“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能在大华桥水电站的设计应用

丁浩铎

摘 要：本文讲述了“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能工在澜沧江大华桥水电站泄洪表孔设计中的应用。大华桥水电站泄洪表孔体型包括敞式WES曲线溢流堰、1：0.70的台阶斜坡、反弧段和戽式消力池，宽尾墩设计为Y型。经模型试验验证，Y型宽尾墩收缩比在0.45时，挑射水舌纵向拉伸充分、形态稳定且掺气效果好；戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2时尾坎后下游水面涌动明显减弱，流态更趋于稳定。体型优化后，大华桥水电站泄洪表孔布置能够满足枢纽泄洪运行需要。

关键词：大华桥水电站 宽尾墩 台阶坝面 戽式消力池 计优化

1.工程概况

大华桥水电站位于云南省怒江州兰坪县兔峨乡境内的澜沧江干流上，是澜沧江上游河段的第七级电站，该电站为碾压混凝土重力坝，泄水建筑物级别为2级，最大坝高106m，多年平均流量925m3/s，总库容3.15亿m3，电站装机容量900MW；其拦河坝坝顶高程为1481m，最大坝高106m，坝顶宽度11m，坝顶轴线长度231.5m，其中，泄洪表孔坝段长度91.5m（5孔），采用“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合效能形式并集中布置在主河床，以便水流原位归槽，减少对岸坡的冲刷。

2.初步设计及优化

2.1泄洪表孔初步设计

2009年，北京国电水利电力工程有限公司完成了大华桥水电站初步设计工作，其中：

（1）挡水、泄水建筑物正常运用洪水重现期（即设计洪水）采用500年一遇，相应洪峰流量为11600m3/s；非常运用洪水重现期（即校核洪水）采用2000年一遇，相应洪峰流量为13700m3/s；消能防冲设施：正常运用洪水重现期为50年一遇，相应洪峰流量为8300m3/s。

（2）泄洪表孔采用5孔13.5×17m的开敞式溢流堰，堰顶高程1460.00m，采用“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”消能方式；每孔泄洪表孔上游坝面为铅直面，堰顶上游段堰面曲线采用三心圆曲线，堰顶下游面曲线采用开敞式溢流堰堰面曲线（堰面曲线方程为y=0.047366x1.85，起点高程为堰顶，末点高程为1439.397m，桩号为下0+029.189），颜面曲线后接1：0.80掺气槽，掺气槽末端与1：0.70的台阶斜坡段相切连接，台阶斜坡段后接反弧段和戽式消力池，Y型宽尾墩收缩比0.43。

2.2初步设计优化

大华桥水电站水工整体模型试验由北京国电水利电力工程有限公司委托西安理工大学水力学所实施。西安理工大学水力学所需根据初步设计方案模型试验结果对溢洪表孔总体布置及体型修改意见，并提出优化方案。

2.2.1模型试验

①模型比尺：大华桥水电站水工模型制作比尺为1：80，由模型试验基本理论可知，模型内的水流流态处于紊流平方区，故阻力处于自模拟区，因此模型试验只需满足重力相似准则即可。

②模型制作：模型溢洪道均采用透明有机玻璃进行制作，糟率满足模型相似率，且易于观察流态；试验范围为上游电站进水口上游280m至下游坝轴线下游710m，模型沙粒径采用公式V=（5～7）d0.5进行计算；供水、稳水、量水系统等满足模型试验要求。

2.2.2初步设计方案试验结果

经模型试验验证，泄水建筑物的泄流能力符合并满足设计要求，堰面曲线、消能工整体设计合理，局部仍需修改，具体结论如下：

①为保证堰面部位流态的稳定以及牛腿结构合理可行，5#表孔边墩向上游延长处理不宜过长，宜控制在9m以内。

②原方案宽尾墩收缩比较小、水舌较细，略有下垂，与类似工程相比不甚理想，建议对收缩比调整为0.45，对宽尾墩的长度，高度进行优化研究。

③原方案戽池尾坎高6m，下游水面线波动仍较大，建议对消力池尾坎进一步降低进行试验研究。

3.优化方案体型及试验成果

3.1优化方案体型

针对原设计方案的不足，经多次体型修改，最终优化泄洪表孔体型如下：

3.1.1边墩体型

边墩墩头缩回至坝上0+008.50m，边墩墩头曲线为1/4椭圆，椭圆曲线方程为（x2/42）+（y2/62）=1，具体如图4所示。

3.1.2宽尾墩体型

中孔宽尾墩末端顶高程抬高至1463.50m，边孔宽尾墩则将外侧墩抬高至1464.00m，内侧墩抬高至1462.00m；考虑到抬高宽尾墩末端顶高程会影响到泄流能力，并且会使水流触及闸门支座底缘，优化方案中将宽尾墩收缩比ε增大至0.45，则中墩墩厚为3.71m；边孔宽尾墩的体型仍采取不对称布置型式，其中外侧墩厚取4.213m，内侧取3.213m，体型如图5.1～5.2所示。

3.1.3戽池尾坎体型

保持保持戽池坡度1：2.0不变，将尾坎高程调整至1390.00m，尾坎顶部平面宽度调整为3m，具体尾坎体型见图6。

3.2优化方案试验成果

3.2.1泄流能力

泄流能力满足设计要求：在2000年一遇（大坝校核）洪水位、500年一遇（大坝设计）洪水位和200年一遇（厂房设计）洪水位工况下，表孔实测泄流量分别为11995m3/s、10263m3/s、9895m3/s，与设计泄流量的相对差值分别为-1.28%、0.20%、1.24%。

3.2.2流态

在进行宽尾墩优化后，挑射水舌上沿落点更远，水舌下垂趋势也得以明显缓解；在消力池尾坎降至1390m高程后，戽式消力池末端及附近下游水面涌动明显减弱，流态更趋于稳定。

3.2.3壁面压力

堰闸段局部有负压，其中2000年一遇洪水在坝0+000.00断面压力最小，为-0.20m；宽尾墩壁面压力最大值约处在宽尾墩锐形迎水面尖角处，最大值不超过11m水头，整个宽尾墩上无负压产生；台阶溢流坝面位于水面线以上处压力最大值不超过8m水头，位于水面线以下处在10～37m水头变化；反弧段壁面压力沿程增大，压力最大值出现在2000年一遇洪水和500年一遇洪水工况，位于反弧段末端坝下0+071.40m处，压力均为47.86m。

3.2.4流速

表孔WES堰面段各测点相应位置临底流速最大值出现在500年一遇洪水工况，位于坝下0+026.40m断面，其值为19.6m/s；在台阶溢流面段临底流速最大值出现在500年一遇洪水工况下，位于坝下0+040.55m断面，其值为27.3m/s；从坝下0+080.00m、坝下0+107.60.00m和坝下0+120.00m三个断面的临底流速对比来看，最大临底流速出现在50年一遇洪水时坝下0+080.00m断面消力池左侧，其值为19.5m/s，表面流速多为负值，一般为-1～-3m/s，最大值为-5.3m/s，出戽水流表面流速大下部流速小，有利于减轻河床冲刷。

4. 小结

本文详细讲述了澜沧江大华桥水电站泄洪表孔“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能工的体型设计及优化，优化方案经模型试验验证，各项水力参数均能满足设计要求，能够应用于工程实际。在进行“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能工设计时，主要需注意以下两点：

（1）宽尾墩收缩比ε是体型设计的关键。恰到好处的收缩比ε能够使挑射水舌纵向拉伸充分、形态稳定且掺气效果良好，是保证泄洪表孔流态控制的关键；经模型试验验证，大华桥水电站泄洪表孔宽尾墩收缩比ε=0.45选取较优。

（2）戽式消力体型设计合理则能改善消力池后水面涌动，从而减轻对下游河道和岸坡的冲刷。大华桥水电站泄洪表孔优化方案戽式消力池末端坎高5m、坡比1：2时尾坎后下游水面涌动明显减弱，流态更趋于稳定。

参考文献：

[1]姬春利，刘韩生，等.沙沱水电站宽尾墩联合消能工的应用研究[J].中国农村水利水电，2008年第9期：106-109.

[2]刘金星，杨敏.东庄水利枢纽表孔宽尾墩水力特性研究[J].水资源与水工程学报，第25卷第6期，2014：187-191.