角木塘水电站工程高效联合消能工分析研究

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(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳，550002)

1 研究背景

在坝工设计中，泄洪消能是非常重要的研究课题。它不仅影响整个枢纽工程的布置，还直接影响工程量与投资，并且它的成败关系着整个工程的运行安全[1、2]。

在河流中修建水电站，由于坝址地形地质条件，泄洪过流宽度常常受到限制，这类泄水建筑物多具有高水头、大流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大等特点，泄水建筑物的形式和合理布置是一个重要技术问题，很有必要通过水工模型试验，分析消能形式的合理性，寻求一种技术可行、安全可靠、经济合理的枢纽布置和泄洪消能设计方案[3]。

目前我国在消能防冲方面取得的研究成果较多，出现了许多新型的消能方式，其中宽尾墩联合消能工，是我国首创的一项泄洪消能新技术，其特点是将溢流坝闸墩尾部由常规的平尾改为宽尾，把堰顶原来的二元溢流水舌在墩尾加以收缩，迫使水舌沿坝面纵向扩展而成为堰顶三元收缩射流，这种形态水流和各种传统消能流联合运用，形成各种宽尾墩联合消能工，适用于高中低水头、大流量、低佛氏数工程，解决了多个工程的泄洪消能难题。宽尾墩联合消能工可充分发挥各单项泄洪建筑物的消能优势，形成立体的泄洪结构并求得最佳的联合效果，明显提高传统消能工的消能率，改善下游衔接流态，显著减少下游河床冲刷，尤其是和底流或戽流结合时，其效率更为显著，可达到圆满的消能效果，是解决大单宽流量、低佛氏数泄洪消能难题的一条新的有效途径。宽尾墩联合消能工已成功地应用于安康、五强溪、岩滩、隔河岩、索风营等许多大型及中小型水利水电工程中，取得了显著的技术效果和经济效益。本文结合角木塘水电站工程的特点，对泄洪消能方案进行了论述[2、4、5、6～8]。

2 工程概况

角木塘水电站工程位于芙蓉江干流下游河段，地处贵州省道真县忠信镇联江村放牛坪，为芙蓉江水电梯级开发中的第10级，上衔官庄电站，下接浩口电站。坝址控制流域集水面积为6886km2，坝址校核工况洪峰流量为13600m3/s(P=0.2%)，设计工况洪峰流量为9610m3/s(P=2%)，消能防冲工况洪峰流量为8790m3/s(P=3.33%)。角木塘水电站工程任务主要是发电，装机容量为2×35MW。水库校核洪水位387.034m，总库容3259万m3，水库正常蓄水位为383m。

工程主要由挡水建筑物、泄水消能建筑物、发电引水系统和发电厂房等组成。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程388m，最大坝高55m，坝顶宽为6m，坝轴线长154.8m。溢流坝段布置于河床偏左岸，溢流净宽为62.5m，堰顶高程为364.5m。表孔设5扇弧形工作闸门及1扇平面检修钢闸门，大坝下游消力池长75m。发电引水系统及厂房布置于右岸，发电引水系统由进水口和压力引水道组成，进口闸井段长26.84m，单条引水道长38.612m，引水道末端接机组进水管。主、副厂房平行布置，升压站为户内式，主厂房平面尺寸为67.3m×25.9m，机组中心间距17m，水轮机安装高程348.657m。

坝址河谷为不对称“Ⅴ”型谷，左岸地形坡度一般在40°～60°之间，局部达70°～80°；右岸地形坡度一般在35°～55°之间，两岸均为逆向坡或斜向坡，自然边坡稳定。两岸缓坡残坡积的粘土夹碎石层厚0～3.5m；河床冲洪积的砂卵砾石层厚10.0m～18.9m。下伏基岩左坝肩缓坡以上为(S2h)泥岩，左坝肩及河床为(P2q)灰岩，河床、右坝肩中下部为(P2m)灰岩，右坝肩中上部为(P3w+c)灰岩，下部为薄层泥岩、粉砂岩夹薄层灰岩不等厚互层，上部为灰岩。左坝肩水平强风化层厚6m～8m，水平弱风化层厚9m～14m；右坝肩水平强风化层厚22m～25.5m，水平弱风化层厚8m～14m；河床岩体强风化层厚3m～5m，弱风化层厚6m～12m。

3 泄水消能建筑物布置

3.1 泄洪布置方案拟定

本工程为碾压混凝土重力坝，坝址位置河床较窄，水库正常蓄水位383m高程对应的河床宽约130m。由于洪量大，溢洪道需要较大的泄洪宽度。左岸山势陡峻，不具备布置岸边溢洪道的条件；右岸地形虽较缓，但发电厂房布置于右岸，且坝址右岸下游约280m～525m的范围内有Ⅲ号崩塌体，故右岸也不具备布置岸边溢洪道的条件。另外，由于本工程上、下游洪水位相差较小，若设置底孔对减小泄洪压力的影响甚小，并且因溢流堰顶高程(364.5m)比淤沙高程(366.4m)低1.9m，也不需设置底孔冲沙。因此，本工程泄洪方案拟定为表孔泄洪。

3.2 消能方式选择

本工程消能防冲建筑物为3级建筑物，消能防冲洪水标准为30年一遇。本工程泄洪具有低水头、大单宽流量和低佛氏数的特点，泄水建筑物消能方式的选择须兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。本工程大坝下游河床覆盖层较厚，抗冲刷能力较差，并且下游洪水位较高，故消能方式采用挑流消能不合适；面流消能适用于中、低水头，下游尾水较深，水位变幅不大及河岸稳定、抗冲刷能力强的情况。面流流态复杂多变，水面波动较大且向下游延伸较远，对岸坡稳定、电站运行均有不利影响。本工程虽然下游尾水较深，但水位变幅大，河床右岸抗冲刷能力差，大坝下游右岸约280m～525m的范围有Ⅲ号崩塌体，故本工程也不宜采用面流消能；消能戽适用于尾水较深且变幅较小，且下游河床和两岸抗冲能力较强的情况。消能戽消能高速水流在表面，水面波动较大，其缺点与面流消能工相同，故消能戽也不适合本工程。底流消能具有水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小，对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化较小等优点，可适应高、中、低水头，只是消力池工程量较大[9]。故消能方式考虑采用底流消能。

4 消能工方案研究

本工程校核工况泄量为13600m3/s，最大单宽流量达217.6m3/s，选择适宜的消能工方案对本工程的运行安全至关重要。本工程消能工设计时综合考虑投资、下泄水流流态、消能效果、对电站尾水、下游河床和岸坡的冲刷影响等因素，借助水工模型试验进行消能工方案[5、10、11]研究，以选择适合本工程特点的消能工。消能工在水工模型试验研究过程中，进行了如下多个方案的比较：

(1)跌坎底流消能方案：跌坎+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案(池长75m)；

(2)正坡阶控消力池(底部斜边墙消力池+反坡式尾坎)方案(池长60m)；

(3)消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案(池长60m)；

(4)趾墩+消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案(池长60m)；

(5)消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案(池长75m)；

(6)宽尾墩+消力墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案(池长75m)。

4.1 跌坎底流消能方案

该方案堰顶下游面幂曲线末端采用1∶1的斜坡与下游半径为15m的圆弧段相衔接，圆弧段末端接345m高程的平台，与下游消力池间形成跌坎，消力池末端设置反坡式尾坎。

水工模型试验成果表明，这种跌坎式底流消能工消能效果不理想，存在一些不足：

(1)消力池底板的效用较低。各工况下主流距离消力池底板较远，消力池底板至主流底部的这部分空间没有被充分利用；

(2)消能率在8%～33%之间，在常遇洪水(P=50%)条件下消能率接近30%，消能效果较差；

(3)由于出池后的水流仍具有较大能量，与下游水流衔接时形成了二次水跃，对下游河床和岸坡的冲刷影响较大。

4.2 正坡阶控消力池(底部斜边墙消力池+反坡式尾坎)方案

该方案是在方案(1)实验成果的基础上，对消能工的结构型式做了如下调整：

(1)去掉跌坎平台，将WES堰下游侧1∶1的斜坡坝面延长至消力池底部；

(2)缩短消力池15m，即消力池池长调整为60m，消力池尾坎型式不变。

水工模型试验成果表明，该方案与方案(1)相比，消力池内流态有较明显改善，主要表现在以下两方面：

(1)主流下潜。出闸水流直接下潜至消力池底部附近，消力池临底流速和池底压力增大；

(2)池内水流掺混加剧。水流掺混加剧对提高消能率有一定贡献，P=20%、P=50%工况下消能率均不超过30%，消能效果仍不够理想，在消力池出口附近仍有二次水跃发生，出池水流流速较大(P=20%工况下达到11.39m3/s)，对下游河床和岸坡的冲刷影响较大。

4.3 消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案

该方案是在方案(2)的基础上，根据本工程特点考虑增加辅助消能工，在距消力池首部18m处设置7个梯形消力墩，在消力池末端尾坎前设置7个新型“T”型墩。

水工模型试验成果表明，在常遇洪水条件下，该方案消能效果较好，主要表现在：

(1)整个消力池流态良好，水面较为平稳，降低了消力池尾坎附近的流速，消力池整体消能率提高至40%左右，同时也消除了二次水跃；

(2)出池水流的流速大小基本控制在6m/s以内，下游右岸Ⅲ号堆积体位置的近岸流速基本控制在5m/s以内(P=50%时在Ⅲ号崩塌体下游边线位置出现最大流速5.42m/s)，降低了对河床和岸坡的冲刷影响。但该方案在较大洪水(如P=2%)条件下，因下游水位较高，主流上半部分没有受到辅助消能工的影响，消能效果仍然不够理想。

辅助消能工附近的流速随着泄量的增加而减小，在P=50%工况下，中部消力墩附近最大流速达18.01m/s，易发生空蚀破坏，且消力墩在常年水位以下深达17m，其检修较为困难，这是该方案较大的缺点。

4.4 趾墩+消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案

该方案是在方案(3)的基础上，考虑在消力池入口斜坡段设置趾墩，以便进一步提高消能率。结合本工程特点将趾墩布置于闸墩尾部和消力池间的斜坡中部，顶部高程345m，趾墩高为4m，中间三孔每孔布置两个，两个边孔每孔布置一个。

水工模型试验成果表明，该方案与方案(3)相比，仅在高频洪水下泄时消能率有所改善。辅助消能工附近的流速随着泄量的增加而减小，在P=50%工况下，趾墩周边最大流速达17.82m/s，消力墩周边最大流速达17.66m/s，消力池末端“T”型墩周边各工况下流速均较小，低于15m/s。趾墩、中部易发生空蚀破坏，检修比较困难，这是该方案较大的缺点。P=50%工况下，尾坎后水流最大流速为10.38m/s，在Ⅲ号堆积体所在河道最大流速5.27m/s，较方案(3)相比略有降低。

4.5 消力墩+“T”型墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案

该方案是在方案(4)的基础上，将消力池长度延长至75m，撤除趾墩，中墩位置向后移至距消力池首部30m处。

水工模型试验成果表明：

(1)该方案各工况下辅助消能工附近流速基本保持在15m/s以下，仅在P=3.33%工况下，在中间消力墩两侧流速达到了16.42m/s；

(2)该方案消能率约为6%～43%，消能效果较好；

(3)溢流表孔和消力池底板的空化程度较轻；

(4)下游河道流速分布较均匀，下游右岸Ⅲ号崩塌体附近流速随着泄量的增加而增大，在校核工况下出现最大值5.42m/s，其它工况下基本在5m/s以内，故各工况下泄水流对下游河床和Ⅲ号崩塌体的影响较小。

4.6 宽尾墩+消力墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池方案

上述方案(5)虽然效果较好，但仍不够理想。为了进一步研究适合本工程特点的消能工，使消能效果达到理想高效的目的，使表孔、消力池及下游水流流态更加良好，出池水流流速更小，以尽量减小对下游河床及右岸Ⅲ号崩塌体的影响。根据工程经验，宽尾墩底流消力池消能，是解决大单宽流量、低佛氏数泄洪消能难题的一条新的有效途径[7]。表孔加宽尾墩，坝下消力池长度可以减短1/3，消力池尾坎处流速分布趋于均匀，对提高消能率、减轻下游冲刷有明显的效果[6、12]。故在方案(5)的基础上研究了宽尾墩底流消力池联合消能方案。为了不影响表孔泄流能力，仅考虑在局部孔设置宽尾墩。考虑在2#、4#孔设置宽尾墩，保留消力池内的中墩、取消尾坎前的T型墩，方案即为宽尾墩(2#、4#孔)+(消力墩)+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池，中墩位置距消力池首部30m处，消力池长75m。

该方案水工模型试验成果表明：

(1)该方案虽较无宽尾墩情况泄流能力有所减小，但各工况下泄流能力可满足设计要求；

(2)各工况下消力池、尾水渠以及下游河道水流流态良好，尾坎末端无二次水跃出现，消能作用稳定控制在消力池内。消力池内流速分布良好，尾坎末端出池水流流速基本控制在6.0m/s以内，Ⅲ号堆积体附近流速基本控制在5.0m/s以内，河床冲坑形态良好；

(3)在宽尾墩的作用下，加强了各辅助消能工的协同作用，消力池内消能任务能量主要依靠中墩和宽尾墩完成。尾坎调整水流出池流速，使水流均匀稳定进入下游河床。该方案各工况下消能率均得到了提升，在常遇洪水(P=50%)条件下消能率达到48.9%，消能效果较上述其它方案更为理想；

(4)该方案消力池底板各测点的脉动均方根总体水平较低，基本在均值的5%以内，最小值没有出现负压。

根据上述各方案水工模型实验成果，结合本工程特点，方案(6)较其它方案优，故本工程消能工方案采用方案(6)，即宽尾墩底流消力池新型高效联合消能工：宽尾墩(2#、4#孔)+消力墩+反坡式尾坎+底部斜边墙消力池。

5 泄水消能建筑物布置

根据选定的消能工方案进行泄水消能建筑物布置，泄水消能建筑物的平面布置见图1，其纵剖面见图2。

图1 泄水消能建筑物平面布置

图2 泄水消能建筑物纵剖面

溢流坝段布置于河床偏左岸，溢流坝段长82.5m，溢流净宽5m×12.5m，堰顶高程364.5m，堰顶位置设5扇12.5m×19.6m的弧形工作闸门和一扇12.5m×19.75m的共用检修闸门。溢流堰中部设置闸墩，闸墩净距12.5m，闸墩墩长37.08m，边墩及导墙厚3m，中墩厚3.5m，在第2#、4#孔设置宽尾墩，坝顶交通桥设在下游闸墩上。溢流堰采用WES实用堰，其上游堰面曲线采用三圆弧线，下游面采用幂曲线，其末端采用1∶1的斜坡与下游的消力池底板相衔接。

消力池沿水流方向长75m，底板厚2.0m，在345m高程以下消力池断面为倒梯形，边墙坡比为1∶1.63，消力池底板高程335m，池底宽43.90m。在消力池末端底部设置梯形齿墙，齿墙底宽为3.0m，挖深4.0m。在距消力池首部30m位置，布置7个消力墩，间距3.0m。消力墩垂直水流方向宽3.0m，高4.0m，上游面铅直，下游面为1∶1的斜坡，顶部沿水流方向宽1.0m，底部沿水流方向宽5.0m。消力池末端尾坎坎顶高程347.5m，顶宽2.5m，底宽5.0m，内侧坡比1∶0.2。消力池右侧为主厂房水下墙，消力池后段右侧用3m厚的隔墩在355m高程以下与厂房尾水渠隔开。

6 结语

(1)泄水建筑物消能方式的选择必须兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。本工程泄洪具有低水头、大单宽流量和低佛氏数的特点，消能方式主要考虑采用底流消能。

(2)本工程两岸均不具备布置岸边溢洪道的条件，只能采取表孔(5孔)泄洪，最大单宽流量达217.6m3/s，大坝下游河床覆盖层较厚，河床及右岸抗冲刷能力差，选择适宜的消能工型式对工程的运行安全至关重要。

(3)根据本工程的特点，消能工型式结合水工模型试验进行了多方案比较，最终选定适合本工程特点的宽尾墩底流消力池新型高效联合消能工：宽尾墩(2#、4#孔)+消力墩+反坡式尾坎+消力池方案。各工况下消能率高，消力池、尾水渠及下游河道水流流态良好，下泄水流对下游河道及岸坡的冲刷影响较小，确保了泄洪安全。

(4)本工程采用的高效联合消能技术，可为其它类似工程设计提供参考，它对完善和创新发展峡谷区低水头、大单宽流量和低佛氏数工程的消能技术体系具有十分重要的意义。