水电站泄洪建筑物的消能试验研究

韩鹏辉 张 浩

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西 西安 710065）

1 概述

玛尔挡水电站是龙羊峡上游黄河干流湖口～尔多河段规划的第十二个梯级水电站，是该河段规划梯级电站中规模最大、经济效益较好的水电站，是“西电东送”北通道的骨干电源点。电站枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、右岸泄洪放空洞及溢洪道、右岸引水隧洞及地下厂房系统等组成。电站正常蓄水位以下库容13.743亿m3，可能最大洪水（PMF）8530m3/s，混凝土面板坝最大坝高211m，电站运行额定水头182m，属坝高、水头高、洪水小、库容小。对于电站枢纽布置经历了初期与可研深化两个阶段的研究设计。依据工程枢纽区地形地质条件，最终选定方案中泄水建筑物均布置在右岸，并与输水发电建筑物同岸重叠布置；但其溢洪道泄槽段、泄洪洞无压洞段大部分与右岸地下厂房洞室群布置立面上错开，平面上交叉，使得溢洪道、泄洪洞设计水头高、无压段长，其高速水流造成消能区天然河道窄、水垫浅的消能问题十分突出。因此，深化设计阶段将通过整体水力学模型试验，重点解决其消能问题。通过鼻坎消能工的筛选与优化，使挑流水舌小流量不砸本岸，大流量不顶冲对岸，冲刷区的冲坑位置及冲坑深度在合适的范围内。

2 实验模型设计与制作

整体的水工模型试验由西北农林科技大学水工所承担。模型比尺1∶100，上游库区长度取坝轴线以上河道距离775m，岸坡地形顶高程模拟至3285m；下游河道从下游坝坡坡脚沿河道距离截取1200m，两岸岸坡地形顶高程模拟至3120m。库区地形为定床，下游混凝土护岸区及两岸岸坡按定床模拟，下游河床从坝脚至左岸混凝土护岸末端下80m动床模拟（长度约920m），定床长度280m；溢洪道鼻坎末端以下游360m范围内基岩按变质砂岩模拟，距溢洪道末端360m以下游基岩按粘土岩模拟；泄水建筑物及电站进水口用有机玻璃制作；库区及下游河道定床用水泥砂浆抹面。试验中模拟下游河道覆盖层、粘土岩抗冲流速1.5m/s（模型沙当量粒径范围取0.5mm～1.0mm），基岩抗冲流速为 4.5m/s～5m/s（模型沙当量粒径范围取5mm～8mm）。

3 主要试验成果

试验依据枢纽布置深化方案，重点对泄水建筑物进行了对称窄缝、不对称窄缝、曲面贴角、不对称扩散、对称扩散等消能工体型的不同组合的试验筛选和研究论证，最终提出的泄洪洞采用不对称扩散鼻坎体型、溢洪道三孔采用对称曲面窄缝鼻坎体型差动不对称布置，解决了选定方案的泄水消能问题，鼻坎消能工优化工作还在进行，相应的对比试验已委托中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司科研所展开。所选定方案的试验成果及主要结论如下：

3.1 枢纽布置

泄水建筑物布置于大坝右侧，轴线方向与下游河道流向的夹角不大，有利于下泄洪水归顺河道。电站正常发电运行时，引水建筑物进口和出口尾水渠流态平稳，基本不受泄洪影响。在设计洪水标准内，泄水建筑物泄洪运行未造成下游严重冲刷，冲坑不危及大坝、建筑物和下游两岸岸坡的安全。所以枢纽的整体布置方案是合理可行的。

3.2 泄水建筑物体形

各运行工况下，溢洪道进口、堰面及泄槽流态均为平稳（宣泄PMF时，左孔进口产生绕流流态），各部位压力分布正常（宣泄PMF时，堰顶2#～4#测点范围存在较小的负压（-0.25×9.8kPa～-1.2×9.8kPa））。溢洪道缓坡段沿程平均流速变化不大，在20m/s～22m/s之间；陡坡段流速沿程逐渐增大，至陡坡下反弧末断面（溢0+410.361m）时，设计和校核两工况的平均流速分别为42.50m/s和44.23m/s。

各运行水位泄洪洞进口水面平静、无漩涡，洞身流态平稳；泄洪洞有压圆洞各断面洞壁基本呈静压分布，沿程压力逐渐降低，符合有压洞压力分布规律；有压洞渥奇面段无负压，洞身底板压力分布正常。运行库水位为3220.0m时，有压洞内不会发生明满流交替的不利流态。泄洪洞无压洞缓坡段流速沿程略有减小，该段断面平均流速在33m/s～36m/s之间；从渥奇面以下，流速沿程逐渐增大，至反弧起始断面（泄0+550.946m）时，设计和校核两工况的平均流速分别为39.14m/s和40.88m/s。

泄水建筑物溢洪道和泄洪洞的结构布置方案是合理的。

3.3 泄流能力

溢洪道、泄洪洞的泄流能力率定结果表明：校核（PMF）、设计（0.1%）工况下，溢洪道全开时，试验率定的泄量分别为6712m3/s、4375m3/s， 较 相 应 的 设 计 值 6506m3/s、4193m3/s，分别大3.17%、4.33%；泄洪洞率定的泄量分别为2268m3/s、2193m3/s，比相应的设计值 2100m3/s、2021m3/s，分别大 8.0%、8.5%，泄流能力满足设计要求。

3.4 下游河道冲淤

泄水建筑物正常蓄水位泄洪时，泄洪水头接近190m，出挑流速超过40m/s，相应下游水深仅有12m左右。溢洪道、泄洪洞出口位置前后错开的幅度有限，消能区冲淤问题突出；因而溢洪道和泄洪洞挑流消能工体型的选择与优化是本次试验的重点和难点。本着尽量分散水舌，控制各水舌落点，增大水舌入水区域，避免集中冲刷的原则，并兼顾水舌形态、死水位水舌跨岸及挑坎结构设计等因素，通过几十组挑坎体型与不同组合方案的试验对比，提出了目前试验阶段的消能工选定方案，即溢洪道三孔采用体型相同的曲面贴角窄缝式挑坎（见图1），泄洪洞采用左边墙扩散连续挑坎（见图 2）。

图1 溢洪道选定方案鼻坎消能工体形

图2 泄洪洞选定方案鼻坎消能工体形

溢洪道和泄洪洞消能工选定方案主要泄洪工况的冲刷试验结果表明：①各泄洪工况下，溢洪道和泄洪洞初步推荐挑坎均能形成纵、横向扩散比较充分的水舌形态，各孔水舌导向落点适宜。溢洪道挑坎也能实现在死水位（3265m）泄洪时，水舌跨越本岸的设计要求。②当下泄100一遇（总泄量4390m3/s）及其以下洪水时，消能区左护岸坡脚最大冲深高程在3072m以上，右护岸坡脚最大冲深高程在3070m以上，满足设计试验要求；当下泄洪水超过100年一遇至设计洪水时，右护岸坡脚最大冲深高程仍能达到3070m，但左护岸坡脚冲刷深度增大，冲刷最深点高程降低至3065m左右，未能满足设计试验要求。

3.5 消能区左右岸混凝土防护范围

试验表明溢洪道、泄洪洞宣泄设计及设计以下洪水时，水舌落入河槽后，左右两岸边均产生了回流；大洪水左岸边回流流速较大；泄洪洞泄洪时右岸流速较大。为确保消能冲刷区两岸边坡的安全，两岸边坡进行混凝土防护是必要的。下游河道防护按100年一遇洪水设计，目前右岸的护岸设计范围是适宜的；左岸从左护岸坡脚点ZX5与右护岸坡脚点YX8相连断面（消能区河道最窄断面）以上，岸坡是必须防护的，该断面以下河道扩宽，流速减小，左岸边流速一般在1.0m/s～2.5m/s之间，设计可根据此段左岸坡的抗冲强度确定护岸长度和形式。

3.6 下游河道淤积对电站尾水位的影响程度

从下游淤积体对电站尾水的影响的试验结果来看，泄洪后电站单独运行时，由于下游河道淤积的影响，电站尾水位有所壅高。100年一遇洪水溢洪道泄洪所形成的下游淤积体横跨河床，对电站尾水的影响较大，当2台、3台机组发电时，淤积体使电站尾水位分别抬高2.66m和2.85m；30年一遇洪水的下游淤积体靠左岸，右岸边有30m～40m的通道，当2台、3台机组发电时，尾水分别抬高0.46m和0.72m。初步分析认为：通过进一步优化消能方案和泄洪运行方式，可减轻下游淤积，但要完全消除对电站尾水影响的难度较大；建议采用消能区天然河道覆盖层预挖或100年一遇洪水后消能区清淤疏浚工程措施，使电站尾水位壅高问题可以合理解决。

4 结论

经过针对此次工程泄水建筑物消能问题所进行的水工模型试验，已在原有可研深化阶段选定的枢纽布置方案的基础上，验证了泄水建筑物位于大坝右侧的枢纽整体布置以及溢洪道和泄洪洞的结构布置等方案的合理性与可行性。但通过试验发现，工程当中仍存在一些问题：按照可研深化布置方案运行时，工程下游河道冲淤问题依旧突出；由于下游河道淤积的影响，使得电站尾水位有所壅高等。要彻底解决这些问题，还有待于进一步的研究与探讨。陕西水利

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