果较好。

4 结束语

黄金坪水电站泄洪洞出口采用大跌坎连接式消力池，该方案不但减轻下游冲刷，而且在不改变消力

图5 不同消力池出口下游河道流速分布

图6 不同消力池出口冲刷地形

方案泄 洪 洞池内最大流速/m·s-1出池流速/m·s-1冲坑最低高程/m冲坑深度/m冲坑位置/m(距出口)黄金坪村河段岸边最大流速/m·s-1左岸右岸方案一24.08.31 390.612.4122.57.605.70方案二18.06.81 390.812.2105.07.534.54方案三10.56.01 391.611.4105.07.403.50

池规模和尾坎位置的前提下，实现流态的稳定和消能充分，还显著降低消力池临底流速等重要水力学指标。因此，大跌坎连接式方案更适合黄金坪水电站的地质、地形条件，初拟作为泄洪洞出口连接段设计的推荐方案。

[1] 吴持恭.水力学(上、下册)[M].北京：高等教育出版社，1990.

[2] 张建民,王玉蓉,杨永全,等.水平多股淹没射流水力特性及消能分析[J].水科学进展,2005(1):18-22.

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[5] 邓军,许唯临,张建民,等.一种新型消力池布置形式-多股水平淹没射流[J].中国科学,2009,39(1):29-38.

[6] 李艳玲,华国春,张建民.多股水平淹没射流水力特性的影响因素研究[J].水科学进展,2006(11):761-766.