双江口水电站洞式溢洪道体型选择研究

2021-06-30索慧敏周正军张建民

水电站设计 2021年2期

索慧敏，周正军，何兰，张建民

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川大学，四川成都 610065)

0 前言

溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要设施，溢洪道的设计和布置合理与否，直接影响到水库运行安全。尽管溢洪道设计理论和方法在不断提升，但考虑到溢洪道边界的复杂性，结合模型试验开展溢洪道的水力特性研究具有重要意义。通过溢洪道过流能力、水面线、流速分布和消能等能为溢洪道体型设计提供有力依据[1]。

1 工程概况

双江口水电站采用大坝、首部地下引水发电系统的开发方式。水库正常蓄水位2 500 m，校核洪水位2 504.42 m，死水位2 420 m。水库总库容约28.97亿m3，消落深度80 m，调节库容19.17亿m3，具有年调节能力。

洞式溢洪道布置于枢纽右岸靠山侧(见图1)，由进口段、无压洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段组成，等宽布置，宽度16 m，总长度约2 172 m。其中，进口闸室长40 m，无压洞段长1 776 m，明槽段长294 m，出口挑流鼻坎段长62 m(见图2)。溢洪道最大设计泄流流量4 138 m3/s。

从当前国内外大型溢洪道的建设水平来看，双江口水电站洞式溢洪道泄洪规模较大，属高规格大型溢洪道，溢洪道在电站的安全运行中占有主要地位，开展溢洪道体型研究十分必要。本文结合溢洪道体型布置的基本方案，基于模型试验成果选择洞式溢洪道适宜的体型以满足设计要求。

2 进口段体型

在选择进水渠进口形式时，为减小局部水头损失，针对不同的地形，可选用不同的形式(如喇叭形、直线形、扭曲面形等)以改善进流条件[2]。结合双江口地形条件并参考类似工程经验，双江口溢洪道引渠导墙初拟布置方案为规则的对称贴坡渐扩型。在这种结构体型下，模型试验表明，虽然引渠段水流流态较平稳，但闸室内的水流流态较差，特别在闸室两侧门槽上下游处分别产生两个水流分离区，会对溢洪道的过流产生负面影响。因此，在保证进口流态稳定且储备一定的超泄能力的条件下，为使得进口段水流过渡更加平缓，在初拟方案的基础上，上游引渠段导墙尽量采用喇叭口型式并适当加长导墙，避免流线过度弯曲。进口引渠段导墙调整为椭圆直墙喇叭口后，模型试验反映各级流量引渠内水流更为平稳，进水闸室内无分离区出现。

为保证双江口洞式溢洪道的泄流能力，结合类似工程经验和多方案试验论证，洞式溢洪道进口采用开敞式WES型实用堰，上游堰高8 m，下游堰高10 m。控制闸设1孔16 m×22 m(宽×高)孔口(堰体剖面见图3)。在进口体型下，各泄流工况泄流均能满足设计要求，校核工况泄流量较计算值偏大约1%。敞泄时，溢流面头部的压强较小，中段压强最大；局部开启时，由于行进流速较大，溢流面头部压强有所增大，在弧门附近压强较小，其中在弧门开度为2.25 m时，堰面压强只有0.21 m，而后迅速增大至敞泄量级；脉动压强的最大值为0.77 m，出现在校核洪水工况下的溢流面反弧段；其他工况下脉动压强平均为0.2 m左右。从整体上看，溢流面上水流压力变化较为平顺，脉动值较小，在小开度下未出现负压，进口设计基本合理。

图3 进口剖面示意

3 无压洞段体型

参考类似工程经验并通过初步计算，设计中无压洞洞身断面采用城门洞型，断面尺寸由进口16 m×24 m(宽×高)渐变到出口16 m×20 m(宽×高)，拱半径8.9 m，中心角130.76°，顶拱高5.0 m。水力学模型试验表明，当底坡度i=0.012时，上平段水面略微雍水，而当坡度调整为i=0.015时，校核库水位对应的上平段末端水深实测值为12.0 m。根据计算所得的水流速度为22 m/s，洞顶余幅为27.9%，此时溢洪道上平段断面尺寸合理，满足设计要求。考虑洞内流速不高及洞顶余幅较大，无压洞段不考虑掺气及补气措施。

4 明槽及挑流段体型

4.1 明槽段

初步设计中，明槽段断面为矩形且槽宽16 m，其底坡由两段组成，前段底坡为0.015，后段底坡为0.462。模型试验表明，陡坡段前段水深较大，沿程水流流态平稳，但槽段最大流速接近50 m/s，水流空化数小于0.30，根据水工隧洞设计规范[3]，陡槽段需设置掺气设施。基于此，工程人员设计研究了2道掺气坎方案和3道掺气坎方案：掺气坎间距为75 m，第1道布置于陡缓坡交界处，采用跌坎式，跌坎高度1.5 m；第2道和第3道采用坎槽式，挑坎高度0.4 m、槽深1.4 m，每道掺气槽均在两侧布置通气孔，通气孔面积3.97 m2。

模型试验表明，当泄洪流量大于2 000 m3/s时，2道掺气坎均能正常工作，掺气空腔稳定，无回水现象出现。闸门局开流量为1 000 m3/s时，第1道掺气坎内出现局部回水，但掺气空腔仍然保持稳定；当流量为600 m3/s时，由于流速降低，第1道掺气坎基本失效。模型试验中，掺气浓度最小维持在2.5%左右，由于掺气浓度相似影响，原型值通常大于模型值。当原型的掺气浓度大于3%时，预计可以满足掺气减蚀要求，而对应通气孔最大风速为21 m/s，通气孔面积也满足要求。

由不同流量的试验结果可知，大流量时第1道坎掺气较为充分，第2道坎掺气量只有第1道的一半左右。随着流量减小，掺气起始位置下移，第1道坎掺气效能下降，第2道坎掺气量有所增大，第3道掺气坎的工作效率最高。鉴于溢洪道运行流量变化范围较大，为保证在小流量下陡槽段的掺气减蚀效果，在实际体型设计中设置了3道掺气坎。

4.2 挑流段

双江口洞式溢洪道轴线与下游河道大角度相交，当夹角约为50°时，不利于挑流水舌沿河道方向扩散，亦不利于下游水流平顺衔接归槽，且易形成回流。此外，溢洪道上下游存在240 m的高水头差，为了防止泄槽流速过高，溢洪道在布置上不得不抬高出口高程，使得在小流量情况水流下出现砸本岸和开挖量大的问题。

在初步设计中，洞式溢洪道出口体型为非对称扩散平切体型，宽度由16 m扩宽至25 m(见图4)，下游河道基于水垫塘的设计思路，采用大扩挖及深挖方案。模型试验反映，出口为平切体型时，挑射水舌入水点的纵向变幅范围过大，水舌从河床中央下潜顶冲对岸导致对岸冲刷严重，水体空中扩散不充分但均匀，岸边流速过大且存在回流，仍具有小流量起挑困难及砸本岸问题。此外，下游河床采用大扩挖及深挖方案，对下游消能未起到应有的效果。

图4 初拟出口平面布置

针对初拟方案存在的缺陷，按如下思路对出口体型进行调整：挑坎高程距河床超过100 m时，采用小角度、零角度或负角度挑角，减小入水水舌纵向变幅范围；加大挑坎扩散角使水流扩散更加充分，减轻对下游河道冲刷；为适应河道与溢洪道轴线的大角度几何关系，尽量使水流落点沿河方向展开，顺应地形挑坎出口可考虑斜切出口。经过优化调整，最终推荐挑坎体型为斜切鼻坎型式，两侧边墙非对称扩散，左侧边墙扩散半径为350 m，右侧边墙采用圆弧接直切线扩散方式，圆弧半径为350 m，在泄槽末端后设挑流反弧段，反弧半径为100 m，挑角为-4.781°～0°；适当减小下游两岸扩挖范围，对挑坎以下边坡及对岸进行了适当扩挖，并与下游河岸平顺相接。推荐挑坎体型结构平面布置见图5。

图5 推荐挑坎体型结构平面布置

模型试验验证表明，在推荐挑坎体型下水流空中扩散及消能充分，水舌落点基本沿河方向散开，入水单宽流量小于50 m3/s；在校核洪水工况下，挑坎水舌挑距约为160～200 m，水舌入水角约为65°，主水舌落在靠近河中偏本岸侧，减轻对对岸的直接冲刷，本岸未出现回流；右侧增加小贴角，解决了Q为500 m3/s时主流基本不砸本岸的问题，虽有局部散溅水点，但可通过混凝土护面解决。

在推荐挑坎体型下，左岸最大流速约5.3 m/s，右岸最大流速约6.09 m/s。从河床冲刷形态来看，消能洪水工况下，在本岸溢洪道轴线下游约150 m处形成一堆丘，其他范围总体上表现为冲刷形态；河床中部冲坑最低点发生在溢洪道轴线上游约55 m处，相对冲深约20 m；对岸冲坑最低点发生在溢洪道轴线下游约25 m处，相对冲深约10 m；冲刷主要涉及覆盖层。从下游冲刷和岸边流速分布结果看，优化后的下游河道扩挖可行，虽然冲坑较深，但冲坑落在覆盖层，对基岩影响不大。岸边流速及下游冲刷形态见图6～7。