桂花水电站掺气分流墩与消力池联合应用消能效果的研究

张应亮

（陕西省旬阳县水电局,陕西 旬阳 725700）

1 问题的提出

桂花水电站工程地处旬阳县桂花乡境内，位于汉江南岸一级支流坝河的下游。本工程为不完全年调节水库，引水式电站。水库总库容3252万m3，调节库容2236m3。枢纽建筑物包括挡水及泄水建筑物，引水建筑物、发电站厂房及开关站三部分。挡水及泄水建筑物由大坝、溢流坝顶泄水闸及排沙底孔组成。大坝布置在河谷狭口上游40m处，为浆砌石单曲拱坝。水电站装机容量2×6000kW，保证出力2453kW，多年平均发电量4499万kWh，年利用小时数3479h。

桂花水电站溢流坝体型布置如图1所示，为溢流拱坝。坝高55.5m，大坝设计洪峰流量1550m3/s（p＝2%）， 校核洪峰流量 2150m3/s(p=0.2%)。正常蓄水位294.00m，相应的下游水位为255.5m；设计水位294.655m，相应的下游水位为256.26m；校核水位296.195m，相应的下游水位为258.17m；死水位279.00m。坝顶弧长57m，溢流坝坝顶高程为288.0m，非溢流坝坝顶高程为296.50m。

对此布置的水流流态和水舌落点处的流速分布进行了观测[1]，水流流态如图2所示（照片）。可以看出，由于溢流坝断面沿程缩窄，水流流态受断面缩窄影响，同时受拱坝向心力影响，水流沿程不断缩窄；当水流落入下游河床时，水舌集中，实测设计水位情况下水舌宽度为20.4m，校核水位时为28.8m。落点水舌宽度比溢流坝出口宽度大大减小，设计水位减少了45%，校核水位减小了23%。

水舌落入河床后，在落点处掺入大量空气。但同时也可以看到，水舌落入河床后偏向左岸流动，右岸为回流区。而且主流宽度沿程减小。这种流态对左岸河床会产生较大的冲刷。而左岸河床在水舌落点下游约200m范围内岸坡为土坡，泄流时将会造成土坡坍塌，形成滑坡危及岸边的安全。水舌落点处左岸水流翻滚大，水面波动剧烈，水舌外缘距左岸很近，泄洪时会对左岸造成不利影响。

根据下游河床的流速分布，本研究在整体水工模型的下游河床上布置若干测点。流速测点的布置以拱坝轴线为基线分为平行的三条，每两条线之间的距离为18m，在每条线上每隔40m布置一个流速测点，如图3所示。

测点的流速分布如图4所示。可以看出，在水舌落点处附近 （设计水位落点距坝出口的距离为39.45m，校核水位时为40.35m）流速大。最大流速由2＃测点测得，在设计水位时为27m/s，在校核水位为27.96m/s。3＃测点，在设计水位时为21.14m/s，在校核水位时为23.4m/s；4＃测点以后流速急剧下降，最大流速为10～12m/s左右。由此可见在水舌落点附近，高速水流急剧冲击河床，这是造成下游河床冲刷的主要原因。原型河床的抗冲流速只有5.0m/s，而实际落点处的流速约为抗冲流速的6倍，远远大于抗冲流速。尤其要注意的是，由于主流在左岸，左岸流速大，而左岸又有约200m长的一段土坡，一旦泄洪，势必造成左岸的严重冲刷，甚至造成滑坡。

2 掺气分流墩与消力池联合应用消能效果的研究

由上述试验可以看出，由溢流拱坝下泄的水流偏向左岸，水舌集中，水舌落点附近流速大，对下游河床的冲刷能力大。为了改善水流流态和减小对下游河床的冲刷，试验采用差动坎方案和掺气分流墩方案进行比较，结果证明，掺气分流墩方案大大改善了水流流态，使水流偏向左岸的现象大为减弱，下游河床冲刷高程也比差动坎方案提高了5m左右。因此，提出采用掺气分流墩与消力池联合应用，以保证大坝的安全运行。

2.1 掺气分流墩的设置

掺气分流墩设施是由掺气分流墩墩头、劈流头、侧墙挑坎、底部掺气坎以及支墩组成[2]，如图5所示。由图中可以看出，在每孔溢流面设置了2个掺气分流墩，墩高为6.6m，墩厚为0.96m，墩宽为1.206m。墩的前部为圆弧形，后部为梯形，劈流头为三角形，在墩子的后部设有支墩。分流墩和底部掺气坎的作用是将集中下泄的水流分成多股挑射水流；劈流头的作用是将墩头顶部的水流分开；侧墙挑坎的作用是水流流过侧墙挑坎时，水流向内收缩，在侧墙的背后形成空腔；支墩的作用是支撑掺气分流墩，保证掺气分流墩的稳定性。这样，就使整个水流的底部、顶部和侧面都处于大气中，形成了四面临空的、充分扩散的掺气水流。

在分流墩的布置上，采用中孔，2、4孔和1、5孔的掺气分流墩的设置位置各不相同，这样设置的目的是为了使水流纵向分散时落入不同的位置，从而减少入水单宽流量，减轻对下游河床的冲刷。

2.2 消力池的设计[3]

消力池长度为75m，消力池的轴线以拱坝的坝轴线为准，右岸消力池的进口宽度为21m，出口宽度为25.5m，扩散角为3.434°，消力池的边墙为直墙。左岸的消力池边墙按照左岸的山体布置，为了使水舌全部落入消力池，消力池的进口宽度为21.0m，向下游21.4m处的宽度从21.0m逐渐缩窄为14.4m，然后消力池向左扩散，出口扩散宽度为18m。在消力池进口向下游41.2m消力池的边墙为直墙，再向下游16m为一过渡段，过渡段用扭面连接，扭面下游为一斜墙，其坡度为1：1。为了稳定水跃和增加消能效果，在消力池中布置了6个T型墩，T形墩布置在水舌冲击区，此处流速较大，但由于掺气分流墩水舌挟带了大量的空气，T型墩估计不会发生空蚀破坏，但为了安全起见，T型墩墩头的前部做成流线型，尾部做成扩散形，以增加抗空化的能力；消力池及T型墩的布置和剖面如图6、图7所示。

3 掺气分流墩与消力池联合应用的消能效果

3.1 掺气分流墩的水流流态

掺气分流墩的水流流态如图8所示 （照片）。由图中可以看出，当水流通过分流墩时，分流墩将水流分成20股分散水舌，每股水流都遵循自己的运动轨迹流动，在空中互相碰撞，掺混。分流墩上部的劈流头将分流墩头部的水流劈开，在分流墩的背后有明显的空腔。分流墩底部的掺气挑坎将溢流坝底部的水流挑起，在其底部形成空腔。侧墙挑坎使得水流向内稍有收缩，在其背后形成掺气通道，掺气通道与底部掺气挑坎下的空腔形成通路，整个分流墩的顶部、底部和侧面都处于空腔中，使空气源源不断的掺入水流中。

3.2 消力池的水流流态

消力池的水流流态如图9所示，可以看出，水舌落入消力池后，水流纵向扩散较大，主流稍偏向左岸。当水舌潜入消力池的底部时，由于惯性作用水流反弹，并向两边扩散。扩散水流受底部两排T型墩的阻碍作用，减弱了水流的扩散能力，使得两边墙处水流翻卷较不加T型墩时大为减弱；由于左岸向右凸出，使得左岸水舌落点处的水面波动较大，最大波动约2.5m。落点以后左岸水流沿扭面和斜坡流动，右岸水流波动较小，水面比较平稳。

校核水位时，池后水流有窜升现象，但消力池基本满足消能要求。设计水位和正常水位时水舌落点后水流比较平稳，消力池后水位落差小。

3.3 下游河床的冲刷效果

设计水位、校核水位和正常水位的下游河床的冲刷效果见表1，设计水位的冲刷结果如图10所示。可以看出，各水位情况下冲深高程均高于消力池的底板高程，说明采用消力池和掺气分流墩联合消能效果是非常显著的。

4 结语

拱坝消能的主要问题是水舌沿程集中，单宽流量大，冲击点流速大，压强大，对下游河床的冲刷能力强。本工程采用掺气分流墩与消力池联合消能，可以有效分散水流、充分掺气，具有显著的消能效果，解决了桂花水电站的拱坝消能问题。掺气分流墩设施在拱坝上应用，在我国尚属首次，由于其显著的消能效果，具有广阔的应用前景。

[1]张志昌.桂花水电站水工模型试验[R].西安:西安理工大学水利水电学院,2005.35-61

[2]阎晋垣,唐允吉,郭天德.柘林掺气分流墩设施的研究[J].水利学报,1988(12).46-50

[3]吴持恭.水力学下册[M].第2版.北京:高等教育出版社,1982.28-36