大藤峡水利枢纽泄洪消能布置演变与闸门调度

巩宪春，王常义，范宝山，李广一

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，130012，长春）

一、泄水建筑物基本情况

1.泄水建筑物形式

大藤峡水利枢纽主要挡水建筑物按千年一遇洪水设计，五千年一遇洪水校核（土石坝万年一遇校核），消能防冲建筑物按百年一遇洪水设计。

26 孔泄水闸布置在主河床左岸，以隔墙和纵向混凝土围堰保留部分将消力池分为3 个区。 左区布置1 个高孔和8 个低孔， 中区布置12 个低孔，右区布置1 个高孔和4 个低孔。 2 个高孔堰顶高程36.00 m， 单孔净宽14 m，设置在泄水闸两端，与电站厂房毗邻， 承担泄洪和电厂排漂任务；24 个低孔堰顶高程22.00 m， 孔口尺寸9 m×18 m（宽×高），承担泄洪和排沙任务。 高低孔均采用底流消能形式。

2.泄水建筑物泄洪消能运行特点

基于防洪、航运、发电、过鱼、排沙和排漂等多功能的调度运行需求，大藤峡水利枢纽泄水建筑物的泄洪消能运行有以下特点：

①过闸单宽流量较大，技施设计阶段百年一遇洪水高低孔最大过闸单宽流量分别为211 m3/(s·m) 和169 m3/(s·m)，闸下收缩断面水流佛氏数为2.7 和3.1，消力池下游最小水深6 m，最大水深35 m，非汛期小洪水上下游水头差最大34 m。 具有单宽流量大、佛氏数低、尾水变幅大等特性。

②泄水闸宣泄5 年一遇至20 年一遇洪水， 受闸上游水位不能超过44.00 m 和46.15 m 的上游淹没限制，所有闸门敞开泄洪；但泄水闸宣泄五千年一遇洪水（校核洪水）时，闸门仍需要控制泄流，而不是敞泄。

③通过计算和绘制泄水闸宣泄各频率洪水的上下游水头差、下游水深和水头之间的关系，发现水流参数既有位于共轭水深线以上的工况，又有位于共轭水深线以下的工况。 本工程下游尾水既有不足的工况，也有偏深的工况。 说明有些工况适宜挑流消能，有些工况适合底流消能。

④泄水闸低孔大部分坐落在大藤峡弩滩滩地开挖段，堰顶高程低于弩滩的滩面高程， 当闸上游流速大时， 特别是泄水闸低水位运行宣泄5年一遇至20 年一遇洪水时， 大量推移质和拆除施工围堰的剩余石渣被水流挟带过闸进入消力池。

⑤基于泄水闸建筑物结构稳定要求，泄水闸消力池池底高程不能低于16.00 m，进而造成宣泄设计工况的洪水时，消力池的池深不足。

⑥河床岩石抗冲流速为3.5～4.4 m/s，抗冲能力也较低。

自20 世纪80 年代大藤峡可行性研究水力学模型试验开始，泄水闸布置形式和泄洪消能方式历经多次变动， 具有代表性的是1986—2015年间8 次水工水力学模型试验。 泄水闸闸孔数在13 孔至26 孔之间, 变化较大； 高孔堰顶高程有32.00 m 和36.00 m；低孔堰顶高程均为22.00 m，没有变化。 无论泄水闸的布置如何变化，枢纽泄水建筑物泄洪消能参数均属于典型的单宽流量大、佛氏数低的弱水跃消能，且都在消能率较低的弱水跃 （Fr=1.7～2.5） 和颤动水跃 （Fr=2.5～4.5）范畴内。

大藤峡水利枢纽运行时大坝上下游水头差较大，消能形式的选择限制因素较多，消能问题非常复杂。 枢纽泄洪消能布置的演化过程与闸门调度研究等，对于低水头、大单宽、闸下水流拍打钢梁、推移质过坝的泄水工程具有参考价值。

二、泄洪消能布置演变

1.1995 年初设阶段方案

1995 年初设阶段方案 （简称95方案）坝轴线位于南木江汇合口下游400 m 位置，6 个高孔的左、 右两侧分别布置4 个和3 个低孔。95 方案泄洪消能试验开展了平底消力池、平底消力池加“Y”和倒“Y”形宽尾墩、逆坡消力池、逆坡消力池加“T”形墩、逆坡消力池加“工”形差动尾坎等多种消能工、辅助消能工形式比较。 经比较，将“T”形墩下移与消力池末端差动尾坎连接，构成“工”形差动尾坎辅助消能工方案，消能效果好。 由于消力池中水流扩散较好，可以取消消力池中的隔墙，既消除了低佛氏数水流脉动引起的隔墙振动隐患， 又减少了工程量。 因此最终将“工”形差动尾坎方案作为95 方案消能布置推荐方案。

2.2012 年和2014 年方案

在95 方案试验完成并提交成果后开展了初步设计，1997 年根据水利部指示，大藤峡水利枢纽初步设计工作暂停，资料封存。 2000 年大藤峡项目再次启动后，重新开展可研工作。

为了控制库区淹没范围， 将20年一遇洪水的库水位控制在47.00 m以下，由于泄水闸在低水位时需要具有较大的泄流能力， 所以2012 年可研阶段（3 高孔+18 低孔全弧门）增加了泄洪闸孔数量，且南木江水道参与泄洪；2012 年方案将坝轴线下移到相对宽阔的弩滩上，加长了消力池的池长， 整个枢纽布置较95 方案发生了较大变化。2012 年方案的消能工布置试验研究，比较了“工”形差动尾坎消力池、二级消力池加“X”形宽尾墩方案。 由于“工”形差动尾坎的消能效果较好，2012 年方案仍将“工”形差动尾坎消能形式作为推荐方案。

2014 年进入初步设计阶段后，考虑到南木江水道两岸的防洪安全，南木江水道不再参与泄洪，百年一遇洪水泄洪流量由39 000 m3/s 增加大到42 300 m3/s。因此，2014 年方案设闸孔24 个（22 个低孔+2 个高孔），初期有全平板门和全弧门两种布置，为满足频繁开启的调度需求，最终采用全弧门布置。 消能工形式延用2012 年方案“工”形差动尾坎，消能防冲试验结果也与2012 年方案相同。

3.2015 年方案

为减小闸墩弧门支铰受力，低孔宽度减小到9.0 m， 增加2 个低孔。2015 年方案泄洪闸设26 孔布置（24个低孔+2 个高孔）， 闸墩厚度分别为5.3 m 和8.0 m，高、低孔均采用底流消能。 高孔堰顶高程36.00 m，堰面采用WES 形堰面曲线， 曲线方程为Y=0.040 889 1X1.81，曲线下游与半径25 m的圆弧连接。 低孔堰顶高程22.00 m，堰面采用渥奇曲线与下游消力池连接，曲线方程为Y=0.009X2。

为检修方便， 将26 孔泄水闸下游消力池分为左、中、右三个区。 利用一期施工纵向围堰，将围堰右侧5 孔组成消力池右区；基于左侧电厂下游开挖地形条件，中区设12 孔；剩余9孔构成左区。 考虑到本工程低孔堰顶高程低于库区滩地高程，汛期低水位运行期间泄水闸敞泄，闸前行近流速较大，库区推移质和施工围堰拆除的石渣过闸，冲击和磨蚀“工”形差动尾坎的头部， 所以2015 年方案取消了“工”形差动尾坎泄洪消能布置方案。试验研究从单级平底消力池开始，进一步探索了二级消力池布置形式。

（1）平底单级消力池研究

经计算分析初定单级平底消力池结构为：池长110 m，池深6 m；下游海漫长50 m，高程22.00 m。

在宣泄20 年一遇洪水泄洪流量39 000 m3/s 时， 坝前桩号0-100 水位为45.87 m，较设计值46.15 m 低0.28 m， 其他流量试验水位相对设计水位均有富余，泄流能力满足要求。

在宣泄混凝土坝设计标准千年一遇洪水时， 闸下出流为淹没水跃，消力池中水跃末端位于池长的2/3，即75 m 位置，消力池偏长。

在水库正常高水位61.00 m，电厂发电引用流量5 000 m3/s，泄水闸宣泄常遇洪水流量9 500 m3/s 时， 上下游水头差为27.89 m。右区5 孔闸门均匀开启时， 消力池入池最大流速为26.07 m/s，消力池中形成远驱水跃，跃首距闸墩尾25～30 m。 海漫末端最大底流速（0.8 h）和表流速（0.2 h）分别为11.59 m/s 和13.31 m/s，0+400 断 面 河道最大底流速和表流速分别为5.91 m/s 和8.68 m/s。海漫末端垂直淘刷深度为10.9 m，相应高程为11.1 m，下游最大冲坑高程-2.3 m， 相对海漫顶高程冲深24.3 m，冲坑坡比1∶2.1。 在泄水闸宣泄3 000 m3/s 流量单独开启右区高孔时，出现挑流流态。 为此需要对消能工形式进行修改。

（2）二级消力池研究

通过试验观察和计算分析，基于不出现远驱水跃、减少跃首拍打钢梁和弧门概率、 避免泥沙磨蚀等因素，确定第一级消力池池长为80 m、尾坎高程为24.00 m（坎高8.00 m），尾坎背水坡坡比为1∶3。 第二级消力池采用逆坡形式， 消力池末端顶高程20.00 m， 第二级消力池下游设15 m 海漫，以1∶6 反坡衔接至22.00 m 高程；其中右区池长为80 m，池底高程17.00 m；左区和中区池长为60 m，池底高程与右区相同。 试验表明，上述二级消力池消能工形式及布置可以满足泄洪消能要求，但有时水流拍打闸门较严重。 在泄水闸下泄流量15 000 m3/s时， 左区和中区跃首拍打弧门较频繁， 而右区则完全淹没弧门底缘；宣泄百年一遇洪水42 300 m3/s， 各区水跃均拍打弧门，左区和中区少数闸孔的水跃有间歇性上窜现象发生。

为改善泄洪时低孔闸室水跃跃首拍打弧门底缘现象，通过多方面对比试验，最终将闸室水平段向下游延长39.5 m（至墩尾下游7.5 m）、尾坎高程降低到22.00 m。 由于右区经常宣泄小洪水，试验比较了右区消力池池长和尾坎高程，发现：右区一级消力池池长115 m、尾坎高程24.00 m 时适应小洪水较好， 但水跃拍打钢梁；尾坎高程22.00 m 能够使水跃推离闸室，但宣泄流量5 000 m3/s 时，消力池中产生自由水跃流态，跃首位于墩尾下游60 m 附近（平底高程16.00 m 端部向下14.00 m，即0+103.00 m），坎下垂直淘刷深度3.5 m； 河床最大冲深6.5 m， 冲坑坡比为1∶2.2。 尾坎高程23.00 m 消能布置从闸室流态和下游河床冲刷较好。 在宣泄百年一遇洪水、库水位61.00 m 时，闸孔开度11 m水跃跃首处在拍打钢梁临界状态，频率约1.1 次/min， 可见闸室水平段处于墩尾末端7.5 m 长度不宜再缩短。

三、最终推荐方案

1.方案布置

通过消能工形式比选，推荐消力池分左中右三区， 闸室上游进行防护，闸室水平段延长39.5 m（至墩尾下游7.5 m） 与渥奇曲线衔接的二级消力池布置。一级消力池池长115 m、池深6 m， 二级逆坡消力池池长右区80 m，左区和中区60 m，池深5 m，消力池下游设15 m 长海漫； 左区和中区一级池尾坎顶高程22.00 m， 右区23.00 m。一级消力池内纵向围堰两侧采用高程27.00 m 的台阶过渡。

纵向围堰上游段从门库坝段上游桩号0-026.00 至0-076.00 保留原设计围堰高程54.30 m，桩号0-076.00至0-343.99 围堰拆除至高程36.00 m， 拆除的混凝土块堆至拆除段围堰左侧， 二期横向土石围堰亦拆除至36.00 m 高程。

2.典型工况泄洪消能调度

（1）正常高水位61.00 m 工况

泄水闸宣泄流量3 000 m3/s，间隔调度右区三孔#22、#24、#26 时，消力池中形成淹没水跃。 下游消力池基本不受冲淘。 泄水闸宣泄流量5 000 m3/s，调度右区5 孔闸门局部开启，池中形成淹没水跃。 消力池末端最大垂直淘刷高程为18.70 m，相对二级消力池尾坎高程20.00 m 冲深1.3 m；最大冲坑高程为14.70 m，相对冲深5.3 m，冲坑坡比为1∶3.4。这个流量为小洪水单独调度右区的最大控制流量。

泄水闸宣泄流量9 500 m3/s，调度右区#22～#26 闸孔局部开启， 泄水闸上游水流较为平顺，#25 闸孔前形成吸气漩涡， 消力池中形成远驱水跃，消力池入池最大流速为25.98 m/s，一级消力池尾坎最大底流速为14.28 m/s，消力池末端最大底流速为9.45 m/s。消力池末端最大垂直淘刷深度为7.9m，高程12.10 m。 因此，泄水闸右区单独泄流9 500 m3/s 的调度工况为本工程泄洪消能的闸下冲刷最不利工况，虽然满足消能冲刷要求，实际调度运行中建议右区最大下泄流量为5 000 m3/s。 当发生25 年一遇洪水时，泄水闸宣泄流量37 000 m3/s， 上下游水头差20.07 m， 为超过20 年一遇洪水上下游水头差最大工况，#1～#26 孔局部开启，消力池中形成淹没水跃。 消力池末端最大底流速为6.17 m/s。 最大冲深9.9 m，相应的高程12.10 m，冲坑坡比为1∶3.8。

（2）百年一遇洪水工况

当发生消能工设计标准（百年一遇）洪水，水库水位61.00 m，试验观测了#1～#26 孔闸门局部开启（相对开度0.6 和边孔0.2）两种方式的试验。 在百年一遇洪水采取所有闸孔均匀开启的方式时，消力池末端最大底流速为6.35 m/s，最大冲深11.6 m，冲坑坡比为1∶3 左右，冲刷均满足要求；但在开度略小的闸孔处有跃首间歇性拍打弧门底缘的现象，在高孔和围堰相邻低孔处有水跃紊动涌浪间歇拍打钢梁现象。 为避免水跃拍打，进行闸门间隔全开调度试验。 间隔全开时，消力池出池最大底流速为8.07 m/s。消力池下游最大垂直淘刷深度为5.7 m，相应的高程为16.30 m，最大冲深为16.7 m，相应的高程为5.30 m，冲坑坡比为1∶2.7，位于中区（消力池下游最大冲深相对池长未加长时浅6.3 m，#21 孔由局开调整为全开）；左电站挡墙附近最大冲坑高程为13.60 m，电站尾水渠有零星堆渣淤积。

当发生百年一遇洪水时，泄水闸下泄流量42 300 m3/s， 调度不同闸孔全开运用。 控制库水位61.00 m，由于关闭闸孔和纵向围堰等作用，消力池中形成大范围回流，通过调度不同闸孔开启， 调整消力池内流态相对对称，出池水流相对平顺，将左区单数闸孔、 中区和右区双数闸孔闸门全开，仅将#20 孔关闭，#19 孔开启，并控制#21 孔局部开启。 此时消力池入池最大底流速为22.68 m/s，出池最大底流速为8.43 m/s。 消力池下游垂直淘刷深度为6.8 m，相应高程为13.20 m，最大冲深为23 m， 相应高程为-1.00 m，冲坑坡比为1∶2.2，位于#11 闸孔下游。 左右电站挡墙附近最大冲深分别为3 m 和7.6 m， 相应高程分别为17.00 m 和12.40 m， 电站尾水渠有零星堆渣淤积。

（3）千年一遇洪水工况

当发生大坝设计标准洪水时，泄水闸泄量为54 600 m3/s、 水库水位为61.00 m、闸门间隔全部开启，泄水闸消力池末端最大垂直淘刷深度为7.7 m，相应高程为14.30 m，左电厂导墙冲深9.9 m，相应高程为12.10 m，最大冲坑高程为0 m，冲坑坡比为1∶3.2。

此闸门开启方式虽然冲坑坡比满足冲坑稳定要求，但消力池中水流流态紊乱，对应关闭的闸孔产生较大回流，且消力池下游河床冲坑深度过大，冲起的石渣堆积左侧电站尾水渠约1/3 宽度。 关闭的#21 孔闸下第二级消力池中临围堰处有淤积物，对消力池护坦会有磨蚀影响，建议消力池采用抗冲耐磨混凝土。

（4）五千年和万年一遇洪水工况

当发生五千年一遇及以上洪水，#1～#26 孔闸门全部泄洪，仅纵向围堰两侧的#21 和#22 孔的水跃拍打钢梁，其余闸孔基本不拍打。 河床最大冲深发生在万年一遇洪水， 深度为10.4 m，高程为11.60 m，相应冲坑坡比为1∶3.6。

3.闸门调度方式及原则

（1）闸门开启方式

通过泄水闸在宣泄非汛期洪水调度、 汛期洪水调度以及5 年 （含5年）一遇洪水以下洪水调度时发现：

①非汛期发电调度时，最大来水流量为11 000 m3/s， 扣除电厂发电流量， 泄水闸最大下泄流量3 783 m3/s，由于下游水位较低 （2+649 断面水位都在32.00 m 以下）， 开启右区泄洪，泄水闸弧门和钢梁不受拍打。

②汛期发电调度时，最大来水流量在14 000～20 000 m3/s。 当来水流量14 000 m3/s 时， 泄水闸最大下泄流量7 900 m3/s，水库水位在47.60～59.60 m范围，调度右区和中区闸孔，相对开度控制在0.4～0.2，泄水闸弧门和钢梁不受拍打。 当来水流量20 000 m3/s（2+649 断面水位36.25 m），泄水闸泄量13 338 m3/s 时，库水位47.60 m，仍可调度右区和中区闸孔；泄水闸泄量15 841 m3/s 时，库水位53.60 m，均匀调度右区和中区闸孔，邻近导墙和纵向混凝土围堰的#10、#22 孔， 受回流或过流不均影响，闸室水跃偶尔会拍打弧门，但不会拍打钢梁，此时可通过加大边孔开度来满足调度要求。

当来水流量超过20 000 m3/s，且小于等于20 年一遇洪水流量39 000 m3/s 时， 所有泄水闸闸门全开敞泄，水跃不拍打钢梁。 遇来水流量超过30 600 m3/s， 正常高水位61.00 m、泄水闸流量23 497 m3/s 时， 下游水深近25 m， 左中右区闸门均开0.4 开度时，左区弧门淹没流态， 中区和右区拍打弧门，右区拍打钢梁。通过关闭左区加大中区和右区闸门开度， 即可满足水跃不拍打弧门和钢梁调度。 下游最大冲深为9.9 m，冲坑坡比为1∶4.3。 其他工况下， 为了避免出现水跃拍打钢梁的现象， 可按照闸门安全运行区间调度3 个区26 孔泄水闸，首先使闸孔开度尽可能满足自由出流的运行安全区间，若出现调度困难，再进行深度淹没出流运行安全区间闸门开启方式。

（2）闸门调度原则

根据各典型工况试验成果，从水跃位置、垂直淘刷、冲深和尾水渠有无淤积堆渣，以及脉动压力均方根大小等因素分析， 由于右区位于主河槽， 右区消力池较中区和左区长，泄水闸宣泄3 000～9 500 m3/s 常遇洪水时，可首先开启右区，控制右区泄流量达到4 000～5 000 m3/s，再开启中区泄流，对于泄洪超过5 000 m3/s 工况，应尽量避免单独开启右区闸孔运行；待电站引用流量和右区泄流使得下游有一定尾水水深后，再调度中区和左区运行； 当发生消能工设计标准（百年一遇） 洪水和小于五千年一遇洪水时，为避免水跃拍打钢梁，可将闸孔间隔开启（开度不小于0.7）来控制库水位；当泄洪达到或超过混凝土重力坝校核标准（五千年一遇）洪水，#1～#26 孔闸门全部开启敞泄。

闸门调度总体原则为：

①右区闸门调度原则： 坝上0-100 断面水位为61.00 m，当泄水闸下泄流量小于等于5 000 m3/s 时，均匀开启右区5 孔闸门。 开启顺序为先开启中间低孔，之后开启左侧低孔，最后开启右侧高孔，避免大开度调度高孔。

②中区闸门调度原则：当泄水闸下泄流量大于5 000 m3/s、 小于等于15 000 m3/s 时， 在开启右区的基础上，间隔对称开启中区闸门。开启顺序为先开启中间低孔，然后开启中区左半侧中间低孔，再开启右半侧中间低孔，依次将中区闸门全开。为了减小中区纵向围堰基础冲刷，最后开启中区右侧低孔。

③左区闸门调度原则：当下泄流量大于15 000 m3/s、 小于等于25 000 m3/s 时，在开启右区和中区的基础上，开启左区闸孔。 开启顺序为先开启左区中间低孔，然后开启右半侧中间低孔，再开启左半侧中间低孔，最后开启左区高孔，避免大开度调度高孔。

④当下泄流量超过25 000 m3/s时，随着泄流量的增大，加开闸门的顺序为：先开启中区闸孔，然后开启左区闸孔，再开启右区闸孔，最后开启高孔。 最好做到开启闸门区内对称、区间对称。

⑤大藤峡泄水闸闸门调度顺序：先局部开启右区—中区—左区，然后再进一步开启中区—左区—右区，直至所有闸门全部开启。 闸门关闭采取与闸门开启逆序的方式操作。