刘家沟水电站溢洪道泄洪消能方案试验研究

曾施雨，杨胜发，张帅帅，胡鹏飞

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3.长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 401147)

在水利枢纽中，溢洪道是一种主要用于宣泄规划库容所不能容纳洪水的泄水建筑物。根据溢洪道下游河床相应的抗冲能力，水流下泄则会造成不同程度的冲刷。为了防止对河床造成有害冲刷，保证溢洪道的安全运行，选择适当的下泄流量和合理的平面布置外，采取合适的消能形式也是保障溢洪道正常运行的必要措施。

为了确保工程的安全,通过物理模型试验研究对溢洪道的消能形式提出可行的优化方案或改进措施，为同类型的工程设计提供科学的参考依据，并为溢洪道的除险加固提供技术支撑[1]。

1 工程概况

刘家沟水电站位于重庆市巫溪县的小溪河中游的鼻骨梁河段，采用筑坝拦河蓄水进行发电，属于Ⅲ等中型工程。电站水库坝址距其厂址约6.0 km，水库正常蓄水位448.0 m[2]，相应库容1 820 万m3，总库容为1 924 万m3。

2 水工模型设计

2.1 水流运动相似

考虑试验场地大小及供水条件，模型确定采用长度比尺1：50的正态模型。根据定床河工相似性基本准则，模型在满足几何相似、重力相似、等相似条件下[3-5]，由此可获得如下相似比尺(见表1)。

表1 模型比尺

2.2 模型砂选取

模型试验采用天然非均匀砂作为模型散粒体冲料。模型砂的粒径依据工程现场实测河床粒径资料，按照原型岩石河床不冲流速与模型冲料起动流速相似法，利用伊兹巴士公式选择模型散粒体冲料的粒径。计算公式为：

(1)

式中：V为岩石允许抗冲流速，m/s；D为散粒体砂或碎石粒径，m。

根据工程河段实测卵砾石河床资料，按照粒径比尺加工制作模型砂，其中值粒径D50=14.99 mm，见图1。

图1 河床模型砂级配曲线

3 溢洪道消能形式优化

3.1 原设计方案

原溢洪道设计方案为正堰开敞式溢洪道，依次由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及出水渠5部分组成。

3.1.1 试验方案布置

桩号溢0-058.77～溢0+000.0 m为溢洪道进水渠段；桩号溢0+000.0～溢0+018.0 m为溢洪道控制段，控制段选用三孔闸室进水；桩号溢0+018.0～溢0+210.5 m为溢洪道泄槽段；桩号溢0+211.3 m～溢0+225.4 m为挑流鼻坎段。鼻坎采用1段圆弧，半径为20.0 m，中心角40.5°，鼻坎顶高程406.55 m(见图2)。

图2 原方案溢洪道泄槽末段平面布置图(单位：m)

3.1.2 试验现象与效果分析

根据设计洪水与校核洪水的工况下试验结果数据与试验现象分析表明(见表2)，采用设计方案中连续式挑流鼻坎形式的溢洪道泄流消能方案存在以下问题：沿溢洪道中轴线方向从挑流鼻坎挑射出的水流单宽流量大，流速快(见表3)，在靠近河床左岸位置冲击河床，偏离天然河床主流线位置，下游河道冲刷比较严重(见表4)，且易造成右岸岸坡失稳；同时冲刷坑溢出堆积物较多，堆积物堵塞河道现象较为严重，对天然河道的顺畅过流造成较大影响。

表2 设计洪峰流量成果表

表3 泄槽段末端设计洪峰下溢洪道流速水位成果表

表4 局部河床冲刷深度(原方案) m

3.2 方案1岸坡分散水流修改方案

对原方案消能修改方案的试验结果进行分析，考虑采用岸坡分散水流消能形式作为溢洪道消能修改方案的主要目的在于通过将溢洪道出口段过水断面宽度逐渐增大，减小下泄水流的单宽流量，达到分散水流的目的，从而进一步优化消能效果。

3.2.1 试验方案布置

本修改方案对泄槽扩散段首端(桩号溢0+123.5)位置以下区域进行修改，对桩号溢0+123.5以上区域采用两孔闸门泄流修改方案，对其不做修改。

本次试验修改方案布置说明：在桩号溢0+123.5到桩号溢0+132.3之间溢洪道段采用坡度约为0.027的斜坡连接，即从桩号溢0+123.5(高程为434.32 m)处沿程下降到桩号溢0+132.3(高程为434 m)(见图3)。从桩号溢0+132.3开始修筑一过水平台，平台高程为434 m，过水平台出口宽度为67.99 m。下泄水流经过过水平台后沿坡度为0.7的左岸山体岸坡流入河床，左岸山体岸坡需要进行平整清理和衬砌混凝土垫层护坡等措施处理[6]。

图3 岸坡分散水流方案布置图(单位:m)

3.2.2 试验现象与效果分析

通过平整和衬砌溢洪道出口处左岸岸坡，将下泄水流顺岸坡导入下游河床中，水流冲击靠近岸边河床，形成冲刷坑。下泄水流在冲刷坑内形成漩滚水流并发生强烈紊动消能，避免了水流多余的能量对天然河床和岸坡稳定构成威胁。

根据试验效果分析需要，分别进行设计流量和校核流量2种工况进行试验研究。设计洪水流量工况下，试验观测发现水流沿左岸岸坡下泄，靠着左岸山脚冲刷左岸附近天然河床形成冲刷坑，冲刷坑对右岸孔家湾崩滑体的影响减小。水流的冲刷基本没有对崩滑体造成比较大的变形，冲刷坑下游淤积的范围不大，随着冲刷坑形状逐渐稳定，下游淤积体基本不发生变化，河势较稳定。

在校核流量工况时，下泄高速水流大部分能量在形成的冲刷坑中消耗，冲坑溢出水流能够比较好地归顺天然河道，但试验中发现由于溢洪道出口处宽度的限制和溢洪道泄槽段平面结构形式不佳，下泄水流的单宽流量仍比较大，水流分散不均匀，冲刷坑位置偏向下游水流能量集中，冲坑溢出水流出现了轻微冲刷右岸崩滑体现象，但冲坑溢出水流只是从岸坡表面漫流而过，未对右岸岸坡形状造成较大的改变(见表5)。

表5 局部河床冲刷深度(方案1) m

2种流量工况下岸坡分散水流修改方案试验效果可以分析出，由于溢洪道出口宽度的限制和泄槽段线形的影响，当下泄水流流量较大时易出现冲刷右岸现象，且冲刷坑深度也有待进一步减小，因此溢洪道消能形式有待进一步优化。

3.3 方案2消力池及岸坡设消力墩联合消能修改方案

底流消能属于典型的集中消能形式，是将水体机械能集中在水跃发生区进行消耗，使下泄水流流态为缓流，以便与下游河道平稳衔接[7]。方案2考虑在溢洪道泄槽出口段设置消力池初步耗散下泄水流的能量，减缓下泄水流对下游河床的局部冲刷程度，改善溢洪道消能效果。

3.3.1 试验方案布置

本次修改方案对于桩号溢0+060.30以上溢洪道段不做修改，桩号溢0+060.30以下泄槽段进行了线形优化。桩号溢0+060.30至溢0+078.29之间为长18 m的直线段泄槽；桩号溢0+078.29至溢0+095.21之间为长16.91 m的弯道泄槽，泄槽中心线半径为605 m；桩号溢0+095.21至溢0+120.30之间为直线段泄槽；以上三部分泄槽段底面坡度为0.02，泄槽尾部高程为434.30 m。

桩号溢0+120.30至溢0+132.30是消力池斜坡段，斜坡段长12 m，坡度约为0.44，消力池底部高程为429.00 m，消力池深度为5 m。消力池斜坡段上布置3个楔形泄槽消力墩，在消力池内布置有梅花形消力墩，布置和形状尺寸见图4。

图4 消力池方案布置图(单位：m)

水流流出消力池后，沿岸坡分散流入河床，为进一步减少下泄水流能量，在左岸岸坡上布置消力墩。岸坡消力墩布置方式：在岸坡上布置10排消力墩，每排有15个消力墩，消力墩的尺寸与消力池内消力墩尺寸相同，每行消力墩基本沿等高线布置。消力墩行间距为4.65 m，列间距为2.32 m，消力墩在岸坡上布置位置可由边界上4个消力墩位置确定。

3.3.2 试验现象与效果分析

试验修改方案分别进行了设计洪水和校核洪水流量下的试验现象观测。由于岸坡上布置了消力墩，水流与消力墩碰撞后被消力墩分散成两股水流，分别从消力墩两边夹缝中流过，且有部分水流从消力墩顶部挑射出来，跌入后排消力墩处。下泄水流经过一排排消力墩的碰撞分散和挑射进行消能，与此同时下泄水流在碰撞过程中与空气相互混掺也起到消耗掉水流能量的目的，消能效果较好，河床冲刷程度减弱。从整体上看，有大约2/3的水流顺水流流向冲向左边岸坡区域进行消能(见图5)。

图5 岸坡消力墩消能效果(设计流量Q=586 m3/s)

下泄水流对河床局部冲刷深度明显降低，冲刷坑的范围也进一步减小，溢出水流未对右岸岸坡造成强烈冲刷，表明该方案相比方案一消能效果更为明显，且水流流入河床后能够平稳地归顺到原有河床，未对原有河床造成较大的影响(见表6)。

表6 局部河床冲刷深度(方案2) m

虽然岸坡上设置消力墩方案与前几种修改方案相比在冲刷深度上大为降低，但考虑到岸坡上水流更加紊乱，水流流向流态比较散乱，且水流掺杂空气碰撞消力墩时可能出现空化空蚀现象，容易对建筑物结构造成水毁破坏[7,8]，影响建筑物安全运行，且在岸坡上布置较为密集的消力墩不仅对施工难度提出挑战，而且增加了工程建造成本，故不推荐此方案作为工程实施方案。

3.4 方案3保留公路修改方案

工程左侧岸坡中部有一条施工期公路在工程完工后便不在发挥作用。方案3尝试了在保留施工公路情况下，使顺岸坡的下泄水流横穿此公路平台进行挑流消能。

3.4.1 试验方案布置

通常来讲，下泄水流的流速流向以及流量分布与溢洪道泄槽的结构布置形式密切相关。如图6所示对泄槽结构大致进行以下内容的修改：①泄槽左边墙：桩号溢0+060.30至溢0+078.29为直线段；桩号溢0+078.29至溢0+095.21为弯道泄槽段，中心线圆弧半径为605 m;桩号溢0+095.21至溢0+133.15为直线段，在桩号溢0+133.15后平滑衔接一段的圆弧边墙，其长度23.3 m，半径为115 m；其后为直线段边墙连接至过水平台出口。②泄槽右边墙：桩号溢0+060.30至溢0+095.21与泄槽左边墙一致；在桩号溢0+95.21至溢0+147.9为直线段；其后边墙向右侧偏转2.08°，由直线段边墙连接至平台出口。③过水平台：平台出口与平整岸坡方向连接，范围位于桩号溢0+136.3之后，平台底板高程为434 m。

图6 方案3平面布置图(单位：m)

过水平台出口与平整衬砌后的天然岸坡相连接，共同构成泄水消能设施。公路平台上部岸坡坡度采用1∶1.1；公路平台宽度为5 m，平台沿岸坡纵向坡度指向上游坡度为0.073，平台和上部岸坡之间采用半径为8 m的圆弧弧面相衔接，保证岸坡过水的平滑和连续性。由于水流大部分经平台挑射而出落入河床中，因此公路平台以下岸坡部分可以不予特别处理。

合理的消力墩结构选择与布置对分散水流与改善水流流态极其重要。本方案过水平台处的消力墩采用T型墩结构，其结构尺寸见图7。从桩号溢0+152.91处起紧临左边墙布置四排消力墩，T型墩横向净间距为2 m，每排间隔为10 m，纵向方向平行与泄槽右侧边墙，其中前三排分别布置3个消力墩，第四排布置2个消力墩。

图7 消力墩结构形式及尺寸(单位：m)

3.4.2 试验现象与效果分析

图8为设计下泄洪水(流量Q=586 m3/s)时的消能效果。泄槽末端的过水平台中的水流流态较为良好，流速较小(见表7)。经泄槽中的T型墩分散的水流沿河道下泄流过岸坡中部公路处挑射，过程中增加了水流与空气的接触面积，水流与空气摩擦消能，之后落入靠近左岸岸坡处的河床尾水中又进一步发生淹没紊动，对河床冲刷影响不大(见表8和表9)，对右岸岸坡影响较小，消能效果良好。

图8 方案3试验消能效果(设计流量Q=586 m3/s)

表7 泄洪闸全开敞泄泄槽末段流速 m/s

注：T型墩处实测流速为墩前流速。

表8 公路平台流速分布

注：起点距方向为沿岸坡边墙顺水流方向。

表9 局部河床冲刷深度(方案3) m

4 结 语

本文主要针对溢洪道的消能形式进行了几种修改方案的比选,其中不同方案的优缺点总结见表10。通过不断调整优化方案，分析比较各方案的试验现象与数据结果，最终确定了岸坡分散水流结合公路平台挑流的方案3作为工程设计的最优方案。该方案中溢洪道泄槽段经过体型优化，泄槽内水位变化稳定，水面流态较好；同时利用公路平台挑射水流沿河床纵向冲刷下游河床进行消能，消能效果显著；下游冲坑溢出堆积物面积不大，河道水流平顺，河势稳定，较好地解决了本工程所在下游河床较为狭窄且右岸岸坡存在大型崩滑体的技术难题。

表10 刘家沟水电站溢洪道消能结构修改方案优缺点比较表

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[1] 张俊宏，梁艳洁，杜 娟，等.华阳河水库溢洪道泄洪消能试验优化研究[J]. 中国农村水利水电， 2010,(9):71-74.

[2] 颜雪丽，杨胜发，孙连超. 刘家沟水电站水工模型试验研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版)，2011,30(4):839-842.

[3] 南京水利科学研究院，水利水电科学研究院．水工模型试验[M]．2版. 北京：水利水电出版社，1985.

[4] 华东水利学院．水工设计手册：第六卷泄水与过坝建筑物[M]．北京：水利电力出版社，1987.

[5] DL/T 5166-2002，溢洪道设计规范[S].

[6] 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.

[7] 黄智敏，何小惠，黄健东，等. 阳江抽水蓄能电站下库溢洪道消能研究[J]. 水力发电学报，2007,26(5):92-96.

[8] 张建民，杨永全，许唯临，等. 宽浅式溢洪道急流控制及下游冲刷试验研究[J]. 四川大学学报(工程科学版)，2004，36(2):17-20.