白鹤滩水电站泄洪洞水力特性研究

徐建荣，彭 育，薛 阳，陶俊佳，都 辉

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，311122，杭州）

一、概 述

白鹤滩水电站3条泄洪洞均布置在左岸，采用进口短有压接龙落尾型式的长无压隧洞，由进口闸门段、上平段、龙落尾段和挑流鼻坎组成。3条洞长度分别为2317.0 m，2258.5 m和2170.0m，单洞最大泄量4100m3/s，最大流速达45 m/s。进口为短有压进水口，控制闸门孔口尺寸15 m×9.5 m（宽×高），进口底槛高程 770 m，设计水头57.83 m。无压洞段为城门洞形，断面尺寸为 15 m×18 m（宽×高），直墙高14 m。上平段底坡为1.5%，上平段末端通过渥奇曲线与龙落尾段陡坡相接，陡坡段沿程共设置3道掺气坎，泄洪洞出口高程650 m，分别采用斜切坎和扭曲鼻坎挑流。

二、压坡曲线对泄洪洞进口段水力特性的影响研究

有压进口段在弧形工作闸门上游设有平板事故闸门，事故闸门与工作闸门之间的顶部压坡坡比原设计为1∶4，通过常规水工模型试验和闸门水力学模型试验发现，泄洪洞正常泄洪时进口段压强分布均匀，流态平顺，但在事故闸门动水关闭过程中，当工作闸门开度为25%～50%时，门后回溯水流冲击事故闸门下游面板。为改善事故闸门动水关闭过程中的不利水流流态，将顶部压坡由1∶4调整为1∶5，压坡长度由10 m增至12.5 m。调整后的有压进口段体型模型试验结果表明，闸门后水流条件得到明显改善。同时，为了进一步验证进口体型的合理性，对有压进口段的流场进行了数值模拟计算分析。从有压进口段流线及等流速线分布图（见图1）可以看出，进口段水流流线平顺，流速分布均匀，随着压坡段断面收缩，流速逐渐加大。从有压段末端断面流速分布（见图2）也可以看出，有压段末端的流速分布均匀。进口段无负压出现，水流空化数均大于0.3。研究结果表明，泄洪洞进口体型合理。

三、上平段底坡的选择

泄洪洞上平段单洞最大长度为1908 m，为同类工程中最长的无压缓坡洞。泄洪洞是白鹤滩工程宣泄常年洪水最主要的泄洪通道之一，要求泄洪洞在防洪限制水位下具备一定的泄流能力，进口底板应位于防洪限制水位以下一定深度，因而上平段全段流速较大，存在空化空蚀风险。泄洪洞单宽流量高达 272 m3/（s·m）， 上平段掺气试验研究发现，当上游库水位在防洪限制水位785 m至正常蓄水位825 m之间时，掺气坎下游难以形成稳定的掺气底空腔，通气孔完全被回溯水流封堵，不能正常工作。即使上游水位超过正常蓄水位，回溯水流强度虽有所减弱，但掺气底空腔的有效长度仍较小。由此可见，难以保证各种泄洪工况下设在上平段的掺气坎能正常工作，而高速水流下的掺气坎一旦不能正常工作，将成为空化空蚀破坏的潜在源。因此，大单宽流量、高流速、小弗氏数、长距离缓坡度条件下的泄洪洞上平段不宜设置掺气坎。经过多方案计算和试验比较，上平段底板纵坡坡比采用1.5%。此坡比下在工作闸门在600 m后的洞内流态达到近似均匀流状态，断面平均流速至上平段末端已逐渐降至26 m/s左右，水流空化数不低于0.41，上平段发生空蚀破坏的风险较小。

图1 有压进口段流线及等流速线分布图

图2 有压段末端断面流速分布

四、龙落尾段掺气坎研究

1.掺气位置及数量的确定

白鹤滩泄洪洞龙落尾段水流流速高达45 m/s，极易发生空化空蚀破坏，是泄洪洞设计面临的重要技术难题，强迫掺气减蚀措施是防止过流面遭受空蚀破坏的常用手段。掺气坎的位置和数量，根据水流流速、易发生空化的部位及每级掺气坎能保护的范围等因素综合确定。

由于渥奇曲线末端后的流速已经超过30 m/s，其下游斜坡段最小空化数为0.24，因此第一道掺气坎应布置在渥奇曲线末端。一般情况下，掺气设施能覆盖保护的长度在反弧段为 70～100 m，在平直段为 100～150 m。#1和#2泄洪洞的陡坡段长约260 m，反弧段末端直接连挑流鼻坎，分别在陡坡段中部、反弧起点上游45 m处设置第二道和第三道掺气设施，3道掺气设施保护的水平长度分别为100 m、110 m和110 m。#3泄洪洞的陡坡段长约220 m，反弧段下游连接长约120 m的斜坡段，在陡坡段中部和反弧末端分别设置第二、三道掺气设施，3道掺气设施保护的水平长度分别为100 m、150 m和120 m。

2.底掺气坎体型研究

泄洪洞单宽流量大、水深厚，为提高渥奇曲线及其下游斜坡段底板压力，龙落尾段采用了1∶3.72和1∶4的较缓底坡，增大了底掺气坎体型的设计难度。常规的掺气槽型式易积水，单纯采用挑坎掺气或者跌坎掺气难以实现龙落尾段的有效掺气。根据水工模型试验研究成果，底掺气设施采用了挑坎加跌坎型式。位于渥奇曲线末端的第一道掺气坎处，水流流速约30 m/s，但由于水较深，弗氏数相对较小，受跌坎下游底坡影响，底空腔回水较明显。该道底掺气坎采用了“跌坎+坎后变底坡”的型式，减小了掺气射流的冲击角，增加了射流长度，从而有效地消除了底空腔回水现象。基于多方案模型试验比较论证，第一道掺气坎挑坎高度为0.44 m、跌坎高度为2 m，第二道掺气坎挑坎高度为0.5 m、跌坎高度为1.5 m，第三道掺气坎挑坎高度为0.3 m（#3泄洪洞为 0.2 m）、跌坎高度为1.5 m。试验结果表明，各道掺气坎最大底空腔长度约为23～27 m，空腔长度合适，空腔形态稳定。

3.侧掺气坎体型研究

大单宽流量、高流速泄洪洞由于水较深，仅设底部掺气时，边墙会存在掺气盲区，白鹤滩泄洪洞曾在水工模型试验中发现了边墙掺气盲区。所以边墙掺气减蚀同样应引起重视，边墙掺气坎有侧收缩和侧突扩两种型式。1∶40比尺模型试验的大量比较研究表明，无论是收缩式侧掺气，还是突扩式侧掺气，只要体型参数设计合理，均可形成稳定、有效的侧空腔，起到保护边墙免于空蚀破坏的作用。但侧突扩型式的边墙掺气坎对体型尺寸变化的敏感性相对较小，不会因为体型尺寸的微小变化而引起明显的水流形态改变，工程设计风险相对较小，更适合于白鹤滩工程泄洪洞。龙落尾段沿程流速逐渐增大，侧掺气坎空腔越往下游越容易形成，因此龙落尾段三道侧墙突扩式掺气坎的变化厚度逐渐减小，分别为0.35 m、0.25 m和0.15 m。水流通过边墙侧扩后，流向发生改变，易在掺气坎后出现水翅，恶化下游水流流态。经过试验研究，提出了侧掺气坎与底掺气坎不在同一断面位置的掺气坎型式，第一道和第二道侧掺气坎位置向上游后退分别为0.8 m和1.2 m，第三道侧掺气坎不后退，有效解决了设置侧掺气坎引起的水翅问题。

五、出口挑流鼻坎体型研究

白鹤滩3条泄洪洞均布置在左岸，对岸滩地适当扩挖后，有充足的河道宽度和水体进行挑流水舌的消能和水流归槽。泄洪洞出口挑流鼻坎体型必须控制水舌落点位于河道中部，尽量分散水舌，降低单位入水能量。通过1∶100比尺的水工定床和动床模型试验，对连续式、斜切式、扭曲式、窄缝式、舌形扩散式、燕尾式等各种类型鼻坎进行了充分的比较试验研究，#1泄洪洞采用斜切式鼻坎、#2和#3泄洪洞采用扭曲鼻坎，#1鼻坎边墙平面不偏转，#2和#3鼻坎边墙向下游偏转。3条泄洪洞挑射水舌空间分布合理，充分利用河道宽度分散消能，无水舌重叠、碰并现象，水流归槽顺畅。

六、出口消能防冲研究

泄洪洞出口消能区原河道枯水期水面宽度为70～110 m，出口对岸为宽约200 m、厚20～30 m的崩坡积滩地。覆盖层受泄洪洞挑流水舌冲刷和雾化降雨冲刷，将在下游河道形成淤积堆丘，抬升电站尾水位。因此，须在出口消能区进行适当的河道拓挖，并形成消能冲坑，对消能区河道两岸岸坡进行防护。通过河道动床模型试验研究，选择河床底部预挖冲坑底高程为585m（天然河道枯水期最低水位），预挖范围沿河道纵向长约900 m。预挖后河床宽度可增至170～280 m，河道流态改善，岸边流速和回流流速都明显降低，均小于基岩的抗冲流速。水舌冲坑位于河床中央，不影响两岸岸坡坡脚。对于泄洪后产生的淤积堆丘，将结合后期电站尾水要求进行二次挖除。

七、结 语

白鹤滩泄洪洞规模和技术难度大，针对泄洪洞水力特性，开展了大量的模型试验和数值计算，研究成果表明，较缓的进口有压段顶坡有利于改善有压段水流流态，避免回溯水流冲击事故闸门；对于弗氏数较小的高

水头长距离缓坡洞段，选择合适的底板纵坡，使得水流流态接近均匀流，能够将沿程流速控制在相对较低范围，避免发生空化空蚀现象；对于高流速、大单宽流量、水深较厚的龙落尾陡坡段，采用侧掺气坎与底掺气坎错开布置的新型联合掺气设施，能够同时保证水流底部和侧边均能形成掺气水流，也避免了因侧掺气的设置而造成水翅现象的发生；泄洪洞出口挑流采用斜切式鼻坎与扭曲鼻坎组合的型式，达到了水流充分扩散、控制水舌落点和降低河道冲刷的效果。