龙开口水电站泄洪消能建筑物设计

汪 振，陈国良，郑鹏翔，叶建群，熊立刚

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

龙开口水电站泄洪消能建筑物设计

汪 振1，陈国良2，郑鹏翔2，叶建群2，熊立刚2

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

通过方案比较研究，龙开口水电站采用表孔、中孔联合泄洪方式，表孔“大差动+舌形坎”与中孔窄缝挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、纵向拉开，充分利用下游消能水体，弥补了下游消能区宽度有限的不足，解决了下游消能问题。另外各孔口相对独立，运行调度及检修灵活方便。研究成果对同类型工程的泄洪消能设计有一定的借鉴意义。

龙开口水电站；泄洪消能；挑流；大差动+舌形坎

0 引言

龙开口水电站位于云南省境内金沙江中游河段。电站开发任务以发电为主，兼顾灌溉和供水。水库正常蓄水位1 298.00 m，多年平均流量1 690 m3/s。大坝为碾压式混凝土重力坝，最大坝高116.00 m。

坝址河谷开阔，河道顺直。消能区岩体以二叠系玄武岩组中段致密块状玄武岩（P2β2-3）为主，以Ⅲ1类岩体为主。

1 泄洪消能规模及特点

龙开口水电站设计洪水（P=0.2%）流量15 900 m3/s，校核洪水（P=0.02%）流量为19 300 m3/s，最大下泄功率约1×104MW。水库库容小，调节能力低，且洪水峰型多为矮胖型，泄洪历时长。

坝址区地形开阔，河道顺直，但主河床狭窄，枯期水面宽仅50～70 m。坝址基岩为致密块状玄武岩，完整性较好，抗冲能力较强，但右岸覆盖层深厚。

龙开口水电站泄洪消能设计的主要特点是：高水头、大流量、历时长、高尾水，河谷宽阔但主河床狭窄，下游没有泄洪雾化敏感对象。

2 泄洪消能建筑物设计原则

根据龙开口水电站泄洪消能的规模、特点，确定泄洪消能建筑物的设计原则如下：

（1）为满足泄洪、冲沙、施工导流及震后工程安全检查和检修的综合要求，泄洪建筑物采用表、中（底）孔相结合的型式。中（底）孔泄流能力应满足冲沙、施工导流的综合要求。

（2）由于洪水流量大，校核洪水流量超出设计洪水流量20%（△Q＝3 400 m3/s）。泄洪孔口选择时，宜设置超泄能力强的表孔以降低汛期校核洪水位，减少坝顶超高。

（3）本工程处高烈度地震区，泄洪建筑物宜尽量具备短时间内降低坝前水位的能力，确保大坝安全，也可为震后工程检修和尽快恢复运行创造条件，因此，宜布置适当规模的泄洪中孔。

（4）根据坝址地形地质条件及枢纽布置格局，本工程坝址地质条件较好，河谷宽阔，泄洪和引水发电建筑物布置有一定的调整余度。但从减少工程土建投资考虑，宜适当提高泄洪单宽流量，减少泄洪前沿宽度。

（5）工程消能区地质条件较好，消能建筑物型式选择余度大，由于坝址基岩较为完整、抗冲能力较强，下游水位较高，没有泄洪雾化敏感对象，从节省工程投资和运行维护考虑，消能方式宜首先考虑挑流消能方式。

（6）为提高大坝抵御超标准洪水能力，调洪演算时：重现期1 000年以下洪水（Q≤16 900 m3/s），仅考虑部分机组参与泄洪（3台机组，流量Q＝1 800 m3/s），重现期1 000年以上洪水（Q＞16 900 m3/s），不考虑机组参与泄洪；重现期10年以上洪水，冲沙底孔关闭不参与泄洪。

3 泄洪消能方案设计研究

3.1 泄洪方案设计研究

根据上述要求，在泄洪建筑物选择时考虑设置具有较大超泄能力的表孔及具有一定拉沙功能的泄洪中孔。根据多方案比选，选定5表孔+4中孔联合泄洪方案，表孔堰顶高程1 278 m，孔口尺寸13 m×20 m（宽×高），溢流前缘宽度93 m，溢流堰面设计为WES实用堰面曲线。底孔进口高程1 238 m，孔口尺寸5 m×8 m（宽×高）。

3.2 消能方案设计研究

坝址基岩抗冲能力较强，下游水位较高，无对泄洪雾化敏感的对象，从方便工程运行维护考虑，消能方式宜首先考虑挑流消能方式。泄洪表孔堰上水头及单宽泄流量均较大，设计水位堰上水头20 m，单宽流量176 m3/s·m，校核水位堰上水头23.3m，单宽流量226 m3/s·m，泄洪表孔两侧布置4个泄洪中孔，下游消能区受左侧导流明渠挡墙及右侧厂坝间导墙等建筑物限制，消能总宽度约为140m，消能区最大单宽流量约为137 m3/s·m。为充分利用下游消能区，可研阶段开展了“宽尾墩”及“大差动+舌形坎”两个挑流消能方案的研究工作。

试验表明“宽尾墩”方案虽然消能效果有所提高，但堰面消能伴随着堰面流态紊乱等问题，导致泄洪雾化强度与范围有所增大，同时也增大了堰面出现破坏的风险。试验中发现，当单开3号或4号表孔时，由于出闸水舌两侧没有约束，水舌会横向扩散，向右散开的水舌会冲击厂坝间导墙（如图1所示），甚至砸到尾水渠中，这在实际泄洪中是不允许出现的，闸门运行方式受限。

图1 单开4号表孔水舌扩散示意图Fig.1 Spread of the jet water with only surface hole 4#opened

“大差动+舌形坎”方案，中孔采用出口转弯侧向收缩窄缝方案，表孔、中孔单独或联合泄洪时，达到了“挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能”的效果，充分利用下游纵向消能水体、避免各孔水舌重叠现象，减小了消能区冲坑深度，确保了相邻建筑物安全。经模型试验验证，消能冲坑深度及形态主要由表孔控制，在表孔挑角选择时，考虑表孔1号、3号、5号孔小挑角，挑角为23°，反弧半径为30 m，挑坎位置略靠后，鼻坎高程为1 242.62 m；2号、4号表孔为高挑角，挑角为35°，反弧半径为30 m，挑坎位置略靠前，鼻坎高程为1 246.17 m，距1号、3号、5号坎末端约10.8 m，各表孔之间采用混凝土墙隔开，相互独立。1号、2号中孔出口下游左侧紧挨导流明渠挡墙、3号、4号中孔下游右侧紧挨厂坝间中导墙，为避免中孔水舌冲淘两侧挡墙基础，鼻坎采用平面转弯，将水舌导向河中，1号、2号、3号、4号中孔转弯角度分别为15.5°、15.5°、17.95°和26.44°；中孔出口采用收缩式鼻坎，各孔出口宽度分别为4.7m、4.7 m、3.1 m和3.8 m。试验表明，表孔“大差动+舌形坎”、中孔出口转弯侧向收缩窄缝方案，达到了挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能的预期目标，除了3号中孔与5号表孔水舌边缘存在重叠外，其余各孔水舌落点均能相对独立；4个中孔水舌落点远离两侧挡墙，未出现冲砸导墙基础现象。表中水舌落点详见图2。

图2 表中孔平面布置及水舌落点示意图Fig.2 Distribution of the discharge holes and the drop location of jet water

经比较，“大差动+舌形坎”方案，消能区流态更为平稳、消能更为充分、水舌落点相互错开、运行更为灵活、雾化也相对较轻，建筑物的运行安全性更高，因此选择了表孔“大差动+舌形坎”挑流消能方案。

施工过程中，在消能区发现深度约20～30 m、宽度约25 m的深槽，下游消能区原地面高程约1 212.0 m高程，对深槽部位进行碾压混凝土回填至1 193 m高程，其余部位开挖至1 200 m高程，消能区主要为弱风化或微风化玄武岩，抗冲流速约为10 m/s。通过模型冲刷试验研究，深槽处理方案及消能区开挖高程、冲坑深度及形态均不会危及大坝及两侧挡墙安全。

4 水工模型试验研究

水工模型试验研究采用1∶65、1∶40两个整体模型，对“大差动+舌形坎”方案进行验证试验，成果相互验证、确保成果的可靠性。

4.1 泄流能力

1∶40整体模型对表、中孔泄流能力进行了测试，表、中孔单独运行及表、中孔联合运行时的泄流能力均比计算值略大，校核洪水试验值19 420.5 m3/s较设计计算值19 300 m3/s约大0.62%，设计洪水试验值16 149.2 m3/s较设计计算值15 900 m3/s约大1.56%，泄流能力能够满足设计要求。

4.2 泄洪建筑物水面线、流速及压力分布

校核工况下，表孔孔内水面距离弧门支铰7.40 m，水流不会触及弧门支铰，溢流面斜坡段及反弧段内水面低于边墙顶高程；中孔明流直段内水流表面平顺，水面距离弧门支铰约5.3 m，至转弯段水面逐渐升高，出口处外侧水面比内侧水面高约2.0～3.0 m，明流段内水面均没超出边墙顶。

试验表明，表孔堰面存在负压现象，最大负压值为0.88×9.8 kPa，小于规范最大负压6×9.8 kPa；最大压力为24.4×9.8 kPa，鼻坎最大流速约为29 m/s，水流最小空化数约为0.4。中孔校核工况时，水流空化数最小值为0.37，该点压力为8.68×9.8 kPa，断面平均流速30.4 m/s。各工况流速及压力测试表明，表、中孔流速适中、压力分布均匀，空化数均大于0.3，体型设计合理，发生空蚀破坏的可能性较小。

4.3 流态、水舌参数

试验观测表明，各工况下水舌入水区纵向分层明显、横向间隔清晰，挑流水舌分散入水、分区消能。在设计工况（P＝0.2%）下，表中孔全开水流流态见图3，水舌挑距和入水参数见表1。

表1 设计洪水水舌参数Table 1 Parameters of the jet water with design flood

图3 设计洪水表、中孔泄洪流态Fig.3 Flow pattern as discharge by surface holes and middle holes in design flood

4.4 动床试验

消能区动床试验依据消能区基岩抗冲流速约10 m/s进行模拟。冲刷试验表明：各种泄洪工况泄洪水流均未对坝趾岩体、厂坝中导墙基础、左岸导流明渠挡墙基础产生淘刷。消能设计工况重现期100年洪水工况下，冲坑形状为锅底形，中部低、四周高，冲坑最低点高程为1 183.9 m，位于坝趾下游约130 m、消能区中间位置。泄洪表孔单宽流量较大，水流相对集中，中孔出口为窄缝，水舌纵向拉开，冲刷试验表明，冲坑形态及深度主要受表孔控制，5号表孔单孔全开工况为冲刷最不利工况，冲坑最低点高程为1 175.68 m，位于坝趾下游约140 m、距中导墙约17 m，尚未影响厂坝中导墙安全。由于本工程9个泄洪孔口相对独立，泄洪运行灵活，因此，为提高泄洪运行安全性，可通过合理孔口调度方式避免不利工况运行。

4.5 下游河道流态及流速分布

各试验工况挑流消能效果好，水面波动幅度小，主流能够顺利归槽，下游河道流态平顺。各试验工况下，下游岸坡流速较小，消能区下游岸坡最大流速约4.4～4.6 m/s。厂坝导墙末端处下泄水流向右侧扩散、并出现顶冲右岸边坡现象，顶冲区近岸流速约2.0～3.6 m/s。表孔和中孔泄洪时，尾水渠出口存在回流现象，回流流速约1.5～2.6 m/s；右岸边坡上的回流流速约1.2～3.4 m/s。

5 原型观测成果

2012年11月下闸蓄水，2014年9月开展了水力学原型观测，成果表明：

（1）泄洪建筑物实际泄流能力较设计值略大，泄洪能力满足要求。（2）在挑流水舌入水区附近，泄洪水雾升腾高度可达到坝顶高程，泄洪雾化对工程建筑物没有明显不利或灾害性影响。（3）消能区水流紊动剧烈，消能充分，消能区下游河道水流归槽良好。左、右岸最大流速为5.9 m/s和4.0 m/s。（4）表孔泄洪时，进水口水流平稳，除1号、5号表孔泄槽段边墙有局部水翅外，未见其他异常流态。（5）挑流水舌空中水舌呈现明显摆动和脉冲现象；相邻孔水舌之间空中碰擦，水舌入水区之间出现重叠；水舌掺气裂散，产生明显水雾；模型中，因缩尺效应，水舌在空中没有出现明显泄洪水雾现象。（6）经历两个汛期冲刷运行，消能区出现冲刷最低点高程1 188.21 m，位于坝下0+233.80 m；最低点距离中导墙约32～39 m，坡比约1∶4.7～1∶5.7；冲刷坑上游坡相对平缓（坡比约1∶10），下游坡陡（坡比约1∶1），冲坑最低点与下游地形高差6～10 m。

原型观测成果与模型试验成果基本一致，在设计预期范围内，目前来看泄洪消能建筑物能满足工程正常运行要求。五表孔局开泄洪流态见图4。

6 结语

龙开口水电站采用表、中孔联合泄洪，泄流能力满足要求，保证了枢纽运行安全可靠。采用表孔“大差动+舌形坎”，中孔出口转弯侧向收缩窄缝挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能，基本避免水舌落点重叠现象，充分利用了下游消能水体，弥补了下游消能区宽度有限的不足，减小了下游冲刷，冲刷坑不会危及大坝及两侧挡墙（或厂坝间中导墙），且9个泄洪孔口相对独立，泄洪运行灵活，检修方便。

图4 五表孔局开泄洪流态Fig.4 Flow pattern as discharge by five surface holes partlyopened

原型观测成果表明，泄洪消能各项水力学指标与模型试验成果基本一致，在设计预期范围内，泄洪消能建筑物自蓄水以来已安全运行了5个汛期，目前来看，泄洪消能建筑物设计能满足工程正常运行要求。 ■

[1]黄伟,王代禹.漫湾水电站泄洪消能布置设计与科学试验[J].云南水电技术,1991,97(4):18-21.

[2]王均星,罗贝尔.龙开口水电站挑流消能方式[J].武汉大学学报(工学版),2011,44(2):166-169.

[3]郭子中.消能防冲原理与水力设计[M].北京:科学出版社,1982.

[4]汪振,黄维.云南某水电站泄洪消能设计研究[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):64-67.

作者邮箱：wang_z3@ecidi.com

Design of flood-releasing energy dissipation structure for Longkaikou hydropower station

by WANG Zhen,CHEN Guo-liang,ZHEN Peng-xiang,YE Jian-qun and XIONG Li-gang Large Dam Safety Supervision Center,NationalEnergy Administration

By comparative studies,a pattern offlood release with the combination ofsurface holes and middle holes was adopted for Longkaikou project.The energy dissipation scheme ofsurface hole outlets was slotted bucketwith diversion teeth and the flip buckets oftongue-type.The type ofmiddle hole out⁃lets was slit-type buckets.In experiments,the jet flow from every outlet was plunged into the down⁃stream waterofdifferentlocations,the slit-type bucketjets were pullapartin the downstream direction, and the energy was dissipated partitioned.This flood release pattern and the energy dissipators would make fulluse ofthe limited width ofdownstream area and take fulladvantage ofthe downstream waterto solve the problem of energy dissipation.Moreover,all holes can be operated relatively independently, which makes the operation scheduling and maintenance flexible.And the study can be referenced in the design ofenergy dissipation structure ofsimilarprojects.

Longkaikou hydropowerstation;flood-releasing energy dissipation;ski-jump energy dissi⁃pation;dentated silland tongue-type flip bucket

TV653

B

1671-1092（2017）01-0012-04

2016-12-02

汪 振（1980-），男，安徽肥西人，高级工程师，主要从事水工建筑物设计及大坝安全管理工作。