凤凰山水电站溢洪道消能结构优化设计研究

谢　龙，陈　李，麻　超，姚　科，曹伟峥

凤凰山水电站溢洪道消能结构优化设计研究

谢龙1，陈李1，麻超2，姚科1，曹伟峥1

（1.江苏交通科学研究院股份有限公司，江苏南京 210017；2.江苏纬信工程咨询有限公司，江苏南京 210000）

凤凰山水电站位于山区转平原入口的冲积扇上，枢纽消能防冲的方案设计关系到建筑物的安全和下游河床河岸的稳定。为改善其消能段的水流流态，提高效能效率，通过整体水工模型试验，在原设计方案的基础上，对消能段结构进行优化。实际效果表明，推荐方案下消能段水流流态有了明显改善，下泄水流能够平顺地与天然河床相衔接，水流流态平顺，河势稳定，满足工程设计和施工的要求。

溢洪道；优化设计；水流流态；消能工；消力池

在现代山区水电站建设中，由于山区河流坡降大、地表裸露系数高、流速急，且受工程造价及地形限制，溢洪道宽度一般较窄［1］，因此，溢洪道下泄水流往往流态急能量大，若不采取合理的工程措施，势必将对溢洪道边壁与下游河床造成严重的冲刷，甚至可能导致溢洪道建筑物失稳、影响下游河势。因此，科学合理地选择消能措施，减小溢洪道下泄能力，对溢洪道的正常运行，降低工程量与工程造价都具有十分重要的意义［2］。本文以凤凰山水电站溢洪道建设为研究背景，采用物理试验模型，对山区水电站溢洪道的消能措施进行探讨。

1　工程概况及模型比尺

凤凰山水电站工程位于重庆市开县境内，电站坝址位于青竹溪上游观音岩处，坝址控制流域面积36.4 km3，水库正常蓄水位680.0 m，正常蓄水位以下库容1 001.0万m3，校核洪水位681.2 m，总库容1 047 万m3，装机容量为3 600 kW。

工程物理模型在重庆交通大学内河航道整治中心完成，根据模型试验［3］范围、试验研究目的、场地要求、相似性原理所要求的水流流态、表面张力等条件，采用平面比尺和垂直比尺相等的正态模型。根据河工模型制作的要求，必须满足基本的相似条件。表1中列出了满足几何相似、重力相似以及阻力相似等相似条件［4］的模型比尺。

2　原方案试验结果

2.1消能工布置

凤凰山水电站的消能工由陡槽梯坎和下挖式消力池两部分组成。其中，陡槽段分为2段：陡槽段1 为20级2.5 m长、2 m高的梯坎，陡槽段2为13级6 m长、2 m高的梯坎；消力池长55.6 m，深2 m。整个消能段宽度由8 m渐变至24 m，两边墙与中轴线侧向夹角为6.8°。原方案纵向剖面图见图1。

2.2试验结果及分析

分别进行了各级洪水流量情况下，溢洪道下游水流流速和冲刷影响范围的观测试验。图2为原方案消能段在设计工况（447 m3/s）下的流态图。

图2　原方案设计工况下消能段水流流态

由图2（a）可见在陡槽段1，下泄水流均贴着每级梯坎末端连线高速下泄，水体底部与各级梯坎间形成了三角状的低压区，同时由于梯坎凹陷处的稳定涡流与主流的摩擦而产生强烈混掺效应，导致部分水流向两边壁汇聚。在陡槽段1与陡槽段2连接处附近，在梯坎高度不变的情况下，由于长度大幅增加（由2.5 m增大至6 m），大量水体在同一级梯坎内形成连续水跃，在下泄过程中形成紊乱、不连续的射流，水流流速较大，流态恶劣，对梯坎段底板以及边墙的抗冲稳定性也造成了极大的威胁。

由图2（b）可见，水流进入消力池内后流速较大，流向紊乱，形成明显高于主流的水翅现象，且池内水深逼近池边壁高程，水翅最高处高程甚至高于边壁，池深不足。同时，与实测资料对比发现，下泄水流偏离天然河床主流线位置，河床中水流流速较大，对下游河道冲刷比较严重，而且溢洪道出口下游右岸有一由松散岩石堆积而成的大型崩滑体，较大的溢洪道出流流速容易破坏崩滑体的稳定，进而对水电站的正常安全运行和天然河道河势稳定构成威胁。

原方案模型试验结果表明，凤凰山电站采用该方案建设运行后，存在下游河床中水流流速较大，河道冲刷较为严重，对右岸松散崩滑体稳定和下游岸边建筑物设施的安全构成威胁等问题，有必要对溢洪道的泄洪消能形式进行修改和优化。

3　溢洪道消能工优化

3.1溢洪道消能工优化设计

3.1.1梯坎式陡槽优化

阶梯式陡槽的主要消能方式是通过尾坎的作用，强迫水流在最佳位置形成连续的水跃［5］，并且从上一级尾坎跌下的水流在下一级的梯坎内形成以跌落水股，向下游旋滚为主的正反2个旋滚，使得水流所挟带的大量能量通过摩擦、冲击而消散，从而达到消能的目的。

（1） 陡槽段1上半段部分水流贴梯坎末端下泄，可略微延长每级梯坎长度（由原来的2.5 m延长至2.6 m），使水流在与每级梯坎冲击、摩擦后再下泄至下一级梯坎。

（2） 陡槽段1末端（16级梯坎处）水流逐渐脱离梯坎底板，应从此处开始对每级梯坎长度进行延长，且陡槽段1和陡槽段梯坎长度差异过大，应改变此处体形，引导水流渐变。综合考虑，将陡槽段1由20级改为15级，并在陡槽段1末端设置连接过渡段。过渡段共5级，级高均为2 m，长度由3 m渐变至5 m。

（3） 陡槽段2每级长度略长，下跌水股在每级梯坎跌落处不一致，导致射流幅度、方向相互交错，水流流态紊乱，因此根据陡槽段2入口处射流下泄轨迹，将长度由6 m缩短至5.5 m；并根据周围实际地形条件，将梯坎数由13级缩减为11级。

3.1.2消力池优化

高速下泄水流在消力池内可能发生临界式水跃、远驱式水跃、淹没式水跃，这3种水跃，特别是远驱式水跃对消力池的池底及边墙具有相当巨大的冲刷破坏作用［6］，为防止这种破坏，保证水工建筑物的正常运行，应尽可能在短距离内消除水流余能，使高速集中水流安全地转为下游的正常缓流［7］。

针对原方案消力池池深不足、出口流速过大等问题，可采用二元水跃公式确定消力池的池长L和池深d。根据计算结果，综合考虑施工可行性及原方案不足，将消力池池长由55.6 m增加至65 m，池深由2 m增大至3 m。计算公式如下［8］：

式中：h1为跃前水深；h2为跃后水深；q为溢洪道下泄流量；h'为初始水头；H0为计算断面渠底以上总水头；φ为消力池出流的流速系数，根据凤凰山电站等别取0.92。Frc为沸汝德数；Lk为连续水跃长度；δ为安全系数，根据凤凰山水电站等别取1.35。

3.1.3设计成果

经计算并考虑设计施工方便，将陡槽分为3段，其中，陡槽段1为15级2.6 m长、2 m高的梯坎；陡槽段2共5级梯坎，长度由3 m均匀增至5 m，高度都为2 m；陡槽段3为11级5.5 m长、2 m高的梯坎。消力池的池深为3 m，池长为64.5m。整个消能段宽度由8 m渐变至24 m。推荐方案消能工布置图见图3。

图3　推荐方案消能工组合设计成果图

3.2推荐方案消能效果

梯坎段和消力池流速值分别见表2、表3。

表2　梯坎段流速值分析比较　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 m/s

表3　消力池流速值分析比较

结果表明，推荐方案在陡槽段出口处的流速小于入口处的流速，不但损耗了整个梯坎处水头落差的重力势能，还减小了一部分动能。相比之下，原方案在陡槽段出口处的流速要大于其在进口处的流速，消能效果不理想。同时，推荐方案下的梯坎段流态有了明显的改善，水流基本贴底坡下泄，空化现象显著减弱，陡槽末端的乱向射流有了明显改善，各梯坎处水跃趋于均匀。

从表3中数据可看出，推荐方案在增加消力池池长、池深的情况下，下泄水体在池内有更充分的空间不断旋滚、摩擦，很好地耗散了高速水流所挟带的动能。推荐方案的出池流速以及下泄流速均小于原方案，消能效率提升比较明显，消能效果良好。同时，由图4也可知，推荐方案下，消力池内水流流速更加平缓，很好地消除了水翅现象，提高了工程运行的稳定性。

图4　推荐方案设计工况下消能段水流流态

4　结论

水库溢洪道是水库安全的重要保障，而消能形式又是溢洪道设计的重点、难点，关系到枢纽其他主要建筑物及下游建筑物的安全问题。合理选择消能形式不仅使工程安全可靠，而且能够节约工程投资。本文根据凤凰山电站原方案消能工存在的不足，综合地质地形条件进行了优化设计：

（1） 将陡槽段1的每级梯坎的长度由2.5 m延长至2.6 m，保证了水流与梯坎充分的旋滚、摩擦。

（2） 根据原方案流态情况，从水体开始脱离底板形成乱向射流的区域开始设置过渡段，将原陡槽段1由20级改为15级，并在陡槽段1末端设置过渡段。过渡段共5级，级高均为2 m，长度由3 m渐变至5 m。

（3） 将原方案陡槽段2每级梯坎长度由6 m缩减至5.5 m，梯坎数由13级缩减为11级，很好地改善了原方案该位置下跌水流在每级梯坎落点差异大，射流幅度、方向相互交错、水流流态紊乱的不利现象。

（4） 参照二元水跃公式，将原方案消力池池长由55.6 m增加至65 m，池深由2 m增大至3 m，很好地耗散了高速水流所挟带的动能，消减了水翅现象，提高了消能率。同时，池深的增加也缓解了两边壁高度不够，水流漫溢的威胁。

本文针对凤凰山水电站溢洪道“连续陡槽梯坎+消力池”的消能工组合进行了体形优化设计，在各级流量工况下，均很好地提高了梯坎段与消力池的消能效率，大幅降低了下泄流速，减小了对下游河道的冲刷破坏。试验结果表明，推荐方案下消能段水流流态有了明显改善，达到了较为理想的消能效果，下泄水流能够平顺地与天然河床相衔接，水流流态平顺，河势稳定，满足工程设计和施工的要求，对其他类似工程有着重要的参考价值。

［1］SL253—2000溢洪道设计规范［S］ .

［2］吴持恭.水利学（第三版，下册）［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］王世夏.水工设计的理论和方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［4］杨胜发，付旭辉，重庆市彭水县羊头铺水电站水工模型研究报告［D］.重庆：重庆交通学院，2005.

［5］宋永嘉，田林钢，李河.溢洪道进水渠进口形式试验研究［J］.人民黄河，2005，27（9）：56-57.

［6］李建中，宁利中.高速水力学［M］.西安：西北工业大学出版社，1994.

［7］胡鹏飞，袁观栋.刘家沟水电站溢洪道进口导墙体型优化试验研究［J］.吉林水利，2011（1）：25-27.

［8］胡鹏，胡江.中咀坡水电工程溢洪道水工模型试验研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2010，29（5）：813-815.

Optimization Design of Spillway Energy Dissipation for Fenghuangshan Hydropower Station

Xie Long1， Che Li1， Ma Chao2， Yao Ke1， Cao Weizheng1
（1. Jiangsu Transportation Institute， Nanjing 210017， China；2. Jiangsu Weixin Engineering Consulting Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Fenghuangshan hydropower station locates in the entrance of alluvial fan， it's energy dissipation design relates to the building safety and stability of downstream river banks. To improve water flow regime of energy dissipation section and increase the efficiency， energy dissipation section is optimized using integral hydraulic model test on the basis of the original design scheme， the actual effects show that water flow regime of energy dissipation section is improved significantly， the drainage water links up with natural river smoothly， the river regime is stability. The spillway energy dissipation meets the requirements of engineering design and construction.

spillway； optimization design； water flow regime； energy dissipator； strilling basin

F562.0

A

1672-9889（2015）01-0071-04

国家自然科学基金（项目编号：50879006）

谢龙（1988-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事港口、海岸工程模拟技术的研究工作。

（2014-03-24）