斑桃水电站大坝消能防冲水工模型试验分析

李晓明（陕西省地方电力水电有限公司紫阳水电分公司，陕西 紫阳 725300）

1 工程概况

紫阳县斑桃水电站为具有周调节性能的混合式水电站，该工程由水库大坝枢纽、压力引水隧洞、电站厂房等主要建筑物组成，总装机4200KW。水库大坝枢纽位于汉江二级支流八道河上，控制流域面积193KM2，水库正常挡水位555.0M，总库容280万M3，调节库容165万M3，水库枢纽为小（I）型四等工程，大坝为双曲单园心拱坝，坝顶高程560.5M，最大坝高43M，坝顶弦长100M，溢流堰顶高程555.0M，溢流段长度40M，为四级建筑物。30年一遇设计洪峰流量为800M3/S，200年一遇校核洪峰流量为1050M3/S，水库泄洪采用大坝溢流表孔和冲砂洞联合泄流。坝址处河谷呈“V”型，岸坡陡峭，基岩裸露，山体雄厚，两岸基本对称，坝基下伏基岩为泥质板岩夹砂质板岩、蚀变板岩和辉石闪长岩，岩体较完整，强度高，坝址区无大的不良地质构造。

2 模型制作

模型按重力相似设计，模型长度比尺为λL=50，相应流量比尺为λL5/2，流速比尺为λL1/2，时间比尺为λL1/2，糙率比尺为λL1/6。

3 试验研究

3.1 设计方案溢流表孔为连续式挑坎，挑角为10。。通过对水流流态、表孔泄流能力、水舌落点处压强分布、水舌挑距，下游河床流速分布等要素进行水工模型试验后看出，溢流表孔体型设计较为合理，但存在下列问题：（1）挑流水舌由于受下游地形束窄的影响，左右边孔出流水舌直冲两岸山坡。（2）受拱坝射流向心集中的影响，水流单宽流量沿程增加，水舌逐渐集中，落点处动水压强大，最大时均压强设计水位时为33.25M，校核水位时为39.75M，最大冲击压强设计水位时为37.75M，校核水位时为39.25M，大于理论值。（3）水舌落点处流速大，设计水位最大流速为23.46M/S，校核水位为24.28M/S，远大于河床抗冲流速。（4）冲坑深度大，设计水位和校核水位时最大冲深分别17.25M和20.105M，最大冲坑点距溢流坝段出口39.75M和39M，不满足水舌挑距与冲坑深度大于3的要求。

3.2 鉴于设计方案存在的问题，修改方案的思路是将两边孔水流适当内缩，其它表孔水流尽量分散，以达到水舌不直冲岸坡，而多层分散水流可以降低河床动水压强，以减少河床冲刷深度。经多次试验后确定修改方案溢流表孔体型为：两边孔和中孔采用25。挑角，其余两孔仍用10。挑角；在两边孔外侧加一折流器，折流器尾部宽度1.0M，坡比为1：4，斜面长4.123M；差动坎在两边孔各设1个，其余孔各设2个，差动坎从反弧最低点算高度1.5M，宽1.6M。

4 分析

4.1 水流流态分析：修改方案在两孔外侧导墙加一折角器，使水舌相对集中，避免了水舌对两边岸坡的冲击，采用不同的鼻坎挑角，使水流落点远近不同，采用差动坎将原集中水流分成多股分散水流，模型试验中可明显看到水舌分成远近不同三层21股水流，水层之间和多股水流之间不断碰撞、混掺达到了消能的目的，实测结果表明，修改方案设计水位和校核水位时水舌落点处最大冲击压强分别为29.25M和32.25M，比设计方案降低了8.49M和6.99M，最大时均压强分别为22.75M和26.75M，比设计方案降低了10.5M和7.0M。

4.2 实测差动坎侧面、顶部、背后的压强分布及两差动坎之间的流速，结果表明侧面和顶部未发生负压，但背部仍有负压存在，建议在设计中考虑给差动坎通气，经保证工程运行安全，两差动坎之间流速为13M/S-14M/S之间，不会因流速过大发生空蚀破坏。

4.3 冲刷深度：修改方案在设计水位和校核水位时最大冲深分别为14.925M和18.545M，最大冲深点距溢流坝出口分别为37.5M和36.5M，最大冲深较设计方案减小2.325M和1.56M，最大冲坑范围设计水位时比设计方案小，校核水位相当。

4.4 由于拱坝向心力和下游地形的影响，单宽流量沿程集中，下游冲坑较深。在上游设计水位下调整下游水位，观察其水舌落点处压力变化。结果表明，随下游水深增加，水舌落点处压力峰值迅速衰减，因此在下游适当处修建一二道坝抬高下流水位，避免河床冲刷很有必要。

4.5 虽然修改方案水舌已不直冲两边岸坡，但落入河床的水流动能仍然很大，水流剧烈波动，尤其落点附近水流呈蘑菇状上、下翻滚仍对岸坡有破坏作用，设计中应予以考虑。

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