角木塘水电站非完全宽尾墩联合消能工应用与研究

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(重庆渝浩水电开发有限公司，重庆 武隆，408500)

1 工程概况

角木塘水电站位于芙蓉江干流下游河段，地处贵州省遵义市道真仡佬族苗族自治县境内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。该工程的开发任务是以发电为主。

角木塘水电站为河床式电站，正常蓄水位为383.00m，死水位为381.00m，总库容0.3259亿m3，水库具有日调节性能。电站总装机容量70MW(2×35MW)，保证出力10.1MW，多年平均发电量2.51亿kW·h，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要永久性建筑物按3级建筑物设计，次要永久性建筑物按4级建筑物设计，临时建筑物按5级建筑物设计。工程枢纽主要由碾压混凝土重力坝+坝身泄水孔+右岸河床式厂房等建筑物组成。

大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高55m，坝顶宽度为6.0m，坝顶高程388.0m。坝轴线总长为153.07m，其中左岸非溢流坝段长26.5m，右岸非溢流坝段长47.07m，溢流坝段长82.5m。表孔设5扇弧形工作闸门及1扇平面检修钢闸门，中墩厚3.5m(第2#、4#孔设置宽尾墩，下游面375.72m高程以下闸墩厚4.875m)，边墩厚3.0m，闸墩顶高程为389.0m。溢流坝段设置交通桥，布置于下游侧闸墩上，桥面高程388.0m。大坝下游消力池断面为倒梯形，消力池长75.0m，底宽为43.86m，消力池内设置7个消力墩，消力池末端设置反坡式尾坎，消力池与厂房尾水渠间在355m高程以下设置3m厚的隔墩。

挡水建筑物按50年一遇洪水设计，相应洪峰流量为9610m3/s，500年一遇洪水校核，相应洪峰流量为13600m3/s。下游泄洪消能防冲建筑物按30年一遇洪水设计，相应洪峰流量为8790m3/s。

2 泄洪消能建筑物非完全宽尾墩研究

2.1 电站的特点及主要考虑因素

角木塘水电站由于工程坝址洪水量大，50年一遇设计洪水为9610m3/s，500年一遇校核洪水13600m3/s。在5孔溢流表孔坝段内，受闸室束窄影响，行洪断面设计最大单宽流量达近211m3/s·m，在下游消力池内该值也接近170m3/s·m左右，而在各级洪水条件下，上下游水位差基本在20m以内，具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、底流消能率较低的特点，选定满足要求的消能防冲布置方案设计和试验难度均较大。

在大单宽流量(200m3/s·m)、超低佛氏数(Fr=1～2)，上下游水位落差小的消力池内消能率极低，尾坎处水面严重雍高，出池水流形成二次水跃，下游很远范围内水面波动较大，河床和两岸边坡冲刷严重。初步设计方案中，在消力池内布设中墩和T型墩等辅助消能工后，由于下游水深较大，辅助消能工作用不明显。在溢流堰尾部增设趾墩后，能迫使入池主流下潜，增大水流水深方向的流速梯度，增强水流水深方向的剪切掺混作用，提高消力池的消能率，但一方面趾墩处存在流速大，趾墩两侧面压力小，水流易出现空化空蚀的问题，同时，另一方面中墩两侧流速高达15m/s，超过中墩规范允许值，两侧及顶部动水压力小，容易发生空化空蚀破坏。

2.2 泄洪建筑物表孔布置设计方案

河床式厂房布置于右岸，为了尽量降低厂区边坡高度，并综合考虑闸孔布置，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364.50m，堰顶位置设5扇12.5m×19.6m弧形工作闸门和一扇12.5m×19.75m共用检修闸门，工作闸门采用液压启闭机启闭，检修闸门采用单向门式启闭机启闭。溢流堰中部设置闸墩，闸墩净距12.5m，闸墩墩长38.08m，边墩及导墙厚3m，中墩厚3.5m，墩头为椭圆形，墩尾为半径1.75m的半圆形，在第2#、4#孔设置宽尾墩，宽尾墩折角为22.247°，折点离闸墩下游面7.64m，下游面375.72m高程以下闸墩厚4.875m，该位置闸孔净宽6.25m。弧门支座牛腿宽5.2m，支座高度h为5.0m，支座外缘高度h1为2.2m，弧门推力作用点至闸墩边缘的距离a为1.0m，弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距e0为2.75m/2.5m。坝顶交通桥设在下游闸墩上，桥面宽6.0m，桥面高程388m。溢流堰采用有较大泄流能力的WES实用堰，其上游堰面曲线采用三圆弧线，其半径分别为9.577m、3.831m、0.766m，下游面采用幂曲线，曲线方程为y=0.0406x1.85，采用1∶1的斜坡与下游铅直坝面相交。紧接边墩设置导墙延伸至泄槽末端(坝纵0+044.548)，左岸导墙(坝纵0+033.920～0+044.548)顶部为1∶1的斜坡。

根据溢流坝面流速成果可知，各级洪量下泄时，溢流坝面流速不大，仅在常遇洪水(P=10%)工况时，表孔局部(坝纵0+022.896位置)流速较大(达18.28m3/s)，悬移质泥沙含量较小，多年平均含沙0.506kg/m3，溢流面混凝土抗冲耐磨要求不高，溢流面考虑采用C35常态混凝土。由于弧门推力较大(达25280kN)，故闸墩考虑采用C35预应力混凝土，每个中墩布置4排共计28根300t级预应力主锚索，3排共计15根150t级预应力次锚索；每个边墩布置3排共计21根260t级预应力主锚索，3排共计15根150t预应力次锚索。支座牛腿采用C45混凝土，溢流坝段交通桥板、梁采用C25混凝土。

表孔平面布置见图1。

图1 泄水消能建筑物平面布置

2.3 泄洪表孔泄流能力

角木塘水电站溢流坝段布置于河床偏左岸，溢流坝段长82.5m。溢流堰采用有较大泄流能力的WES实用堰。

表1 表孔泄流能力计算成果

各工况泄流能力满足设计要求。

2.4 消能型式分析

为考察在溢流表孔2#、4#孔上布置宽尾墩后对整体泄流水平是否有影响，对泄流能力进行测量计算，对比无宽尾墩体型下的泄流能力成果，分析该宽尾墩布置型式对泄流能力的影响。

通过选取典型工况，采用典型的闸门组合方式，根据原设计方案中已测得的闸门开度，调节流量，使得上游水位达到设定值(正常蓄水位383.0m))，而对于闸门全开的工况，如P=2%流量及大于该流量的工况，调节泄流量，使得上游水位达到设定值。通过试验分析各工况下泄流能力和有无宽尾墩对比见表2和图2。

表2 泄流能力对比列

图2 各工况下有无宽尾墩的泄流能力对比

对比原始方案和加非完全宽尾墩联合消能方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力结果，在相同闸门开度和上游水位的条件下，闸门过流量有所差别，流量越大差别越小，流量越小差别越大。分析认为：大流量情况下，上下游水位差小，宽尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情况下，宽尾墩对水流的阻碍作用很明显；在P=50%工况下，相比无宽尾墩的情况，其泄流能力降低了14.68%；在P=0.2%工况下，相比无宽尾墩的情况，过流能力基本一致。各个工况下，泄流能力均满足设计流量要求。

3 非完全宽尾墩方案分析

3.1 非完全宽尾墩方案特点和适用性分析

为了验证宽尾墩+消力池新型消能工在本工程的适用性，通过查阅设计规范，本工程宽尾墩仅在P=50%工况接近应用要求(具体见表3)。

表3 各工况下参数hd/Pd情况表

非完全宽尾墩仅在2#、4#孔增加宽尾墩，根据试验结果显示，P=50%工况采用2#、4#闸孔均匀开启方式最优，且2#、4#孔布置宽尾墩能让水流在水平方向最大程度的对称扩散，水流受到宽尾墩的水平束窄，射流的厚度大幅增加，使水流沿水深方向得到显著扩散，一方面向下扩散的主流潜入池底与中墩充分撞击后在纵向形成流速梯度，在池内形成横轴旋滚，另一方面向上扩散的主流抬高水面高程迫使出闸水流在消力池首部形成水跃。再者2#、4#闸孔水流受宽尾墩的束窄，水流出了闸墩后在水平方向向两侧扩散，一方面表层扩散水流在3#孔闸墩后40m左右处撞击，强烈紊动掺气，形成一个明显的“V”字，另一方面向1#、5#闸孔扩散的水流，撞击边壁后在消力池首部形成两个大的立轴旋滚，特别是在常遇流量下，由于下游水位较低，强烈的横轴旋滚和立轴旋滚基本使得中墩前全部水流强烈紊动消能，掺气非常明显。中墩后水流经过消力池尾部的调整后稳定流入下游河道，在尾坎处基本没有形成壅水。

3.2 消能效果分析

在消能效果方面，各个工况下消能率如下表4。

表4 各个工况下消能率情况

从上表可以看出，非完全宽尾墩联合消力池的消能型式使消能率进一步得到改善，P=50%工况下消能率甚至可以达到49%。

3.3 消力池内水面线分析

大坝闸室内布置有非完全宽尾墩和无宽尾墩，通过试验主要观测P=2%、3.33%和10%三个工况下水位与水面线对比(如下图3～图5)。

图3 P=2%工况下消力池内水面线对比

图4 P=3.33%工况下消力池内水面线对比

图5 P=10.0%工况下消力池内水面线对比

闸室内布置了宽尾墩后，消力池内水面高程明显要比没有布置宽尾墩时高，宽尾墩的束窄作用使得水流在纵向更充分的拉伸，向上扩散的水流抬高了消力池的水面高程。

3.4 泄流能力分析

为研究大坝溢流表孔上布置非完全宽尾墩后对整体泄流能力是否有影响，通过对泄流能力重新进行测量计算，对比无宽尾墩体型下的泄流能力成果。按有闸门调度需求的工况，如P=3.33%流量及小于该流量的工况，采用典型的闸门组合方式，根据原设计方案中已测得的闸门开度，调节流量，上游水位达到设定值(正常蓄水位383.0m)，各工况泄流能力对比见表5和图6。

表5 泄流能力对比

图6 各工况下的泄流能力对比

对比未加宽尾墩和加非完全宽尾墩方案中P=2.0%流量及以下流量的泄流能力结果，在相同闸门开度和上游水位的条件下，闸门过流量有所差别，流量越大差别越小，流量越小差别越大。分析认为：大流量情况下，上下游水位差小，宽尾墩不同起到束窄拉伸水流的作用，在小流量的情况下，宽尾墩对水流的阻碍作用显得很明显；在P=50%工况下，相比未加宽尾墩的溢流堰，其泄流能力降低了8.7%；在P=0.2%工况下，相比未加宽尾墩的溢流堰，过流能力基本一致。

对比未加宽尾墩方案的泄流能力结果，泄流能力在P=50%和P=10%工况下有一定的变化，这也说明本工程不适宜于布置五孔宽尾墩。

3.5 非完全宽尾墩联合消能工应用综合分析

通过水工模型试验成果显示，在未设置非完全宽尾墩的条件下，低佛氏数、大单宽流量的水流入池流速均较大，可能会超过规范中中墩允许的最大流速15m/s，且中墩处容易产生脉动负压，发生空蚀破坏，布置非完全宽尾墩后，增加了水流的横轴和立轴旋滚，使水流运动机制不规则，提高了中墩的动水压力以及脉动的最小值，同时降低中墩附近水流的流速，降低了中墩发生空蚀破坏的可能性。

采用非完全宽尾墩联合消能工结构，即在满足运行条件2#、4#闸孔布置宽尾墩，在斜坡消力池中部设置中墩消能工。部分孔布设宽尾墩相对于全部孔布置宽尾墩，一方面减小了宽尾墩对泄水建筑物泄流能力的影响；另一方面增大了水流横向扩散的空间，增强了消力池首部水流的立轴旋滚。同时，由于宽尾墩的横向束窄作用，水流竖向被拉伸，主流与中墩充分接触，加强了水流的横轴旋滚；由于水流的三维不规则紊动，消除了中墩处流速大、压力小、易空蚀的问题。同时有效将水流消能任务控制在消力池首部，降低了尾坎处的消能任务。

综上所述，在保证运行安全的前提下，为节省工程量和投资，角木塘水电站采用非完全宽尾墩、斜坡消力池、中墩三者联合泄洪消能结构布置方式最优。

4 结语

通过创新采用非完全宽尾墩、斜坡消力池、中墩三者联合泄洪消能结构，有效解决了角木塘水电站低水头、大单宽流量、低佛氏数底流消能难题，消能率稳定，能稳定地控制出池水流的流速及流态，减小对下游河道的冲刷；提高了中墩的工作条件，降低了中墩发生破坏的可能性；有效将水流消能任务控制在消力池首部，降低了尾坎处的消能任务，对泄水建筑物的泄流能力影响小，缩短消力池长度、降低工程建造成本，为工程项目创造较大的经济效益。