冉渡滩水库泄洪消能方案比选与研究论证分析

蔡平

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

冉渡滩水库工程位于贵州省务川县丰乐镇境内，为乌江下游左岸一级支流洪渡河梯级规划水资源利用开发的第三级，坝址以上流域面积997km，多年平均径流量7.03亿m，多年平均流量22.3m/s。工程主要任务以供水和灌溉用水，兼顾水力发电。解决务川县城中心城区18万人和南部片区5个乡镇0.92万农村人口及16.4万头牲畜饮水、5.36万亩耕地灌溉以及大坪、镇南两个工业园区共15.62km工业供水，年供水量为9120万m/a；电站装机17MW，多年平均发电量6050万kW·h。

水库正常水位为738m，死水位为724m，为不完全年调节水库。水库设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇，泄洪消能防冲洪水标准为30年一遇。水库洪水调度以保证大坝安全为原则进行调度，即当来水流量小于起调水位（738m）相应的泄流能力时，来多少泄多少，当来水流量大于等于738m相应的5孔最大泄量（3670m/s）时，按敞泄方式泄洪，水库水位开始上涨，直至来水流量与泄流量相等时水位达到最高点，当来水流量小于水库水位相应的泄流能力时，库水位开始下降，直至库水位下降至起调水位738m。洪水调度中按水库水位涨率按（0.2m/h）逐孔开启闸门（遵循先开中孔再开边孔对称开启的原则），初期控制来量等于泄量。

2 泄洪建筑物布置及结构设计

由于坝址段河道比较狭窄，两岸地形又为不对称性的“V”型走向河谷结构，且左岸为顺向坡，右岸为逆向坡，出露地层岩性左岸、河床及右岸中下部主要为薄层为主夹中厚层灰岩及泥质灰岩，右岸中上部为页岩夹极薄层含钙质泥岩及薄至中厚层灰岩。结合坝址位置地形地质条件和水文洪水成果及交通条件，经水库枢纽建筑物和发电厂房的布置及结构选型等综合技术方案论证分析比较后。确定水库枢纽及电站总体布置方案为：挡水大坝为碾压混凝土重力坝；泄洪建筑物布置在大坝河床中段，为坝身表孔设闸泄洪和下游设消力池底流水跃消能；供水取水建筑物布置在大坝左岸坝肩上侧，为库内岸塔式取水、有压隧洞及输水压力管道至务川供水区；电站发电引水建筑物布置于大坝右岸，采取坝前塔式取水、坝内穿管、再沿岸坡引至下游发电厂房，再经尾水渠排入洪渡河。

大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程742.5m，坝顶宽8m，最大坝高69m，坝顶长180m。

溢洪道布置于大坝河床中段，采取坝顶设闸控制的开敞式表孔泄洪+消力池底流水跃消能形式。共设表孔5孔，单孔宽7m，溢流净宽35m，中间设4个中墩和2个边墩，闸墩长32m。溢流堰为WES实用堰，堰顶高程724m，堰顶下游设7×14.5m弧形工作闸门和液压启设备。溢流面曲线由上游1/4椭圆曲线（x/5.3+（3-y）/3=1）、下游面WES曲线（y=0.0463x）、直线（1∶0.80）和反弧曲面（半径20m的圆弧）段组成。消力池底高程677m、消力池全长47m、宽47m、深4 m，尾坎高程681m；消力池出口后设30m长护坦，护坦底部高程678.5m，底板厚1m。溢洪道结构如图1、图2所示。

图1 溢洪道结构平面布置图

图2 溢洪道结构剖面图

3 水库洪水调节成果及下游水位关系（如表1所示）

表1 冉渡滩水库洪水调节成果及下游水位关系表

4 水力学模型试验研究论证分析及结论与建议

4.1 试验目的

1）通过泄洪建筑物水力学模型试验，对泄洪建筑物的布置形式及结构尺寸进行调整和优化，最终提出适合本工程地形特点、地质要求，满足大坝抗洪能力，适应水库各种运行调度方式，泄流通畅，水面波动小且经济合理的布置型式和结构尺寸；2）选择一种较优的泄洪布置方案在不同标准洪水时，满足泄洪及坝身结构要求，且对下游两岸、尾水渠冲刷及其厂房的影响最小。

4.2 泄流能力复核

泄流能力试验结果表明：五个表孔闸门全开时，在库水位为725.07～741.80m时，试验测量溢洪道流量系数m在0.427～0.469之间变化，随堰顶水头的增加而增大。库水位为校核洪水741.28m时，表孔的流量系数为0.467，对应的泄流量为5202m/s，大于设计调洪计算500年一遇洪水所需下泄的最大下泄流量5140m/s；库水位为738m时，表孔的流量系数为0.456，对应的泄流量为3701m/s，大于设计调洪计算50年一遇洪水所需下泄的最大下泄流量3510m/s。由此可见，设计理论计算值与试验值非常接近，且试验值比理论计算值略大1.2%～5.5%，表孔泄流能力满足设计要求。

4.3 消能措施及方案试验研究论证与比较分析

4.3.1 消力池底流水跃消能试验成果

1）消力池压强分布：在各典型工况下，反弧段因为离心力而出现较明显的峰值，这是因为下游消力池内主流潜底，加上压强水头小于流速水头所导致，其峰值随着流量的减小而减小；消力池底板中部及1/4部位的沿程压强分布类似，仅有很小的区别，消力池内压强在中后部呈略微增大趋势，主要是消力池尾坎阻滞水流运动，流速减小，池底压强略有增大。

2）消力池及下游河道流速分布：在校核洪水、设计洪水、消能防冲洪水及20%频率洪水时，最大平均流速约为9.9m/s、6.2m/s、7.4m/s和5.4m/s。当洪水频率大于或等于3.33%时，消力池内的流速为同一量级，而当洪水频率为20%时，下游水位低，消力池内的流速无明显降低；各种典型工况下，出池水流调整较快，至桩号尾0+250m断面，流速分布已经较为接近下游河道的水流流速分布，这是由于下游水位较高所导致。

3）消力池及下游河道的水面线和波动情况：消力池内水流剪切、紊动剧烈，水面波动大，实测平均水面高程虽然为694m左右，但水面波动最高处达到699m高程：其中校核工况（P=0.2%）时，实测河道最大波动值左岸为3.7m、右岸为3.3m；设计工况（P=2%）时，实测河道最大波动值左岸为5.2m、右岸为1.7m；消能工况（P=3.33%，5表孔开度相同）时，实测河道最大波动值左岸为3.8m、右岸为3.6m。总体看，下游河道水面波动平均强度在200年一遇洪水时最大，然后随着下泄流量的降低而减小。

4.3.2 表孔闸墩末端增设“V”形宽尾墩消能试验探索成果

为了提高消力池的消能率，降低水面波动，经在五个表孔闸墩末端增设了楔形体，形成“V”形宽尾墩，以约束水流，增大下泄水流与消力池内水流的剪切，提高消能率（如图3所示）。

图3 表孔闸墩未端增设宽尾墩楔形体消能体型图

试验测量成果：该体型的宽尾墩能够束窄水流，使水流纵向入水，在消力池内与周围水体强烈剪切、混掺，淹没厂坝间导墙，在尾水渠形成大尺度回流，但回流的强度略小于不加宽尾墩时的回流强度。当大流量时，边孔下泄的水流冲击尾水渠的回流，激起很高的水翅，其中右边孔下游飞溅的水团高度超过712.6m，越过了厂房顶部；小流量时，如果单开1、3和5表孔，边孔宽尾墩下游会击溅起更高的水翅；若取消两个边孔的宽尾墩，仅在中部的三个表孔末端设置了宽尾墩与不设置宽尾墩相比，水面高程基本相同，沿程变化规律也基本一致，没有改善尾水渠水面高和波动较大的问题。

4.3.3 表孔出口增设燕尾型挑坎消能试验探索成果

将5个表孔出口修改为燕尾型挑坎，即在连续挑坎的基础上把中部镂空一部分，使水流在到达开口处后，沿程漏入镂空的空间，使水流的出射角由开口处的水平角或者俯角至挑坎末端的挑角，这样把水舌沿流向纵向拉开，分散入水，以提高消能率。

在溢流面高程703m处接反弧半径18m的挑坎，挑坎圆心角为89.34°，出口挑角为38°，出口高程为698.06m。在挑坎的最低处（高程694.31m）开始开口，初始宽度为3.6m，开口末端宽度为6m，两侧剩余挑坎宽度各为0.5m。表孔出口设为燕尾型挑坎消能图如图4所示。

图4 表孔出口设为燕尾型挑坎消能图

试验测量成果：经消能防冲洪水流量时挑流水流流态试验观察，水流基本能够纵向拉开，但拉开的程度不够，没有充分利用近坝区水体消能。电站尾水渠及其下游区域水面波动仍然剧烈。另外，挑射水流分散，有水团越过两侧边墙击溅两岸边坡。经该体型结构进一步优化后，即将把开口位置向上游移动1.57m，使开口处水流的出射角由水平减小为-5°，并在左边孔挑坎的左侧边墙、右边孔挑坎的右侧边墙上增设末端厚0.5m、1∶20的折流器，把水流导向内侧。经消能防冲洪水流量时挑流水流流态试验测量，虽然水流基本能够纵向拉开，拉开的程度较好，且水流分散较为均匀，但仍然存在问题是由挑射水团击溅两岸边坡。

4.4 试验研究论证分析结论及建议

1）试验对全开和局开5个表孔闸门情况下的泄流能力进行了率定。5孔闸门全开时，经试验测算校核工况741.28m时泄流能力为5202m/s（设计值5140m/s）、设计工况738m时泄流能力为3701m/s（设计值3510m/s）。由此可见，设计理论计算值与试验值非常接近，且试验值比理论计算值略大1.2%～5.5%，表孔泄流能力满足设计要求。

2）对表孔闸墩末端增设“V”形宽尾墩消能进行试验探索，经试验测量宽尾墩能够束窄水流，使水流纵向入水，在消力池内与周围水体强烈剪切、混掺。当大流量时，边孔下泄的水流冲击尾水渠的回流，激起很高的水翅，越过了厂房顶部；小流量时，如果单开1、3和5表孔，边孔宽尾墩下游会击溅起更高的水翅；若取消两个边孔的宽尾墩，仅在中部的三个表孔设置宽尾墩与不设置宽尾墩相比，水面高程基本相同，沿程变化规律也基本一致，没有改善尾水渠水面高和波动较大的问题。

3）对表孔出口增设燕尾型挑坎消能进行试验探索，经试验测量水流基本能够纵向拉开，但拉开的程度不够，没有充分利用近坝区水体消能，挑射水流分散，有水团越过原消力池两侧边墙击溅两岸边坡，且挑流水舌入水区底部河道的冲刷比底流消能严重，泄洪雾化降雨强度大于底流消能。

4）消力池底流水跃消能主要试验成果。①水流流态观测结果表明，表孔上游库区水流平顺，但校核洪水流量时库区有明显行进流速；边墩存在扰流现象，但较弱；各典型工况下消力池内均能形成稳定淹没水跃；消力池下游河道水深较大，水流流态较好；②消力池内能否形成淹没水跃与下游河道水位密切相关。水位敏感性分析试验结果表明，坝轴线下400m断面的水位在现有的基础上降低1.5m就会形成临界水跃，如果水位再降低，则消力池内不能形成淹没水跃，将会恶化下游河道水流流态，可能导致河道冲刷，应该保证下游水位；③各典型工况下，消力池内的水流流速最大值为10m/s，且均为同一量级。出池水流流态调整较快，至桩号尾0+250m断面，流速分布已经较为均匀，接近类似工程天然河道的流速分布规律；④不同闸门开启方式时，对比下游河道的水面波动幅度情况可知，5个表孔均匀开启时，下游河道的水面波动幅度相对要小于其他闸门开启方式时的水面波动；表孔泄流越集中，则下游河道的水面波动平均强度越大。综合考虑消力池水流流态和出消力池水流水面的波动情况，从消力池消能效率和下游河道运行安全方面考虑，运行中应遵循“5孔均匀开启优先”的原则，若不能满足，则应对称开启，且应保持中部表孔的泄流量大于边孔的泄流量，相邻两表孔的闸门开度不能相差过大；⑤消力池尾坎下游直接与河道相接段，动床试验表明会有大量的散粒体床沙回卷进入尾水区域，尾水渠最大淤积高度超过5.5m，即淤积高度超过导墙顶部高程。若在消力池尾坎下游修建30m的护坦后，则仅有少量的散粒体在尾水渠内淤积。建议在消力池尾坎下游设置护坦，护坦长度不短于30m；⑥从已建底流消能的工程来看，消力池都存在磨蚀破坏问题，需要在运行一段时间后进行检修。

5 结语

冉渡滩水库枢纽的泄洪与消能问题，通过理论计算与水工模型实验相互验证方式，进一步论证和分析泄洪消能防冲系统结构设计布置中存在问题，以优化和改善泄洪和消能防冲建筑物的布置和结构形式。由于坝址段河谷比较狭窄，地形、地质条件为不对称性的“V”型走向河谷结构（左岸岩层产状为不利的顺向边坡），而水库枢纽建筑物及电站厂房采取相对集中布置，特别是泄洪安全及其电站尾水影响。根据水工模型试验结论及建议，确定泄洪消能方案为坝身表孔设闸泄洪和下游设消力池底流水跃消能方式，既有较好的消能效果，又能在下游较短距离内消除余能，并有效地降低了泄洪雾化的影响。为确保泄洪安全和尽量减少对电站尾水的影响，对消力池出口与电站尾水尾相连段采取先清挖河床及岸坡清挖平顺直后，再设护坦和护岸措施，并加高尾水导墙高度，同时也对尾水采取顺右岸清挖和衬砌支护措施。