五道库水电站溢流坝挑流鼻坎优化试验

张术彬，常俊德，田振华

（黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

五道库水电站溢流坝挑流鼻坎优化试验

张术彬，常俊德，田振华

（黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

挑流鼻坎是水库溢流坝挑流消能结构的重要组成部分，直接影响水库的工程安全与运行效益。文章通过五道库水电站溢流坝水工模型试验，对原设计方案进行验证并调整。与原设计方案相比，优化堰面曲线和挑流鼻坎参数，使进口段水流流态和堰面负压情况得到明显改善，挑射水流挑射高度和内外缘挑距均显著提高，坝体结构更合理，利于工程安全。研究成果可为设计单位提供技术参考，对同类工程设计和其他模型试验有借鉴意义。

溢流坝；挑流鼻坎；水工模型试验；优化设计；挑流半径

目前我国大中型水库河岸式溢洪道的消能大多采用挑流型式，挑流消能是一种安全经济消能措施，借助挑流鼻坎使高速水流沿抛物面挑射，在挑射过程中，通过吸附和掺混空气来耗散部分能量，将水流抛射到远离鼻坎脚处，与河床尾水衔接[1-2]。确定挑流消能布置型式，安全挑距、水舌入水深度、允许最大冲坑深度等，应以不影响鼻坎基础、两岸岸坡及保证相邻建筑物安全为原则；冲刷坑上游坡度应根据地质情况确定，宜在1∶3～1∶6选用；挑流鼻坎段反弧半径可采用反弧最低点最大水深6～12倍选用；挑流鼻坎挑角在15～35°选用[3-5]。王南海对洪门水电站溢洪道挑流消能型式进行水工模型试验研究，该工程位于江西省抚河支流黎滩河下游，在南城县洪门镇上游二公里处，枢纽工程由大坝、引水式厂房以及设在坝址右岸以北垭口处的溢洪道组成，是具有防洪、发电、灌溉、养鱼等综合利用大型水利枢纽工程。1958年7月动工，1969年全部建成。原设计溢洪道堰顶高程94.00 m，挑流鼻坎高程86.00 m，挑角30°，反弧半径6.0 m，最大冲坑深达6.0 m。经过模型试验优化后，挑流鼻坎高程下降至70.5 m，最大冲坑深达5.0 m，减少对下游的冲刷[6]。中包水电站在长江支流黄柏河上，位于湖北省宜昌市雾渡河镇上游，系面板堆石坝，最高坝高85.0 m，总库容5 500万m3，装机容量5 000 kW，属三等工程。泄水建筑物由岸边溢洪道和左岸泄洪放空隧洞组成。溢洪道采用挑流消能，具有在出流方向与河槽交角大、河床窄、单宽能量集中，水流归槽极为不利特点。通过模型试验，将原方案连续式鼻坎平尾布置改为斜鼻坎布置，使鼻坎成左高右低，左长右短，明显调整水舌入水方向，与河槽方向大体一致，改善水舌归槽水流条件，保证下游两岸的防洪安全[7-8]。虽然挑流鼻坎布置及水力设计参数有明确要求，但由于水利工程特殊性，水力参数不可能完全靠数学分析方法和应用经验公式计算，需要经过水工模型试验论证，确定参数，否则可能产生较大误差。因此，对挑流消能结构布置及水力设计参数优化尤为必要。

本文通过五道库水电站溢流坝水工模型试验,验证原设计方案的过流能力及挑流鼻坎的挑流流量、挑射角度、鼻坎高程、存在的主要问题，优化挑流鼻坎水力设计参数，为设计单位提供技术支撑，保证工程结构合理和运行安全。

1 试验设计方案

1.1 工程概况

伊春五道库水电站总库容为9 509×104m3，水库规模为中型，工程属于Ⅲ等工程，水电站属Ⅴ等工程。主要建筑物拦河坝、溢流坝及坝式进水口为3级建筑物。电站厂房及次要建筑物为5级建筑物。拦河坝、溢流坝及坝式进水口采用100年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核；电站厂房采用30年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。工程主要由碾压混凝土重力坝、溢流坝和坝后式水电站等组成。

重力坝：采用混凝土重力坝，坝长471 m，最大坝高46.20 m，坝顶宽6.0 m，坝顶设1.2 m高防浪墙，坝顶高程303.20 m，防浪墙顶高程304.40 m。上游坡面自高程284.50 m以上为垂直面，高程284.50 m以下为1∶0.15，下游坡面自高程295.20 m以上为垂直面，高程295.20 m以下为1∶0.75。上游坝壳混凝土防渗墙厚1.5m。坝基坐落于弱风化岩石中上部，强风化岩石下限以下2 m，基础设混凝土底板，底板厚2.5 m。

溢流坝：溢流坝布置在主河床，采用砼结构，两侧与重力坝段相接。溢流坝分两孔，单孔净宽8 m，堰顶高程为293.00 m，采用WES实用堰，直线连接坡比为1∶0.75，反弧段半径为11 m。采用挑流消能，挑流鼻坎高程为266.30 m，挑角为20°。

坝后式电站：电站厂房位于五道库河右岸，主要由厂房段、尾水渠段及升压站等分组成。电站厂房内安装三台HLTF75-WJ-81卧式混流水轮机组，三台SFW2667-8/1730发电机，单机容量2 MW，总装机容量为6 MW。厂房水下部分采用钢筋混凝土封闭式结构，水上部分采用砖混结构，屋面采用钢结构保温彩钢板屋面。

1.2 主要内容

提出不同上游水位情况下溢流坝泄流能力、相应泄流能力关系曲线及各种泄流情况水流流态；提出不同堰前水位情况下的闸孔出流的泄流能力，绘制堰前水位～闸门开度～泄流能力关系曲线、出流能力；提出各种泄流情况过堰水面线、堰面压力分布及堰面曲线优化方案；提出溢流坝闸墩优化布置型式；研究各级流量下挑流鼻坎的布置、高程、合理位置进行优化，给出最优挑流鼻坎设计参数，各种泄流情况时挑流鼻坎高程、挑角，反弧半径及下游的冲坑深度、范围和几何形状，起挑流量；在完成验证试验内容基础上，对设计上所存在问题提出优化方案[9]。

1.3 模型设计

五道库水电站坝址溢流坝采用挑流消能，连续式鼻坎平尾布置，堰面为WES实用堰。根据水工模型试验规范、试验内容、试验供水和试验场地等条件，试验模型由供水平槽、库区、溢流坝，下游河道等组成，详见模型布置图1。模型按重力相似准则设计，正态模型，几何比尺1∶50，各物理量[10-11]比尺见表1。

表1 模型比尺统计Table 1 Calculation results of model scale

图1 模型布置Fig.1 Arrangement plan of hydraulic model

模拟范围：河道模拟总长度为800 m，包括坝轴线上游长度约300 m，坝轴线下游长度约500 m，上游模拟地形高程305.00 m以下，下游模拟地形270.0 m高程以下。

模拟溢流坝：原型溢流坝采用常态混凝土，其糙率n=0.014，根据糙率比尺计算模型材料糙率比尺为0.0073，有机玻璃的糙率n=0.008，可满足糙率相似要求，模型选择有机玻璃制作溢流坝模型。

模拟地形：根据坝址地形图进行模型地形制作。为保证在模型上能准确复现天然地形，确保制作精度，采用断面板法制作地形，模型高程用水准仪测控，并在施工过程中分阶段校核，河道表面采用水泥砂浆制作。

局部动床冲刷试验：冲刷池位于挑流鼻坎后，其顺水流方向的轴线与溢流坝中墩轴线重合，冲刷池沿水流方向长3.0 m，与坝轴线平行方向宽1.8 m，深0.7 m。

模型砂选择：根据溢流坝地质报告描述的地质条件并与设计单位分析研究确定，下游河床岩石抗冲流速取用V=4.0 m·s-1，可认为按此抗冲流速开展局部冲刷试验结果安全。

按照伊兹巴什公式计算模型砂粒径:

式中，V是基岩抗冲流速，m·s-1；d是散粒体粒径，m；计算的模型砂粒径d=6.5～12.8 mm，实际选用模型砂的平均粒径为7.2 mm。

1.4 量测仪器与测量方法

流量采用矩形量水堰量测，水面线使用精度为0.1 mm的钢板尺和宾得AL-32型水准仪测量，流速采用螺旋桨光电流速仪测量，时均压力采用内径为6 mm的玻璃管测量，流态用数码相机和摄像机记录，冲淤地形采用测量精度为1.0 mm宾得AL-32型水准仪测量。

2 原设计方案试验成果分析

2.1 试验工况

根据试验要求并与设计单位协商确定，本次试验工况有P=0.1%（校核工况）、P=1%（设计工况）和P=3.33%（30年一遇工况），采用流量控制方法，开展溢流坝泄流能力；堰面曲线优化与挑流水舌及溢流坝下游局部冲刷等内容试验研究。

试验运行工况见表2。

表2 试验运行工况Table 2 Schemes of experiment

2.2 泄流能力

闸门全开和闸门部分开启时，堰前水位～闸门开度～泄流量关系曲线见图2。

图2 堰前水位-闸门开度-泄流量关系曲线Fig.2 Relation curve of water level before dam-gate opening-discharge

闸门全开时溢流坝综合流量系数M按照公式计算[12]：

式中，M-综合流量系数；Q-流量（m3·s-1）；B-溢流堰总净宽，B=16 m；g是重力加速度，g=9.81（m·s-2）；H是堰上总水头；σs是淹没系数，取σs＝1；

在校核水位下，泄流量为1 090 m3·s-1，实测平均综合流量系数M为0.462，大于设计采用的0.456，泄流能力满足要求。实测进口流速2.62 m·s-1和出鼻坎流速流速23.09 m·s-1。

2.3 水流流态和挑流水舌特征值

在设计水位下，过堰水流为堰流，溢流孔左、右两边墩进口有严重绕流现象，边墩内、外水面高差很大，达1.5～2.0 m时，形成很大绕流漩涡。在校核水位下，过堰水流为堰流，进水口闸前水流流态比较紊乱，左右边墩处水流急速转向，形成较大绕流旋涡，边墩内外水面高差很大，在1.5～2.0 m时，下泄水过中墩后汇流，产生较大波动。水流经堰面反弧段底板部断面后挑射，挑流水舌宽度23 m，水舌最高点高程274.13 m，水舌内缘挑距30.2 m、外缘挑距53.0 m。直观水舌形态，挑流鼻坎挑射角偏小，影响挑流消能的效果，水面线测量结果如表3。校核水位下挑流水舌特性表见表4，挑流水舌流态见图3。实测起挑流量为52.02 m3·s-1，终挑流量为42.35 m3·s-1。

表3 水面线测量结果Table 3 Conclusions of the water level

表4 实测水舌特性值Table 4 Measured value of water jets (m)

图3 水舌流态Fig.3 Aspect graph of water jets

2.4 坝下局部冲刷

国内外对基岩挑流冲刷现象的物理模型研究很多，对基本模型律和模拟方法仍无公认结论。多数专家认为，基岩总能由节理裂隙分割成块，岩块在不平衡动水压力作用下丧失稳定而振动拔起，导致冲刷破坏。散粒体模拟法是应用最早，也是目前广泛采用的一种基岩冲刷模拟方法。动床模型用砂、砾、卵石等散粒体铺成，与原型河床地形宏观几何相似，而水流条件则按重力相似准则设计[13-15]。本试验局部动床冲刷池位于挑流鼻坎下游，其顺水流方向的轴线与溢流坝中墩轴线重合，冲刷池沿水流方向长3.0 m，与坝轴线平行方向宽1.8 m，深0.7 m。根据溢流坝地质报告分析确定下游河床岩石抗冲流速取用4.0 m·s-1，模型砂粒径按伊兹巴什公式计算，取值6.5～12.8 mm。试验所取模型砂中值粒径为7.2 mm。

冲刷试验在校核水位工况下，实测最大冲坑深度在21.74 m，比原设计深1.5 m；最深冲坑距鼻坎84.7 m，比原设计多14.6 m；上游坡比1∶6.2，超过规范1∶3～1∶6的上限值。

2.5 坝面时均压力

在溢流坝面右孔中心线上布设15个测压孔，分别为堰顶曲线段布设6个点、堰面直线段4个点，堰面反弧段5个点，在校核水位下，观测坝面堰顶曲线段5个测点出现负压，容易引起混凝土堰面的气蚀破坏。最小值为-22.37 kPa；坝面最大压力值发生在反弧段测点，最大时均压力值为181.70 kPa。

试验结果表明，溢洪道泄流能力满足设计要求，但还存在一些问题，如进水口左右边墩出现绕流漩涡，堰面曲线段部分存在负压，鼻坎挑角偏小，冲刷坑深度加大等，严重影响溢流坝的工程安全和效益。

3 优化设计方案与试验成果分析

3.1 优化设计方案

针对存在的问题，对溢流坝体型进行优化，优化方案与原设计方案相比，主要做了如下改动：①左右边墩的上游进口端由原设计方案的1/4圆弧修改为1/2圆弧，中墩尺寸无变化，左右闸孔净宽仍为8.0 m。②将幂曲线下游直线段的坡比由1∶0.75修改为1∶0.80，溢流坝段长度向下游方向延长，挑流鼻坎桩号由原设计方案坝轴0+035.780 m延伸至坝轴0+039.225 m。③反弧半径由原设计方案的11.0 m增大至12.0 m，挑角由20°增大到25°，挑流鼻坎高程由266.30 m提高到266.60 m。优化方案溢流坝体型参数结果见表5。

表5 参数优化结果Table 5 Results of optimization

3.2 优化成果分析

优化成果表明，溢流坝进口段、曲线段、直线段、反弧段及挑流鼻坎等体型布置合理，水流流态平稳，直观水舌形态较好，坝面出现负压范围和数值明显减少且符合规范要求，泄流能力增强，满足工程设计要求。

水流流态：工况一时，两孔全开，进水口段水流流态较好，进流对称，水流在闸墩墩头绕流后形成脱流，闸室内闸墩墩头内侧水面略低于模型上同桩号的闸墩外侧水面，相差1.0～1.5 m。两边墩墩头，未出现明显的绕流漩涡，此处的水流流态较原设计方案有明显改善。堰顶流速与水深分布较均匀，左右两侧边墩的绕流漩涡消失，水流流态得到明显改善。在校核水位时，过堰水流为孔流，水流流态与原设计方案相比无明显变化。优化方案的泄流量为1 085 m3·s-1比原方案泄流量大24 m3·s-1，溢流坝进口形式，中墩形状及堰型设计等均满足泄洪要求。

挑射水舌：水舌出鼻坎后，向下游挑射，表观水舌形态较好，未出现水花横向飞溅现象。实测水舌最高点高程276.63 m比原方案高2.5 m；水舌内缘挑距41.1 m，比原方案多10.9 m；水舌外缘挑距56.2 m，比原方案多3.2 m；出鼻坎流速23.11 m3·s-1比原方案多0.4 m3·s-1，射流在空中的时间变长，有利于射流能量的消减，减少对下游河床的冲刷。实测起挑流量为74.60 m3·s-1，终挑流量为59.71 m3·s-1。

局部冲刷试验:校核流量时冲坑最深，实测冲坑最深点高程243.90 m比原方案高1.1 m，最深冲坑距鼻坎85.5 m比原方案多0.8 m。减小冲坑反坡，利于鼻坎基础的稳定。冲坑上游坡比为1∶5.63，冲刷坑上游坡度T/L值均在1∶3.0～1∶6.0的合理范围之内，满足规范要求。

时均压力：溢流坝直线段和反弧段的时均水压力与原方案基本相同，坝面曲线段的负压范围和负压值明显变小，最小值-12.9 kPa，测得的负压值均小于0.06 MPa，符合规范要求，避免溢流堰面混凝土气蚀破坏。优化方案时，在坝面右孔中心线布设16个测压孔。坝面最大压力发生在测点14#附近，此区域位于溢流坝面的反弧段，最大时均压力为151.49 kPa。工况一为闸门全开状态，工况二和工况三为闸门部分开启，工况一时在测点4#、5#、6#出现负压，负压最大值为-12.87 kPa，负压值＜0.06 MPa，符合参考文献[12]要求。

4 结论

五道库水电站溢流坝水工模型试验泄洪消能、体型优化部分共进行两个方案试验（原设计方案和优化方案），通过实测数据对比分析得到以下主要结论：

水流流态及水面线：优化方案与原设计方案相比，优化方案左、右边墩墩头两侧的绕流漩涡消失，进口水流流态得到明显改善；挑射水舌的内缘挑距和挑射高度均明显增大，水舌形态更好；两个方案各工况下过坝水面线平稳，均未发生水花飞溅到边墙外现象，各测点处设计边墙顶高程均超出校核工况水面高程0.5 m以上，边墙顶高程满足设计要求。

泄流能力：在校核水位时，优化方案的泄流量为1 085 m3·s-1，超泄洪水24 m3·s-1，泄流能力满足设计要求。

流速：优化方案与原设计方案相比，优化方案鼻坎处流速略有增加，对提高内缘挑距和挑射高度有利。

时均压力：优化方案与原设计方案相比，优化方案坝面时均压力负压范围明显变小，负压值变小，对避免溢流坝面混凝土气蚀破坏有利。

局部冲刷：冲刷试验选用的抗冲流速较小，可以认为局部冲刷试验结果偏于安全；各试验工况下，优化方案的T/L值为1∶5.63～1∶5.27，在规范规定1∶3.0～1∶6.0的允许范围之内，满足要求。

校核水位下，流量低于起挑流量74.60 m3·s-1时形成贴壁流，对鼻坎稳定不利，建议对鼻坎基础加强防护；溢流坝面小部分出现负压，为防止混凝土气蚀破坏，应确保挑流鼻坎的施工质量，严格控制好平整度。各工况下，推荐方案溢流坝出鼻坎平均流速为22.59～23.11 m·s-1，均＞20 m·s-1，为防止混凝土气蚀破坏，应确保施工质量，严格控制好平整度。受下游河流流向影响，挑射水流可能会造成下游局部冲刷，建议对下游进行适当防护。

溢流坝采用WES实用堰的挑流消能型式，流态复杂，根据工程实际地形地质条件和工程规模大小，调整幂曲线下游直线段的坡比、增加反弧半径、提高挑流角度和挑流鼻坎高程，最佳方法是通过水力计算，结合水工模型试验论证实施，减少损失。

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Study on optimizing of flip bucket at Wudaoku hydropower station'soverflow dam/

ZHANG Shubin,CHANG Junde,TIAN Zhenhua(Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute,Harbin 150080,China)

Flip bucket has heavy effect on the safety and working benefit of the reservoir,which is one of the important parts of overflow dam's trajectory energy disipation.The paper verified and adjusted the original design by Wudaoku hydraulic model test.The results show that compared with the original design scheme,water flow regime of inlet section and pressure of weir surface was significantly improved,jet height and inner jet trajectory length were sharply increased.The adjustment that included optimizing weir surface curve and flip bucket parameters was reasonable and beneficial to dam's structure.The acquired conclusions can be provided to a strong technical support for designing and a referrence for similar project.

overflow dam;flip bucket;hydraulic model test;optimal design;jet radius

S767.5；X172

A

1005-9369（2014）06-0122-07

时间 2014-6-11 16:06:36 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140611.1606.004.html

张术彬,常俊德,田振华.五道库水电站溢流坝挑流鼻坎优化试验[J].东北农业大学学报,2014,45(6):122-128.

Zhang Shubin,Chang Junde,Tian Zhenhua.Study on optimizing of flip bucket at Wudaoku hydropower station's overflow dam[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(6):122-128.(in Chinese with English abstract)

2012-10-24

黑龙江省科技攻关项目（GC12A301）

张术彬（1965-），男，高级工程师，研究方向为水工、水力学。E-mail:szswjzsb@163.com