汉江旬阳水电站泄洪消能方案研究

胡 明

(成都市李家岩开发有限公司，四川 成都 0000000)

1 概述

在坝工设计中，泄洪消能是重要的研究课题。低水头、大单宽流量泄水建筑物的消能问题是中小型水利水电工程常见问题。工程的显著特点是水头低，下游水位变幅大，来水随季节变化明显，由于流速小，佛劳德数低，采用常规消能工消能效率较低，甚至危及建筑物的安全消能问题突出。

对于低水头、大流量、低佛劳德数的水利枢纽，近年来采用的消能形式有：在消能过程中采用辅助消能工增加消能效果，如在消力池内设置较高的T型墩或设置消力坎消能；改变常规消能工的出口条件，通过水流扩散、收缩或碰撞增加消能效果；在采用常规消能方式消能前通过水流收缩或扩散提前消除一部分能量，如采用宽尾墩等。

2 工程概况与模型设计

2.1 工程概况

旬阳水电站是汉江干流规划7个梯级中的第5级电站，位于陕西省旬阳县城南约2km，上距安康水电站65km，下距丹江口水电站约200km。

旬阳水电站为100年设计(Q=27400m3/s)，1000年校核(Q=32600m3/s)，相应水位为240.25m和243.28m，总库容3.25亿m3。最大坝高58m，坝顶高程247m，正常蓄水位241m，死水位239m，汛期排沙水位233m。

2.2 模型设计

根据模型试验任务与要求，模型按重力相似准则设计，选用几何比尺为1∶100。按此比尺，模型试验的水深、雷诺数均满足阻力自相似与表面张力影响可忽略的条件。

模型截取范围的原则为：上游河道纵向模拟长度为1000m，下游河道纵向模拟长度为1200m；高度上模拟至包括最高水位等高线，并留有余度。

试验利用矩形薄壁堰量测流量，用精度为0.1mm的水位测针量测上下游水位、水面线；用直径为8mm的毕托管量测水流流速；用测压管量测动水压力；流态用照相机和录像机拍摄各级库水位下的典型照片和录象；用水准仪和测针量测安装模型。

3 试验分析及水力计算

中低水头闸坝枢纽在泄洪流量较大时，闸门全部提出水面，上下游水位差很小，过闸水流呈缓流状态，接近天然流态，消能常不成问题。而当入库流量大于电站发电引用流量而小于停机流量时，上游多余的来水量一般都是通过开启部分冲沙闸或泄洪闸宣泄。控制坝前水位保持正常蓄水位或汛限水位，此时因坝前水位较高，而坝下游无水或水位较低，下泄单宽流量大，水流的流速亦非常大，对消能防冲措施要求较高。本文主要研究常遇洪水前各工况的泄洪消能。

3.1 原设计方案

冲砂泄洪闸堰型为开敞式低实用堰，闸室段后挖深式消力池，消力池末端接护坦。

图1 左五孔冲砂泄洪闸典型剖面图

为明确试验开启孔口的情况，对泄洪孔口进行编号。右7孔冲砂泄洪闸(从右至左)为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#；左5孔冲砂泄洪闸(从右至左)为8#、9#、10#、11#、12#。如图1所示。

8#—12#坝段为左5孔冲砂泄洪闸坝段，布置在左导墙右侧，共5孔，单孔净宽14m，采用弧形闸门控制水流，孔口尺寸为14m×25m(宽×高)。

经试验分析和水力计算，旬阳水电站泄流消能满足设计要求。但也有如下问题：

(1)泄流量为3500m3/s、单孔局部开启的工况下，水流在消力坎前的水流形态为急流，将对下游产生比较严重的冲刷。

(2)泄流量为8000m3/s、5孔局部开启的工况下，消力池长度需加长，否则对下游河道冲刷比较严重。

(3)从下游河道的冲刷情况及消力池内水流的流态看，有必要对消能工进行进一步优化。

3.2 优化设计

左5孔泄洪冲砂闸消能问题较为复杂，进行了多次消力池体型、辅助消能工体型、布置等修改优化试验研究，大致可总结为：辅助消能工强迫分流与消能试验研究阶段；小流量急流扩散、大流量水跃消能试验研究阶段；二级消力池方案试验研究阶段；小挑角跌坎+浅水垫消力池方案试验研究阶段。试验成果见表1。

4 小流量急流扩散、大流量水跃消能方案

在小流量急流扩散、大流量水跃消能试验研究阶段，提出了在小流量单孔局开的工况下使水流在消力池内横向扩散，减小水流单宽流量，同时在多孔开启时能在消力池内形成稳定的淹没水跃的优化思路。如图2所示。

消力池内各部位体型的修改优化及其作用如下：

表1 不同消能工体型试验成果

图2 小流量急流扩散、大流量水跃消能布置图

(1)消力池出口两端设置3个纵向台阶作为辅助消能工。

(2)10#孔后消力池设计违反坡式消力池，反坡坡度为1∶7。消力池末端反坡作用为将出池水流挑离建筑物，使其冲刷的位置尽量远离泄水建筑物；同时有利于水流扩散，减小出池单宽流量。

(3)8#、12#孔后设置横向短台阶，台阶之间用坡度1∶4的斜坡过渡。出口前的台阶设置位置为坝下0+122.00m到坝下0+145.00m。其作用主要为控制单孔运行时水流的扩散角度；大流量、多孔开运行时起一定的辅助消能作用。

(4)出口采用变坡，其有利水流扩散，保持池内水流的稳定，防止水流左右摆动；池末端两边较高的小平台(高程为217m)起到阻挡下游水流回流入消力池影响单孔开启运行时水流扩散的作用。

根据试验资料分析，在单孔局开工况下水流在消力池中能充分扩散，多孔局开下池内形成的淹没水跃也比较稳定。但该方案也存在明显的不足，主要是由于消力池出口为扩散型体型，在左导墙后消力池出流与电站尾水出流的交界处水流产生剪切漩涡，造成左导墙后基岩的局部冲刷比较严重，除此之外其消能工结构也显复杂，增加了工程量和施工难度。

5 二级消力池方案

在总结前几个阶段常规消力池+辅助消能工体型各方案试验研究成果后，发现在保持消力池长度和深度不变的情况下，很难满足水流在3500m3/s泄量下单孔局开、8000m3/s泄量下3孔局开、8000m3/s泄量下5孔局开等工况下的流态、冲刷及建筑物安全的要求。通过计算，3500m3/s泄量、单孔局开，8000m3/s泄量、3孔局开工况下入池单宽流量基本相同，均为158m3/s，满足此单宽流量在消力池内形成淹没水跃的第二共轭水深为19.6m，若入池水流单宽不经过扩散调整，现有消力池长度、深度均不能满足形成淹没水跃条件。

在总结之前各修改方案和参阅了大量相关资料后，尝试了二级消力池方案，其中对第一道消力坎体型进行了调整，第二级消力池为深挖式消力池。

该方案对消力池体型的修改如下：在坝下0+107.00m处设置一道斜坎，坎顶高程为215m，迎水面斜坡坡比为1∶0.8。第二级消力池底板高程降至207m，长度至桩号下0+158.00m，在池末端设置一道斜坎，坎顶高程为211m，迎水面斜坡坡比为1∶0.8。

该方案下，3500m3/s泄量、单孔开，8000m3/s泄量、3孔开和左5孔局开等常遇洪水前运行工况下，均在两级消力池内形成淹没水跃，池内流态稳定，消能较为充分，出池水流平稳，下游波动较小，与下游尾水自然衔接。但通过对二级消力池内的流态的观测，实测水跃长度略大于现有二级池池长，建议二级池池长增加15m，至桩号下0+163.00m。

从冲淤规模和冲坑形态看，常遇洪水前各运行工况下的最低冲深点高程203m，较原方案减浅3m，淤积规模较原设计方案小，其淤积主体位于消力池后河道中部，不会对电站尾水和通航顺畅产生不利影响；同时，冲坑坡度较缓，最深点远离建筑物，不会危及建筑物安全稳定。

6 小挑角跌坎+浅水垫消力池方案

小挑角跌坎是一种扩散形体型，在泄量较小，下游尾水位较低时，出闸水流被稍微挑起，经横、纵向扩散后以较小的单宽流量入消力池形成水跃。挖深消力池的目的是保证在各工况下消力池中形成适当的水深，起到降低临低流速、避免小泄量时挑流水舌冲击消力池底板和满足形成淹没水跃的共轭条件的综合作用。末端设置斜坡消力坎是调整出池水流的流速分布，同时可一定程度上改变消力池内各水力参数。

6.1 体型修改

相对于原方案，修改方案如图3所示。

(1)取消原方案中的护坦，把消力池加长到了原护坦末端，桩号下0+155.00m。

(2)降低原设计方案中消力池底板高程至207m。

(3)在消力池末端设置一道斜坎，高程为211m，迎水面坡比为1∶1.5。

(4)在闸后设置一道小挑角，小挑角由两段斜坡组成，其坡比分别1∶3。

图3 左五孔冲砂泄洪闸修改后典型剖面图

6.2 与原方案的比较

(1)水流流态

原设计方案存在的主要问题是8000m3/s泄量下、5孔局开工况在消力坎后水流二次跌落明显，跌落的水流直砸护坦，对护坦的结构安全有影响。在8000m3/s泄量下、3孔局开的工况下在消力池内折冲水流明显，两边孔出流为远驱水跃。在3500m3/s泄量下单孔局开的工况，出池水流直冲消力坎，消力坎结构发生破坏的可能性非常大。

修改方案在以上3种工况下都能形成稳定的淹没水跃。在8000m3/s泄量下、3孔局开和3500m3/s泄量下单孔局开的工况下水流都已经扩散至整个消力池断面，在不过流的闸孔前没有回流。

(2)流速分布

修改方案中的挑坎断面以前的流速分布与原设计方案相似。在该方案中水流在进入消力池后底流速迅速减小，在消力池中水流入池前的断面底部有回流。而原设计方案在这些断面上底流速与表面流速相差不大。在消力池出口断面(桩号下0+160.00m)8000m3/s泄量下的两个工况下，该方案的最大流速和平均流速都较原方案小。

从下游和到的流速分布看该方案在桩号下0+200.00m后底流速都接近为零了，从流速分布图看，该方案在下游河道恢复天然河道的流速分布比原方案要提前。

(3)下游基岩冲淤

比较原方案后可以看出，无论从冲深最低点还是下游河道淤积规模，修改方案都较原方案小。8000m3/s案减小1m，且范围要小。8000m3/s泄量、5孔局开的工况最低冲深点比原方案略高，但淤积最高点比原方案低近2m。3500m3/s泄量、单孔局开的工况最低冲深204m与原方案一致，但该方案除右导墙外其他位置冲刷的最低点都在210m左右。从淤积情况看，修改方案中该工况淤积的高度大部分都在216m，原方案该工况下淤积的高度大部分在217m，且范围要大。考虑到在该方案中铺沙高程从211m改到了214m，从淤积高度和范围来说该方案比原方案要小得多。

7 结语

在工程实际中单一的消能形式很难满足消能防冲要求，本试验研究针对这一问题，以汉江旬阳水利工程枢纽为例进行模型试验。采用辅助消能工与传统消能工相结合的形式，解决低佛劳德数水跃消能的问题，找出了一种消能防冲效果良好的消能工体型：小挑角跌坎+浅水垫消力池方案。对于低水头水利枢纽的消能问题，本研究得到了良好解决，消能率在30%～40%之间。因实践项目较少，可能存在一定的偏差，参考借鉴过程中尚需完善。