大渡河沫水电站枢纽泄流能力及消能防冲研究

谌祖安 ，张绪进 ，刘 洋 ，张 湛 ，李战强

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016）

1 工程概况

大渡河沫水电站坝址位于大渡河干流与玉溪河汇流处上游250 m处，距上游沙湾水电站尾水渠出口约4 km，控制流域面积 76 587 km2，河道比降 1.23‰，多年平均流量1 490 m3/s。电站初步拟定正常蓄水位405.00 m，额定水头5.0 m，设计引用流量 2 569 m3/s，单机引用流量513.80 m3/s。电站采用单一级开发方式，为河床式方案，装机容量5×22 MW。各特征水位及流量见表1。沫水电站主要建筑物包括：泄洪冲砂闸、电站主副厂房、副坝等，次要建筑物包括：拦砂坎、上、下游导墙等，枢纽布置图见图1。本文通过整体水工模型试验对大渡河沫水电站枢纽工程泄洪闸的规模和泄洪能力、闸下消能型式与消能效果进行研究和论证，优化沫水电站枢纽布置，保证泄洪、防冲的安全、高效。

表1 各特征水位及流量表

2 模型的设计

模型设计时考虑了在枢纽上、下游留有足够长的调整过渡段，使研究河段的水流流态及流速分布达到相似。沫水电站整体水工模型选用几何比尺为λL=λh=80的正态模型[1]。模型范围包括：从坝轴线上游约1.2km开始至坝轴线下游约1.3 km为止，模拟原型河道总长约2.5 km。 模型水流运动各项相似比尺值为

3 泄流能力研究

3.1 闸坝平面布置[2]

沫水电站枢纽坝顶高程408.60 m，最大坝高17.10 m，枢纽坝轴线总长532.00 m。泄洪冲砂闸布置在主河床中部位置，闸段全长258.00 m，共15孔，其中紧靠电站厂房的5孔为冲砂闸，其余10孔为泄洪闸，采用相同结构布置，闸底板每两孔分一永久缝，每个泄洪（冲沙）闸孔净宽 14.00 m，闸室净高 11.60 m（挡水高度8.0 m），闸室顺水流方向长 21.00 m，闸墩厚度 3.00 m，墩顶高程408.60 m。 闸底板厚 3.00 m，底板高程 397.00 m，基本与原河床地面平均高程持平，建基面置于白云岩弱风化层T 2 L上，建基面高程387.00 m。闸室下游采用底流消能，设 35.00 m 长，3.00 m 深的消力池，消力池内设Φ80 mm的排水孔，孔排距3.00 m，梅花型布置。始端以 1∶4的坡度连接，连接段长12.00 m。泄洪闸剖面图如图2所示。

图1 沫水电站枢纽平面布置图

3.2 泄流能力研究[4]

为掌握沫水电站的泄流能力，试验在电站停机、闸门全开（即当上游来水流量Q＞4 500 m3/s时，电站停止发电，泄洪、冲砂闸敞泄）情况下，实测了Q=4500～12200 m3/s共9级流量的坝前水位资料。模型推荐方案相比设计方案上游疏浚范围从坝上250.00 m延长至360.00 m，疏浚高程仍为 397.00 m，拦沙坎外坝轴线上游250.00 m范围内冲沙闸所在分厢一侧区域进一步疏浚至395.00 m，电站前池底高程由 397.00 m 降低至 393.00 m。试验观测表明：模型推荐方案实测坝前水位较设计计算的坝前水位偏低0.07～0.34 m；随着上游来水流量的增大，模型实测坝前水位逐渐接近设计计算的坝前水位，其中当上游来流量为100年一遇频率洪水Q=10 800 m3/s时，模型实测坝前水位较设计计算的坝前水位略高1 cm；当上游来流量为300年一遇校核洪水Q=12 200 m3/s时，模型实测坝前水位较设计计算的坝前水位略高 4.00 cm。可以得出：该枢纽在Q≤9 970 m3/s（P=2%，设计洪水）的各级流量情况下，枢纽实际泄流能力略大于设计计算的泄流能力，而当流量Q＞9 970 m3/s（P=2%）以后，枢纽实际泄流能力与设计计算的泄流能力基本一致，说明该枢纽的泄流能力基本满足设计要求。模型实测与设计坝前水位流量关系如图3[5]。

图3 模型实测与设计坝前水位～流量关系曲线

4 坝下消能及改善措施

4.1 设计方案坝下消能[6]

按照设计拟定的沫水电站水库运行方式，当上游来水流量Q≤4 500 m3/s时，电站正常发电，水库水位控制在正常蓄水位405.00 m运行；当上游来水流量Q＞4 500 m3/s时，电站停止发电，泄洪、冲砂闸敞泄。试验观测表明：各级流量敞泄情况下，由于闸门全部开启，故枢纽河段水流流速相对较为均匀，坝前100.00 m处最大面部流速在 6.02～6.90 m/s之间，最大底部流速在4.35～4.72 m/s之间。 坝下 150.00 m 处最大面部流速在6.75～8.19 m/s之间， 最大底部流速在 6.51～7.65 m/s之间，由此可以看出，随着流量逐渐增大坝前水位也逐渐增大，各断面流速变化并不大。因此，设计方案在全闸开启敞泄洪的情况下，由于坝上、下游水位差较小，消力池内及下游水深较大，出池水流扩散均匀，水流平稳，涌浪较小，消能效果良好。

为了了解枢纽在小流量情况下的消能情况，试验观测了设计的拟定闸门控制开启方式情况下，即当2 576 m3/s≤Q≤4 500 m3/s，电站满发，水库保持正常蓄水位 405.00 m 运行，闸门隔孔全开（闸门均开 1#、3#、5#、7#、9#五孔）时的坝下游消能情况。试验表明：在5孔闸门局部开启的各种工况下，由于坝上、下游水位差较大，闸后水深浅、水流急、池内未形成明显的淹没水跃，主流持续距离较远，流速较大，消能效果较差。如此高速的下泄水流连同所挟带的粗沙卵石可能对闸下游的护坦和海漫造成严重的磨蚀破坏，并对下游河床产生较为严重的冲刷。

通过对沫水电站枢纽整体的消能情况进行观测可知，全闸敞泄时大坝下游消能情况较好，但在电站蓄水运行，闸门隔孔全开情况下，大坝下游消能效果较差，需要针对泄洪（冲砂）闸作适当的调整优化以改善坝下游消能条件。

4.2 消能方案的优化措施

为了优化沫水电站枢纽消能工结构尺寸，针对设计方案消能工在不同开度情况下水流流速、流态进行了观测。由于设计方案Ⅰ区冲沙闸与Ⅱ区泄洪闸下游消力池的结构尺寸完全相同，因此试验中仅对Ⅰ区冲沙闸进行各种方案的调整优化。试验针对设计方案，观测了电站5台机组满负荷发电、坝前保持正常蓄水位405.00 m运行条件下，冲沙闸不同开启孔数和不同开启高度情况下，大坝下游的水面衔接与消能情况，试验时下游尾水位按电站满负荷发电引用流量加局部下泄流量对应的水位进行控制。在冲沙闸局部开启，闸门开启高度超过2 m的各种工况下，闸后水深浅、水流急、高速主流持续很远，对下游河床产生较为严重的冲刷。由此说明设计方案冲沙闸下游消力池底板高程过高，池内水跃紊动不充分，大坝下游水流扩散效果差，不能满足消能要求。

针对沫水电站设计方案大坝下游消能设施存在的主要问题，综合考虑沫水电站枢纽的总体布置与施工方案，经反复对比试验分析，主要对大坝下游的消能工布置作以下调整和优化：①将泄洪（冲沙）闸下溢流堰和消力池底板之间顺坡的斜率由1：4增大至1：3，池后反坡由1：1减缓至1：2；②将Ⅰ区冲沙闸和Ⅱ区泄洪闸下游消力池底板高程由394.00 m分别降低至392.00 m和 392.50 m，消力池池长均为 40.00 m；③池后海漫起点顶高程由 397.00 m 降至 395.00 m，其后以i=1/302.5的顺坡降至河道整治高程394.50 m。

4.3 修改方案消能效果

试验同样观测了沫水电站满负荷发电，大坝前水位保持正常蓄水位405.00 m运行，冲沙闸不同开启孔数和开度情况下，实测了消力池下游的流速分布（见表3）和闸下游的水面衔接与消能情况。试验结果表明：修改方案在冲沙闸单孔和多孔局部开启的各种试验工况下，在冲沙闸下消力池内均能形成完整稳定的水跃，池内水流紊动充分，出池水流均匀、流速相对较小、扩散效果好，池后水流很快恢复到表面流速大、底部流速小的天然面流情况。与设计方案相比，海漫及下游河床底部流速均明显减小，说明该方案消能效果显著改善，试验取得了较满意的效果。此外，修改方案在冲沙闸单孔或多孔局部开启且开度达到4 m以上时，消力池下游流速达到4 m/s以上的区域较大，将对海漫以下河床产生一定的冲刷[7]。

表3 推荐方案I区冲沙闸闸门局部开启情况下闸下游最大流速统计表 m/s

5 结语

沫水电站枢纽在各级洪水流量情况下，模型实测坝前水位与设计的坝前水位较为接近，当上游来水流量P=1%的洪水Q=10 800 m3/s时，模型实测坝前水位较设计计算的坝前水位略高1 cm；当上游来流量为P=0.33%的校核洪水Q=12 200 m3/s时，模型实测坝前水位较设计计算的坝前水位略高4.00 cm。说明该枢纽的实际泄流能力基本满足设计要求。

修改方案通过对闸下消力池的结构尺寸进行调整、对闸门开启顺序与开启高度进行适当控制，有效地改善了大坝下游的消能条件：

（1）修改后的冲沙闸在单孔或多孔局部开启且开度小于4.00 m的各种工况下，消力池内均能形成完整稳定的水跃，池内水流紊动充分，出池水流均匀、流速相对较小，池后水流很快恢复到表面流速大、底部流速小的天然状况，消能效果良好。

（2）在泄洪（冲沙）闸组合开启的条件下（即先开启5孔冲沙闸、后局部开启泄洪闸），泄洪闸下游消力池内均能形成完整稳定的水跃，池内水流紊动充分，出池水流较为平缓，消能效果亦较良好。

（3）在实际运用中，应尽量避免冲沙闸单孔局部开启较大或多孔开启超过4 m以上，以减小大坝下游的流速，确保大坝下游河床稳定。

［1］吴持恭.水力学［M］.北京：高等教育出版社，1979.

［2］ 张绪进，樊卫平，张厚强.低闸枢纽泄流能力研究［J］.水利学报，2005.(10).

［3］左启东.模型试验的理论和方法［M］.北京：水利电力出版社，1984.

［4］王海云，杨 庆.大单宽流量泄流消能方式研究［J］.水力发电，2006.(08).

［5］张春财，杜 宇.低水头泄水建筑物消能防冲研究［J］.长沙理工大学学报(自然科学版)，2008，(02).

［6］ 李东开.低水头、大流量消能设计几点体会［J］.东北水利水电，1995（12）.

［7］毛 野.水工定床模型相似度的研究［J］.水利学报，2002(07).