梅州抽水蓄能电站阶梯溢流坝与底孔泄洪建筑物试验研究

周望武

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

碾压混凝土筑坝技术在世界大坝建设中得到了大力发展和广泛应用[1]，阶梯泄洪建筑物随着RCC筑坝技术的发展得以在越来越多的工程中采用。下泄水流经阶梯泄洪建筑物时，通过其阶梯底部时发生的横向旋滚，水流的剧烈紊动及表面掺气，使水流很大一部分能量消耗在台阶溢流面上，从而有效减少下游消能设施的结构尺寸，降低工程规模及工程投资[2]。本文所述梅州抽水蓄能电站下水库大坝为碾压混凝土重力坝，若采用平滑溢流坝泄洪，为了消除水流过坝所形成的能量，一般会采用挑流利用下游水垫消能或在下游修建消力池进行水跃消能。与传统溢流坝消能方式相比，阶梯溢流坝具有更突出的优势，阶梯溢流坝配合RCC筑坝技术具有易施工、工期短、投资省等特点。

1 概 况

梅州抽水蓄能电站下水库大坝顶高程419.00 m，正常蓄水位413.50 m，死水位383.00 m，正常蓄水位时库容4 382×104m3。泄洪建筑物布置于大坝河床部位，由表孔和底孔组成。表孔采用无闸门控制的阶梯溢洪道，堰顶高程同正常蓄水位，共2孔，单孔净宽12 m，总净宽24.0 m。表孔堰面曲线为WES型曲线，下接阶梯泄槽，泄槽坡比1∶0.75，单级阶梯高度为1.2 m，水平长度0.9 m；阶梯后接下游护坦，护坦高程340.00 m。底孔布置在两表孔中间，宽度2.5 m，采用短有压进口，进口高程378.00 m，出口高程377.074 m。泄洪建筑物平面及典型剖面见图1。

通过试验，复核泄洪建筑物泄流能力，测验泄洪建筑物泄洪时的水力特性，观测下泄水流对下游河床的冲刷情况，论证泄洪建筑设计方案并提出优化建议。主要试验工况见表1。

图1 泄洪建筑物平面及剖面图

表1 试验工况

2 试验模型

试验模型依据重力相似准则设计[3]，采用正态模型，比尺为1∶30。相应其他物理量比尺见表2。

表2 模型比尺

3 原设计方案试验

原方案3种特征工况成果表明，阶梯溢流面单宽流量3.3～12 m3/(s·m)。阶梯初始掺气位置随下泄流量的增加而向下游移动，掺气充分后的阶梯面水流为滑移流[5]。阶梯角隅内形成稳定的漩涡，水流剪切作用明显，大量掺气。由于尾部阶梯与护担采用的是折线连接，而下游护坦处水垫较浅，水流到达护坦后向上跃起，部分水流脱离护坦面，水流衔接不理想。当表孔单宽流量小于1.0 m3/(s·m)时，阶梯前部水流溅起砸落在阶梯上，没有形成均匀滑移流。消能防冲设计水位时，护坦末端冲刷深度小于0.80 m，护坦后左右岸边最大冲刷深度分别为1.08和1.62 m。

底孔水流出坎后抛射至下游，水舌入水点较集中，下游动床最大冲刷坑由底孔泄洪形成，最大冲深8.2 m。底孔挑坎出口(377.074 m)至护坦面(340.00 m)有37.074 m的高差，布置上欠协调。流态见图2。

由此可见，需要解决下游护坦水流脱空、小流量阶梯前部水流挑起、底孔出口布置欠协调以及底孔水舌入水点较集中的问题，需对原设计方案进行修改。

4 底孔优化试验

对底孔纵剖面进行调整，仍采用短有压进口，后接斜坡段，出口采用反弧连接，出坎高程降至350.00 m。修改方案见图3。

图2 原方案流态图

图3 底孔剖面图

底孔纵向布置型式改变后(主要体现在出口高程降低)，通过试验实测底孔出口流速由原方案的25.6 m/s增大至30.6 m/s，水舌入水角度由原方案的35°减小至18°，水舌入水较集中，动床最大冲刷深度由原方案的8.2 m增大至9.5 m，且岸边也有淘刷，需要对底孔挑坎体型进行修改。流态见图4(a)。

窄缝消能工利用挑坎段边墙收缩来改变射流水舌运动轨迹，可使挑射水舌沿纵向拉开分散入水，挑射水舌窄而高，与空气接触面大，消能效率高，可大大减轻对下游河道的冲刷[6-7]。经底孔出口窄缝多方案比选，最后确定窄缝挑坎方案为：两侧对称收缩，每边收缩0.6 m，出口宽度为1.30 m，收缩比b/B=0.52。

试验成果表明，底孔出口采用窄缝挑坎后，水流进入挑坎收缩段时发生横向收缩，收缩处形成的冲击波[8]较小，水深沿程壅高，挑出水舌呈扫帚状入水，水舌纵向扩散效果较好。下游冲刷位于河中，最大冲深4.5 m。流态见图4(b)。

由此可见，底孔挑坎改为窄缝后，出坎水舌纵向拉开，水舌分散度较原挑坎方案好，下游冲刷深度减小5 m，并避免了岸边淘刷，岸坡可采取护岸不护底的支护型式，减少防护工程量。

图4 底孔水舌形态图

5 表孔优化试验

5.1 体型修改

李桢[9]采用数值模拟方法研究得出，相同条件下在阶梯溢洪道前端采用过渡式阶梯，水流更易达到均匀滑行状态。在本溢流面堰面曲线末端与阶梯连接处(阶梯前端)增设4级过渡阶梯，单级阶梯高度为0.6 m，水平长度0.45 m；阶梯末端采用圆弧与下游护坦衔接。见图5。

图5 表孔修改方案图

5.2 泄流能力

泄洪建筑物的泄流能力关系到水工建筑物安全和工程稳定运行，因此实际的泄流能力须满足设计要求。泄流能力试验成果表明，流量随水位变化规律明显，相同水位下试验值略大于设计值。表孔试验泄量值比设计值大0.18%～1.96%，底孔试验泄量值比设计值大4.70%～8.56%，说明泄洪建筑物泄流能力满足设计要求。表孔、底孔水位流量关系曲线见图6。

图6 表孔和底孔水位流量关系曲线图

5.3 流态与流速

阶梯前部采用过渡台阶后，各级流量下阶梯水流均匀滑行，流态平顺。阶梯之间的水流受到边界约束和主流拖曳作用，在阶梯凹角内作横向旋滚运动。从阶梯横向上看，随着流量的增加，水流紊动发展不尽相同。这是由于水流除受到阶梯面扰动，还受到进口边墩绕流及两侧边墙扰动影响，导致边墙附近的水流紊动发展比阶梯面其他位置快。从阶梯纵向上看，首级阶梯水流受的扰动较小，紊流边界尚未发展到水面，此时流态平顺。当下泄水流到达一定的阶梯数时，具体为消能防冲工况至第3级附近(左孔、右孔一致)，设计工况至第6级附近(左孔、右孔基本一致)，校核工况至第10级附近(左孔、右孔不同)，紊流边界发展到自由水面，水面破碎，水体掺气充分，下泄水流呈乳白色，紊流掺气一直持续到末级阶梯，随后经过反弧连接段进入护坦。护坦处水流衔接较好，但3种泄洪工况护坦内呈现出不同流态，消能防冲工况形成三角形水跃，设计工况、校核工况跃首位于护坦外。后续研究表明，当条件允许，在下游河道适当位置增设二道坝，增加下游水垫厚度，护坦内将会形成稳定的水跃流态。3种特征工况流态见图7。

阶梯溢流面流速随下泄流量的增加而增大。消能防冲工况，阶梯面沿程流速在10.05～10.76 m/s之间；设计工况，阶梯沿程流速为11.18～11.35 m/s之间；校核工况，阶梯溢流面流速为12.52～13.25 m/s。由于阶梯溢流面掺气充分，发生空化空蚀的可能性大大降低，保证了阶梯溢洪道的泄洪安全。阶梯溢流面流速分布见图8。

图7 各工况流态图

图8 阶梯流速图

5.4 消能率

水流经过阶梯溢流面，紊动水流旋滚破碎，水体掺气充分，在此过程中部分能量耗散。为了计算在泄洪过程中的能量耗散情况，对上游进口断面和阶梯末端断面建立能量方程，来计算各工况消能率的变化，用两断面的能量差值与进口断面能量之比作为消能率，消能率的计算采用如下公式：

(1)

式中：E1、E2分别为水头的上游进口断面和阶梯末端断面的总能量。

在各级流量泄洪运行时，光滑溢流面和阶梯溢流面下游末端入池流速及消能率对比见表3，阶梯溢流坝末端泄流动能(E=V2/2g)只有光滑溢流面相应动能的37.09%～45.78%，泄流动能消能率达84%以上，阶梯溢流面泄流消能作用较明显。阶梯溢流面的消能率随着单宽流量的增大而缓慢减小(图9)，阶梯面消杀了下泄水流的大部分能量，且消能率具有随着流量增大而减小的变化规律，与前人研究成果[10]相一致。

表3 光滑和阶梯溢流面动能比较

图9 单宽流量与消能率关系

6 结 语

结合梅州抽水蓄能电站水工模型试验研究，确定了表孔堰面与阶梯连接处增设过渡阶梯、阶梯末端采用曲线与护坦衔接、底孔纵向布置调整及出口窄缝挑坎的体型，通过试验取得以下结论：

1) 在WES堰面曲线与阶梯连接处设置过渡阶梯后，下泄小流量洪水时不会发生水流溅起砸阶梯现像，各级流量下堰面阶梯水流平稳，形成稳定的滑移流态。

2) 阶梯末端与下游护坦连接时，采用曲线调整段过渡，水流衔接更平顺。若在下游河道适当位置增设二道坝，将有助护坦内水跃流态形成，减小下游冲刷。

3) 对于布置在泄洪建筑物中间的泄洪底孔且下游河道较窄时，出口采用窄缝挑坎，出坎水舌纵向扩散、分散度较好，可减轻下游冲刷，减少下游防护工程量。

4) 阶梯溢流面与光滑溢流面相比，泄流过程中部分能量耗散，消能作用较明显。阶梯溢流面的消能率随着单宽流量的增大而减小。