新疆阜康抽水蓄能电站下水库泄洪排沙洞消能工优化试验研究

刘　锦，张晓莉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



新疆阜康抽水蓄能电站下水库泄洪排沙洞消能工优化试验研究

刘锦，张晓莉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

针对新疆阜康抽水蓄能电站下水库泄洪排沙洞消能工进行了优化试验研究，通过多种方案的对比分析，最终推荐方案鼻坎体型简单，使水流导向河床中部，并且充分扩散，增大了落水面积，大幅度地减轻了下游河床冲刷。

泄洪排沙洞；鼻坎；冲刷

泄洪消能，是关系到水利水电工程安全运行和经济效益的重要问题[1]。如果泄流消能问题处理不好，不仅将在下游河床产生严重的冲刷，而且会造成恶劣的流态，影响枢纽中其它建筑物的正常运行，甚至会危及大坝的安全[2]。泄洪兼导流洞是水利工程中常用的泄水建筑物，由导流洞改造成泄洪兼导流洞是实际工程中常见形式，泄洪中常遇到的问题之一是下游冲刷[3]。采用挑流消能工，在中国大中型水库泄洪消能中已被广泛应用，实践证明效果良好[4]。本文以水工模型试验为主要手段，以实际工程为背景，研究了阜康抽水蓄能电站泄洪排沙洞的出口消能问题，经过多种方案的试验比较研究，提出的圆弧导向挑流鼻坎，较好地解决了泄洪消能问题，并且降低了施工难度[5]。

1　工程概况

阜康抽水蓄能电站位于新疆昌吉州阜康市境内，为纯抽水蓄能电站，下水库正常蓄水位1 775.00 m，死水位1 743.00 m，水位变幅32 m，正常蓄水位以下库容777.5万m3，调节库容665.3万m3，电站装机容量1 200 MW。该工程挡水和泄水建筑物按200年一遇洪水设计(Q=228 m3/s)，1 000年一遇洪水校核(Q=315 m3/s)，泄水建筑物下游消能及防护工程按100年一遇洪水(Q=194 m3/s)设计。

下水库枢纽建筑物布置由混凝土面板堆石坝、拦沙坝、泄洪排沙隧洞(兼施工导流)、深孔泄洪放空隧洞和进出水口等组成。

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》及GB50201-2014《防洪标准》的有关规定[6-7]，该工程等别为Ⅰ等大(1)型工程。根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》中相关抽水蓄能电站规定[6]，并考虑该电站的重要性和工程投资。泄洪排沙洞(兼导流)采用无压进水口，坝顶高程1 813.50 m，进口长度20 m，宽度6 m，底板高程1 800.00 m，进水口设有1道平板工作门，孔口尺寸为6.0 m×10.5 m(宽×高)，其后泄0+020.000 m～泄0+060.000 m之间为渐变段。无压洞洞身总长度1 400.00 m，断面为城门洞形，按底坡不同分为2段：第1段为泄0+020.000 m～泄0+528.225 m，底坡i=0.02，由3段组成：① 进口直线段，自隧洞起始端至平面转弯起点，洞长264.89 m；② 平面转弯段，转弯半径150 m，转角59.607°，洞长156.05 m；③ 直线段，洞长87.285 m，洞底末端高程1 789.835 m。第2段为泄0+528.225 m～泄1+420.000 m之间坡度较陡的直线段隧洞，底坡i=0.11207，隧洞末端出口高程为1 692.00 m。出口泄槽和挑流鼻坎段长110 m，反弧半径20 m，挑角18°，坎顶高程为1 692.98 m。泄洪排沙洞(兼导流)布置见图1。

图1　泄洪排沙洞(兼导流)布置图　　单位：m

2　模型设计

依据SL155-95《水工(常规)模型试验规程》，模型按重力相似准则设计[8-9]，根据试验要求、原型水流特性结合试验场地等条件，确定模型几何比尺为λL=80，则相应的其它水力要素比尺为：

压力比尺，λP=λL=80；

3　原方案消能工存在的问题

根据DLT5195-2004《水工隧洞设计规范》 有关规定[10]：隧洞内高低流速界线为20 m/s。阜康电站下水库校核洪水和设计洪水时[11]，泄洪洞洞身出口断面(泄1+420.000 m)流速分别为29.1、26.1 m/s，鼻坎起点处(泄1+519.200 m)流速分别为25.7、24.9 m/s，洞身陡坡段为急流，挑流鼻坎处流速较大。

泄洪排沙洞在设计水位时[11]，上下游最大水头差高达126 m，而下水库消能区覆盖层厚30～65 m，抗冲流速仅2～3 m/s，在高速水流的冲击下，原方案采用的挑流鼻坎水流集中，挑射角较小，挑射水流落点靠近鼻坎基础和左岸边，导致鼻坎基础和左岸边局部冲刷严重。

4　优化试验

试验针对泄洪排沙(兼导流)洞原方案挑流鼻坎“水流集中，挑射角较小，水舌落点靠近左岸边”的问题进行了优化。

4.1修改方案1

首先，试验将泄洪排沙洞洞身出口(泄1+420.000 m)下游段泄槽底板修改成平底板，底板高程1 692.00 m，平面上两侧开挖坡脚线以±2.95°的偏折角向左右侧呈喇叭口扩散，至泄槽出口末端均以半径30.0 m的圆弧连接导向右侧，左、右坡脚线起弧点位置分别是泄1+513.600 m和泄1+482.700 m位置，末端位置分别在泄1+536.390 m和泄1+504.300 m位置，出口断面左长右短，底板末端设计成1∶2的倒坡，出口高程1 695.00 m，称之为修改方案1(图2)。

图2　修改方案1鼻坎体型图　　单位：m

试验观察发现：修改方案1在下泄小于100年一遇洪水时，出槽水流不能顺利起挑；设计洪水时，泄槽左侧水流在左边坡出口圆弧的导向下右转落至下游河道，水舌落点远离左岸边，左岸边基本没有冲刷，但是主流落点集中，冲坑较深；由于右侧开挖边坡出口圆弧半径偏小，泄槽水流脱离圆弧边界仍沿着泄槽主流方向下泄。

4.2修改方案2

从修改方案1的试验结果可以看出，泄洪排沙洞右侧开挖边坡出口圆弧半径过小，对槽内水流没有起到有效的向右导向作用，而泄槽左侧水流沿左开挖边坡壅高，出槽水流过于集中，没有形成扩散状，导致下游河道冲刷坑较深。针对方案1存在的问题，进行了优化改进，将左侧开挖边坡末端圆弧段设计成前缓后陡的扭面，泄槽出口处为垂直边墙；将右侧开挖边坡末端圆弧起点从泄1+482.700 m上移至泄1+450.240 m，圆弧半径从30 m加大至100 m，以达到使泄槽内水流向右侧扩散的效果。

通过试验放水发现，在校核水位和设计水位时，泄洪排沙洞鼻坎左侧边墙上方的部分挑流水舌在出口直墙的导向下向右翻转，在水舌上方形成1层较薄的扇形水舌，水舌落点范围扩大，减轻了对下游河道的冲刷。但是在下泄设计标准以下洪水时，洞内水深较浅，流速小，水流在出口末端倒坡的作用下挑向下游河道，出流集中不能形成扩散状，且水舌落点距离鼻坎基础近，对基础安全形成一定威胁。

4.3修改方案3

前2种修改方案存在的共同问题是，出槽水流左厚右薄，主流集中在左侧，为调整出槽水流的均匀性，试验将泄槽左边墙圆弧半径加大至R=180 m，洞身陡坡(i=0.112 07)末端延长至泄1+475.090 m位置(该断面底板高程为1 685.83 m)，从该位置起左边墙坡脚线逐渐升高，末端高程1 689.83 m，右侧边墙坡脚线高程保持1 685.83 m不变，从而使泄1+475.090 m下游底板形成一个三角斜扭面。

从试验观察看，虽然方案3左边墙坡脚线高程沿程升高，但是出槽水流没有达到预想的“均匀出流”的效果，水流仍然是左厚右薄，而且水舌挑距较短，扩散效果不好。

4.4修改方案4

从修改方案1到修改方案3泄洪排沙洞出口泄槽底板呈“喇叭形”外扩，导致泄洪排沙洞出流水深减小，流速降低，从而导致“水舌挑距近，落点横向宽度大”等问题。从“增大出口流速”的思路出发，试验将泄洪排沙洞出口泄槽修改成与洞身等宽(B=6 m)的明渠出口，通过在左侧边墙末端加曲面贴角形成扭曲鼻坎来调整射流方向。

试验过程中尝试了不同曲率半径、不同高度和不同倾斜度的曲面贴角，但是都不能成功地将水舌向右导向形成空中立面扩散形态，水舌主流仍然沿洞身陡坡段轴线方向，因此决定放弃曲面贴角方案。

4.5修改方案5(推荐方案)

前4种修改方案共同特点是泄槽主流沿着洞身陡坡段轴线方向，水舌落点距离左岸边较近，且落点集中。

试验从改变水舌方向出发，采用圆弧导向鼻坎，将明渠左边墙出口段以圆弧向右导向，增大水舌与主河道之间的夹角，使其落点尽量位于河道中间，远离左岸坡。通过多次调整比较，提出修改方案5体型(见图3)，出口明渠两侧边墙自泄1+519.200 m处起弧，左侧圆弧半径R=25 m，右侧圆弧半径R=19 m，角度均为α=51.63°，出口左侧边墙加一平面贴角，用以抬高右侧水流，平衡离心惯性力[12]，贴角末端最高点高度2.4 m，水平最大投影宽度3.0 m，考虑到小流量的起挑，底板出口右侧加1个1∶2的倒坡，出口高程1 683.28 m。

由试验观察，在左边墙导向和贴角的共同作用下，5 a及其以上洪水挑坎中部及左侧出挑水流向右翻卷，右侧水流仍沿纵向挑入河床，形成了上下分层兼横向扩散的复合型水舌形态[13]，水舌与主河道夹角约70°左右，出槽水流方向基本垂直于岸坡，冲刷坑范围远离左岸边，鼻坎基础没有遭到冲刷(100 a洪水水舌流态见图4)；5 a以下洪水泄槽水流沿右侧倒坡挑入河床，鼻坎基础有轻微冲刷，但是由于洪水流量较小，冲刷坑范围很小，冲坑很浅。

图3　推荐方案5鼻坎体型图

综合比较后[14]，认为修改方案5鼻坎体型简单、水舌形态好、冲刷范围远离左岸边，且出口泄槽段开挖范围小，解决了原挑坎水舌冲蚀岸坡和淘刷坡脚的问题，将其作为试验推荐方案。

图4　推荐方案 100年洪水 流态图

5　结　语

挑流消能问题是水力学中研究的一个重点问题，本文结合阜康水电站的实际工程情况，对其泄洪泄能问题进行了研究，对泄洪洞出口挑坎进行方案比较，优选出一个适合本工程泄洪消能要求的圆弧导向鼻坎[1]，该鼻坎充分利用了高速水流容易导向及下游河道宽阔的特点，有效控制水舌落入河床的位置和范围[15]，使水流导向河床中部，并且充分扩散，增大了落水面积，大幅度地减轻了下游河床冲刷,避免了岸坡遭受严重冲刷，很好地解决了工程消能难题，可为同类型工程提供参考。

虽然挑流消能是一种比较经济且施工方便的消能方式，但不同的工程挑坎处河道及岸坡地形条件各异[16]，运行中可能存在不同程度的淘刷岸坡或局部冲刷等问题，高水头水电站这类问题尤为突出[17]。因此具体工程应参考已建工程原型观测结果，根据工程实际情况，结合水工模型试验论证才能为工程选用合理可行的方案。

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Study on Optimization Test of Energy Dissipator of Flood Discharge and Sand Sluicing Tunnel,Fukang Pumped Storage Power Plant

LIU Jin, ZHANG Xiaoli

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China)

Studies of the optimization tests of the energy dissipator of flood discharge and sand sluicing tunnel, Fukang Pumped Storage Power Plant, are performed. Through comparison and analysis of several schemes, the finally recommended scheme features simple bucket in term of outline to have water flow be guided toward the center of the riverbed and fully spread. This increases the falling area and largely mitigates scouring to the downstream riverbed.Key words: flood discharge and sand sluicing tunnel; bucket; scouring

1006—2610(2016)04—0026—04

2016-03-10

刘锦(1980- )，女，西安人，高级工程师，主要从事水工模型试验工作.

TV653

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.007