马来西亚沐若水电站重力坝溢流面台阶式综合消能设计与检验

肖浩波 周华 丁建新 张永胜

摘要：为解决马来西亚沐若水电站坝址所在河谷狭窄，地质条件较差，高水头泄洪消能的问题，根据该水电站重力坝无闸门控制表孔泄洪的特点，通过水气两相流数值计算和水力学模型试验研究，采用了“宽尾墩+前置掺气挑坎+坝面台阶+出口挑流”的综合消能方式。大坝建成后，经历了超校核洪水的考验，相关设计成果得到了验证。运行实践表明综合消能方式是成功的，设计研究成果可为类似工程提供参考。

关键词：泄洪消能;台阶式综合消能;无闸门控制表孔;数值计算;模型试验;沐若水电站

中图法分类号：TV653文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.007

文章编号：1006 - 0081（2021）04 - 0042 - 07

1 研究背景

台阶式溢洪道在水利工程中的应用历史悠久，最早应用于跌水、塘坝。20世纪60年代末至80年代，台阶式溢洪道开始在中小型水利工程以及碾压混凝土坝中应用[1]。90年代，台阶溢洪道成功运用到高水头、大单宽流量的水利水电工程实践中，如水东水电站、大朝山水电站[2]、索风营水电站[3]。台阶消能技术的应用不仅加快了工程建设速度，节省了工程投资，同时也减少了下游消能防冲设施的工程量。随着现代工程技术的发展，实际工程中逐渐采用台阶式消能与新型消能工联合的消能方式，例如联合运用台阶式消能与宽尾墩及前置掺气坎，可有效减免空化水流与空蚀破坏[4]。台阶消能与新型消能工联合技术在我国多座水电站均取得了较好的实践效果，积累了丰富的经验。目前，国内外工程利用该技术泄洪消能的最大台阶坝面高度为90 m。

马来西亚沐若水电站坝址控制流域面积2 750 km2，库容120.4亿m3，该工程为I等大（1）型，碾压混凝土重力坝最大坝高146 m，大坝设计洪水标准为1 000 a一遇，校核洪水标准为5 000 a一遇，下游消能防冲设计洪水标准为100 a一遇。坝址所在河谷狭窄，地质条件较差，高水头泄洪消能问题突出[5]。

借鉴国内外已有类似工程消能技术经验，根据沐若水电站工程特点，通过水力学、水气两相流计算并经水力学模型试验验证，采用无闸门控制表孔“宽尾墩+前置掺气挑坎+坝面台阶+下游挑流消能”的设计方案。沐若水电站大坝于2008年开工建设，2015年底竣工验收。2014年底至2015年2月中旬，经历了约50 d洪水考验，其中约30 d下泄流量超过校核流量，2015年2月9日，入库流量8 360 m3/s，下泄流量最大达450 m3/s，大坝成功泄洪，泄洪后坝面台阶、下游河床及两岸边坡均未产生破坏。运行实践表明，综合消能方式设计是成功的，可为相关工程提供参考。

2 泄洪消能设计

沐若水电站工程碾压混凝土重力坝坝顶高程546 m，最大坝高146 m[6]。图1为枢纽平面布置示意。

水库正常蓄水位540.00 m，对应库容为120.43亿m3，有效调节库容为54.75亿m3，库容和水库面积大，具有较强的蓄水能力和滞洪能力[7]。考虑减小下游地区洪灾风险，采用表孔敞泄方式进行洪水调节，溢流堰堰顶高程为540 m，5 000 a一遇校核洪水位为542.46 m，堰孔宽度为13.5 m，共4孔。泄槽两侧设邊墙，中间设1道中隔墙，对称分为2区。溢流表孔采用开敞式WES实用堰型，上游曲线采用椭圆曲线，堰顶设水平段，堰面采用幂曲线。

2.1 台阶消能设计

美国的上静水坝（Upper Stillwater Dam）是世界上第一座采用台阶式泄洪消能的碾压混凝土坝。国内的百色水利枢纽、索风营水电站、大朝山水电站也成功采用了台阶消能。沐若水电站水库具有库容及面积大，调蓄及滞洪能力强，下泄流量小等特点，经过多年的研究论证，最终采用“宽尾墩+前置掺气挑坎+坝面台阶+下游挑流”的综合消能方式，如图2所示。对台阶的起始位置、高度、坡度与长度进行了研究，坝面最终台阶单级高1 m，共120级，总高差120 m。

2.2 下游消能防冲设计

动能高度集中是泄水建筑物出泄水流的一个基本特点。从溢流坝泄出的水流，由于势能转化为动能，导致水深小，流速高。而天然河道在通过同一流量时的单宽流量比较小，流速低而水深较大，并且原来河床经过长期的自然调整已形成了冲淤基本平衡的状态，于是在建坝以后就存在以下问题：以巨大动能为主的出泄水流，与以势能为主的下游正常水流如何顺利衔接。衔接消能的工程措施很多，按出泄水流与尾水、河床的相对位置来区分，常见的主要方式有底流、挑流、面流、戽流衔接消能4种形式。

2.2.1 底流消能

考虑溢流面不设台阶，计算了下泄流量为2 100，1 600，1 000，550，275 m3/s时各种底流消能的水力要素。计算结果显示，消力池规模尺寸随流量的增大而增大，即下泄流量Q=2 100 m3/s（可能最大流量+基本流量）为消力池的控制工况：消力池水平长度为90.0 m，池底高程为393.0 m。而考虑溢流面设置台阶时，消力池水平长度为60.0 m，池底高程为399.0 m（图3）。

2.2.2 挑流消能

考虑溢流面不设设台阶，计算出下泄流量2 100，1 600，1 000，550，275 m3/s时的各种挑流消能的水力要素。计算结果显示：采用挑流消能，各种工况均满足要求，不会危害大坝安全。而考虑溢流面设台阶消能时，各种工况均满足要求，同样不会危害大坝安全，但因河床狭窄，冲深较大，可能影响两岸的稳定。

2.2.3 面流消能

根据面流衔接必须满足基本条件，参考坝面未设台阶的底流消能计算，可知下游河床至少需开挖至393 m以下;参考坝面设台阶的底流消能计算，可知下游河床至少需开挖至399 m以下;因面流消能工程量巨大，故设计中未考虑。

综合考虑下游水深、流态、冲坑深、开挖以及工程的经济性，采用挑流消能形式（图4）。

3 数值计算与模型试验

为验证台阶消能设计的各项水力参数，进行了数值计算及水力学模型试验研究[8-9]。

3.1 台阶消能数值计算

利用k-[ε]气液两相流数学模型，采用VOF方法，对多种工况下的溢流坝泄洪消能流场进行了数值模拟，得到了溢流面的流态、流线、水面线、压力等水力要素，并计算了台阶的消能率。

3.1.1 数学模型

模型的基本控制方程包括连续方程、动量方程、紊动能k方程及紊动能耗散率[ε]方程。采用VOF方法模拟自由面，水气界面的跟踪即通过求解连续方程来完成。

3.1.2 网格及边界条件

计算区域分为3个部分：水库库区与堰面段、台阶泄槽段及出口挑流反弧段（图5）。模拟工况为下泄流量1 600 m3/s和2 100 m3/s。

网格划分采用三角形网格和矩形。进口分为水进口和空气进口2个部分，其中水进口边界设定为速度入口边界。出口水流为自由出流，压力为大气压力值，壁面采用无滑移边界，在黏性底层用壁函数法处理。

3.1.3 计算成果

（1）流速压强分布。从图6可以看出，在库区处，压强基本呈静水压强分布，WES堰曲线段压强较小，台阶内侧压强较小，反弧段压强较大，溢流坝水流运动的模拟是合理的。

（2）消能率。坝面台阶的消能效果一般用消能率来衡量：

[η=E1-E2E1×100%]

式中：E1为坝前水流单位水体总能量;E2为反弧最低点水流单位水体总能量。

台阶消能率计算结果见表1，表明消能率随着单宽流量的增大而减小。

3.2 水力学模型试验

针对泄洪消能建筑物设计进行了1∶40的水工断面模型试验研究[10]，主要成果如下。

3.2.1 台阶流态

图7给出了模型在各级流量条件下运行时的整体流态。试验条件范围内，经挑坎和宽尾墩形成的挑射水流与下游台阶坝面顺直衔接，无不利流态产生。掺气挑坎和宽尾墩后形成稳定的补气空腔，经表面自掺气和底部强制掺气后，台阶坝面上形成表面有掺气水流、底部有稳定含气旋滚的典型台阶滑移流态。

3.2.2 台阶压强及水面线

最大流量（Q=2 160 m3/s）条件下堰顶水平段下游的WES堰面压强测点出现了-0.73×9.81 kPa的负压，随着流量减小负压值变小，在中小流量（Q≤480 m3/s）条件下，曲线坝面段承受正压。

试验流量条件范围内，WES段末端的前置掺气挑坎挑起的水舌落在第5～8级台阶上，流量越大冲击区的位置越靠后，冲击压强越大。当条件为可能最大流量+基础流量，即最大流量（Q=2 160 m3/s）时，在第8级台阶水平面上测到最大冲击压强为4.97×9.81 kPa。100 a一遇洪水流量Q=190 m3/s时，在第6级台阶水平面上测到最大冲击压强为2.49×9.81 kPa。

溢流坝台阶上的时均压强沿程呈波动变化，且各测点的压强均基本随流量增加而增大。

3.2.3 掺气效果

试验观测结果表明：在台阶竖直面加设的掺气孔后沒有形成明显空腔，竖直掺气通道中未测得明显风速。但小流量条件下，水平掺气孔内水体发生间歇荡漾，有少量气体间歇掺入坝面水体改善水流掺气情况;大流量条件下，掺气不明显。同时，台阶坝面同一测点位置，小流量运行时临底水流掺气浓度值高，大流量运行时临底水流掺气浓度值低。从堰顶到出口挑弧段，坝面沿程的临底水流掺气浓度基本呈现逐渐增大的变化趋势。

3.2.4 台阶消能率

消能率模型试验成果见图8，试验成果表明：单宽流量为3.16～35.59 m3/（s·m），相应的消能率均达到80%以上，并且台阶坝面的消能率随着单宽流量的增大而减小，模型试验的规律与水气两相流数值计算结果一致。

3.2.5 下游消能防冲

试验结果表明，各级流量下的最大冲深、最大挑距、后坡比等与数值计算一致，满足规程规范要求。

3.3 数值计算与模型试验对比分析

由表1（数值计算结果）及图8（模型试验结果）可以看出，1 600 m3/s和2 100 m3/s流量下消能率基本接近，同时消能率随单宽流量增大而减小。数值计算与模型试验规律一致，结果接近。

4 实际洪水检验

沐若水电站工程2008年10月正式开工，2011年1月大坝开始碾压施工，2012年12月下闸蓄水，2015年底竣工验收。图9为溢流面台阶细部照，图10为竣工后的大坝。

施工详图阶段，坝面台阶出口后地质条件较差，设计24 m长短护坦，下游地形高程较低，形成天然水垫，图11～12为下游河床水垫及地形地质情况。

沐若水电站位于热带雨林地区，2012年12月30日，导流洞下闸蓄水。2014年12月28日，水库水位首次达到溢流堰堰顶高程540.00 m，表孔开始泄洪。此后，水位不断上涨，2015年1月10日，首次超过5 000 a一遇校核洪水位542.46 m。2015年2月9日，水库入库流量峰值为8 360 m3/s，下泄流量最大达450 m3/s，水位542.76 m，洪水经过溢流面台阶下泄。图13～14为2015年2月9日大坝泄洪消能情况。

流量Q=450 m3/s时，单宽流量达7.5 m3/（s·m），挑流反弧段最低点流速达17.5 m/s，台阶垂直面未产生负压，未发生空蚀，台阶消能效果良好，消能率约90%。溢流台阶下游挑射水流，水舌主流及波浪位于河床（图14）。由于泄洪能量大部分经台阶消散且下游存在约11.0 m天然深水垫，挑流未形成冲坑，挑流落点距鼻坎约65.0 m，岸边未见明显掏刷，两岸边坡稳定（图15）。

水位由溢流堰頂540.00 m上升至最高水位542.76 m的泄洪时段，现场台阶消能及下游挑流消能水力学要素与数值计算、模型试验的结果基本接近，规律基本一致。

泄洪过后，对溢流面台阶和下游消能区进行了全面检查（图16），未发现破坏，仅台阶直角处可见局部磨损，说明台阶消能设计是成功的。

5 结 论

（1）根据沐若水电站的特点，经过多种消能方案的比选，采用“宽尾墩+前置掺气挑坎+坝面台阶+出口挑流”的综合消能方式。

（2）采用数值模拟计算，得到了模拟区域的水面线、压强场和消能率。计算了流量2 100，1 600 m3/s台阶的消能率，分别为78%，84%，表明台阶的消能率较高，消能率随单宽流量增大而减小。

（3）水力学模型试验表明：在各级流量下，台阶坝面压力基本为正压，不会出现空化空蚀。模型试验与数值计算结果基本吻合。

（4）现场超校核洪水泄洪情况表明：溢流面未产生空化气蚀，台阶消能效果良好。泄洪后对泄洪建筑物进行了全面检查，未产生破坏，验证了台阶消能设计是成功的，可以为类似工程提供参考。

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[9] 汤升才. 水工建筑物水气两相流数值模拟及试验研究[D]. 武汉：长江科学院，2009.

[10] 长江科学院. 马来西亚沐若水电站泄洪消能试验报告[R] . 武汉：长江科学院，2008.

（编辑：江 文）

Comprehensive energy dissipation design and operation test of gravity dams stepped overflow surface of Murum Hydropower Station in Malaysia

XIAO Haobo，ZHOU Hua，DING Jianxin，ZHANG Yongsheng

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.，Wuhan 430010，  China）

Abstract： Murum Hydropower Station in Malaysia are characterized with narrow valley， poor geological conditions and high water head. In order to solve flood discharge and energy dissipation problem， we carried out hydraulics numerical calculation of water - air two phased flow and hydraulic model test . Considering the flood discharge from surface outlets without gate control of Murum Hydropower Station， a composite energy dissipation technology of "flaring pier +  aerated flip bucket in front + stepped outlet bottom surface + deflecting energy dissipation at outlet end" was adopted. The energy facilities experienced trial of over check flood after the dam was built and the relevant design results have been verified. The  practices showed that the composite energy dissipation technology is available and the results can provide reference for the other similar projects.

Key words：flood discharge and energy dissipation;comprehensive energy dissipation by stepped overflow surface ;surface outlet without gate control; numerical calculation; model test;Murum Hydropower Station