三河口水利枢纽泄洪消能布置优化

赵 玮 周春选

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

三河口水利枢纽是陕西省内跨流域调水工程——引汉济渭工程的两个水源工程之一，是整个引汉济渭工程的调蓄中枢，工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大（一）型。枢纽地处汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的子午河中游峡谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交汇口下游2km处。坝址处属秦岭山脉典型峡谷区，河谷宽度50m～100m之间，河谷狭窄，坝址岩体主要为变质砂岩夹薄层结晶灰岩，河床砂卵石覆盖层厚6m～8m，地质条件较好。

三河口水利枢纽拦河大坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高145m，坝顶宽9m，坝底厚37m，坝顶上游弧长500.9m。水库正常蓄水位643.0m，水库总库容 7.1亿 m3，调节库容 6.5亿 m3，枢纽500年一遇设计洪水下泄流量6610m3/s，2000年一遇校核洪水下泄流量7580m3/s，50年一遇消能防冲下泄洪水流量为4560m3/s。

2 泄洪建筑物布置

三河口水利枢纽坝址区河谷狭窄、岸坡陡峻，参考国内已成高拱坝泄洪建筑物的布置，结合本工程泄洪流量大、泄洪水头高、泄洪功率大的特点，经多方案研究比选论证，设计采用“坝身分层出流、水垫塘消能”的布置型式，泄洪落水区沿着河道纵向拉开，又有横向的扩散，采用分散泄洪、分区消能。坝身泄洪采用表孔+底孔泄洪布置，表孔作为主要泄洪设施泄洪，底孔除了承担泄洪任务、在施工期参与导流外，同时具有在特殊情况下放空水库的功能。

泄洪表孔的布置尽可能利用主河床段宽度，3孔布置，孔口尺寸为15m×15m（宽×高，表孔堰顶高程628.0m，最大泄洪流量6020m3/s，与底孔联合可宣泄2000年一遇洪水。

泄洪底孔采用2孔左右对称布置，可有效地分担泄洪任务，特别是工程运行期宣泄常遇洪水，运行安全可靠。底孔进口高程550.0m，孔口尺寸4m×5m（宽×高），能有效分担表孔的泄流压力，其最大泄洪流量1560m3/s。

表1 近年来建设的碾压混凝土拱坝泄洪能量比较表

为使枢纽下泄洪水能够充分消能，减轻水流对坝脚及下游河床和两岸坡的冲刷，保证大坝和边坡稳定安全，在大坝下游设置宽70m、长200m的消力塘，在下泄洪水消能区形成人工水垫塘，保证下泄洪水的效能效果。

3 泄洪消能布置优化研究

三河口水利枢纽由大坝（坝身设泄洪放空系统）、坝后引水系统、抽水发电厂房和连接洞等组成，承担调蓄水量、供水、抽水、发电和防洪等任务，枢纽功能多、布置复杂。拦河大坝为碾压混凝土高拱坝，在国际、国内同类大坝中高度位居第二、大坝泄洪流量和泄洪功率均居第一（见表1）。

根据枢纽坝址处地形、地质条件，结合枢纽功能和建筑物多，经过比较和论证，枢纽采用坝身泄洪是合理、经济的。由于泄洪建筑物布置集中、河谷宽度狭窄，表孔和底孔下泄水流落差大、落点集中，甚至叠加，使得下游水垫塘内水流消能不够充分，入射水流流速大，对水垫塘底板冲击力大，影响水垫塘的结构安全。因此，必须研究有效方式，优化泄洪效能建筑物体型，使得下泄水流在空间上尽量均匀分散落入水垫塘内，消能更充分，同时降低水垫塘底板压力。

3.1 表、底孔泄量分配

泄洪建筑物泄量分配，对水库枢纽的运行、效益和消能效果等均有较大型影响。三河口水利枢纽表、底孔泄量分配按照以下原则进行：宣泄常遇洪水时，优先开启底孔泄洪，宣泄大洪水时，先将底孔全部打开，表孔局部或全部开启泄洪。因此，底孔泄洪能力的大小选择成为关键，设计通过对不同孔数和孔口尺寸的经济技术综合比较，一是考虑碾压混凝土拱坝坝体填筑要求，不宜出现较大孔口影响坝体结构安全和施工进度；二是底孔独立泄洪时水流对水垫塘底板的冲击压力不能过大，不能超过其允许值；三是底孔尽可能增加泄量，分担表孔泄洪压力，同时也能够在施工导流期和特殊情况下放空水库有足够的过流能力。通过多方案研究比选后，确定表孔和底孔泄量分配如表2，和国内同类工程底孔占总泄量15%～40%相比，底孔泄量分配合理。

3.2 表、底孔体型优化布置

许多拱坝枢纽坝泄洪采用表孔大差动齿坎，底（中）孔窄缝扩散，表、底（中）孔分层出流，使得下泄水舌落水位置互相错开，消减射流的集中强度，并在下游设水垫塘来集中消杀下泄水流能量，工程实践证明，这是一种既安全又经济的泄洪消能方式。三河口水利枢纽泄洪功率高达7923MW，采用上述方式后，仍然不能满足要求，需进一步分析研究，进行体型优化调整。

经分析研究，对表、底孔体型设计进行了多次优化调整，并进行了水工模型试验验证。最后布置体型根据下泄水流水舌落点，对3孔泄洪表孔的体型进行了优化，即左、右表孔出口进行了采用设置大俯角跌坎加分流齿坎的形式，中表孔采用横向扩散的舌型挑坎。其中，左表孔坎槽宽度均为7.5m，齿槽俯角45°，齿坎反弧半径20m，挑角0°，齿坎出口高程611.17m，齿槽末端加设舌形折坎，出口高程602.89m；右表孔坎槽宽度均为7.5m，齿槽俯角10°，齿坎反弧半径18m，挑角10°，齿坎出口高程611.70m，齿槽末端末端加设舌形折坎，出口高程603.31m；中表孔采用舌型扩散挑坎，宽度15m，末端为圆弧+折流挑坎，挑坎反弧半径20m，起挑角度为32.5°，同时左侧边墙向外各扩散，末端宽度增大至16.5m。

表2 三河口水利枢纽坝身表、底孔泄量分配表

图1 三河口水利枢纽泄洪建筑物布置简图

图2 三河口水利枢纽校核洪水工况水位水舌轨迹简图

两个底孔相间布置在三个泄洪表孔中间，孔口尺寸4m×5m（宽×高），出口采用带跌坎的窄缝挑流消能工，挑坎高程为549.0m，为了避免水舌向心集中，窄缝收缩采用不对称式宽尾墩，内侧收缩1.75m，外侧收缩1.25m，内侧收缩角大于外侧，收缩段长度为5m，收缩比0.4，见图 1。

4 模型验证

4.1 水流归槽及流态

根据水工模型试验成果，在泄洪表孔全开运行时，边表孔水舌分为上、下两层，中表孔则为单层横向扩散水舌，各层水舌挑距各不相同。中表孔水舌最高，挑距也最远，横向扩散宽度几乎与水垫塘底宽相同；左、右表孔水舌挑距稍近，位于中表孔水舌之下，扩散宽度各占水垫塘的一半左右。各股水舌落水位置互相错开，挑距均不相同，有效对下泄洪水进行了空间分散。

底孔在宽尾墩的作用下，底孔水舌呈直线纵向拉开，侧面呈扫帚状各水位下水舌挑距相差不大，可见水舌外缘挑距135m左右，内缘挑距25m左右，纵向入水长度约110m，两孔水舌接近平行，没有产生向心集中现象，见图2。

4.2 水垫塘底板压力特性

泄洪底孔出口采用不对称宽尾墩的形式，中表孔采用横向扩散的舌型，左、右表孔采用大俯角跌坎加分流齿坎的措施，通过设计和水工模型试验的验证，该布置形式有效将下泄水流切割为不同挑射角度的水舌，控制水流落入消力塘预定位置，大大降低了水垫塘内的动水压力。经试验，在各种运行工况下，该方案水垫塘底板最大冲击压力10.5×9.81kPa，小于规范建议的15×9.81kPa压力的要求；在设计洪水工况下水垫塘底板脉动压力强度最大值61.74kPa，其余工况均小于60kPa，与国内同类工程相当。

因此，在各种运行工况下，枢纽泄洪时，水流对消力塘底板压力均满足受力要求，枢纽泄洪安全的，消能是充分的。

5 结语

三河口水利枢纽大坝为碾压混凝土双曲高拱坝，是目前国内在建碾压混凝土拱坝第二高坝，枢纽泄洪总功率7923MW，居国内第一，工程任务多，建筑物布置复杂，坝址区内河谷狭窄，岸坡陡峻，设计采用坝身表、底孔平面相间布置、联合泄洪的方式，坝身表孔和底孔泄洪按照纵向分层拉开、横向单体扩散、总体分散归槽的原则和方法，通过表、底孔的体型优化调整，保证了枢纽泄洪消能安全。这与与其他类似工程既具有相似的地方，亦具备自己的独特之处，为以后类似工程的泄洪效能设计提供了有实用价值的参考。陕西水利

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