消力池底板磨蚀破坏的水力学试验研究

张 泽 彬， 王 川， 邓 林 森， 易 旭 涛

(1.国家能源集团大渡河公司龚嘴水力发电总厂，四川 乐山 614900；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

随着高水头电站的陆续兴建，消力池底板破坏问题日益突出，直接影响水电站的安全运行。盐锅峡水电站[1]由于建成后凿除了辅助消能工并受施工缺陷的影响，导致消力池多块底板被冲走。

因此，采取了加厚底板、设置锚筋、补强新老混凝土施工缝结构面等修复措施；五强溪水电站[2]在建期间遭遇大洪水，被迫采用库水位抬高闸门局开控泄的非正常运行方式，且消力池水位远低于相应洪水的下游水位，导致右消力池底板发生大范围的冲刷破坏，采取了水下混凝土回填及两次补强处理措施；安康水电站[3]消力池底板存在冲蚀坑、裂缝、错台及止水破坏，与基础混凝土和抗冲磨混凝土之间结合不良、表孔宽尾墩射流对底板的冲击动压较大有关。因此，采取回填抗冲混凝土及环氧砂浆、预应力锚筋、接缝和回填灌浆等修复措施；景洪水电站[4]溢流表孔反弧段及消力池底板存在多处冲蚀坑及止水破坏，与高速水流的脉动作用及表面聚脲涂层老化变形有关，采用环氧砂浆和化学灌浆进行修补处理；此外，苏只水电站[5]和万家寨水电站[6]也曾发生过消力池底板破坏的情况。总结消力池底板破坏的原因，主要包括体型设计、施工质量、水力学影响等方面，而电站运行方式导致底板破坏的研究成果并不多，笔者拟在此方面开展研究。

2 工程概况

铜街子水电站位于大渡河下游四川省乐山市沙湾区境内，是一座以发电为主，兼有漂木和改善下游通航效益的二等大(2)型水电工程，电站装机总容量700 MW，4台机组总引用流量为2 300 m3/s。铜街子水电站全景照片见图1，枢纽工程主要由拦河坝、河床式地面厂房、筏闸等组成。混凝土重力坝总长513.4 m，最大坝高82 m，由左岸堆石坝接头坝段、明渠挡水坝段、左右2个冲沙底孔、4个厂房坝段、5个溢流坝段和右岸堆石坝挡墙等水工建筑物组成。水库正常蓄水位474 m，50年一遇消能防冲洪水流量为10 300 m3/s，2年一遇洪水流量为6 280 m3/s。泄洪设施包括5孔溢流坝和2孔冲沙底孔。5孔溢流坝布置于右冲沙底孔以右的主河槽段。溢流表孔及消力池纵剖面见图2，溢流坝面曲线为幂曲线，堰顶高程456.5 m，设有弧形工作闸门及平板检修闸门。溢流坝下游设有两级底流消力池，两级消力池长度均为100 m，底板高程均为420 m；第一级消力池池深6 m，末端设顶部高程为426 m的连续尾坎，第二级消力池池深为4 m，尾部设顶部高程为424 m的差动尾坎。

图1 铜街子水电站全景照片

经过20多年运行后，库区泥沙洲头已达坝前，近坝区河底高程超过溢流表孔堰顶高程，汛期溢流坝泄洪时，大量泥沙经溢流坝进入到下游消力池内，受泥沙磨损影响，消力池前池、消力坎顶部及消力坎后出现不同程度的破坏，见图3。前池底板形成了一个近似椭圆形的环状磨蚀坑，长度约70 m，宽度约35 m，深度为0.3～0.7 m，且该区域底板上普遍存在薄层泥沙。结合大坝第三次定检意见，为查明消力池底板的破坏原因，指导消力池修复工作，并优化电站运行方式，提高泄洪效率和安全性，需开展水力学模型试验进行研究。

3 水力学模型设计

笔者主要采用模型试验和理论分析相结合的方法对消力池破坏原因进行研究，重点分析闸孔开启方式对水流流态和流场分布的影响，并对电站运行方式进行了优化。根据相似要求，水力学模型按重力相似准则设计，采用正态模型，几何比尺为1∶60；模型模拟河道地形范围全长约1 400 m，其中坝轴线上游约500 m，坝轴线下游约900 m，库区地形高程模拟至479 m，下游河道地形高程模拟至450 m。溢流坝、消力池、冲沙底孔及厂房尾水出口均采用有机玻璃制作，天然地形采用断面板法控制、水泥砂浆成型。动床模拟范围为坝轴线以下300～750 m，动床范围内覆盖层按其粒径组成用散粒体进行模拟，试验模型见图4。

图2 溢流表孔及消力池剖面图

图3 铜街子水电站消力池底板缺陷部位示意图

4 试验研究成果及分析

图4 试验模型全貌(比尺1∶60)

4.1 消力池破坏原因分析

根据溢流表孔闸门2013～2017年运行记录可知，溢流表孔共运行437 d。其中，闸门对称开启运行262 d，非对称开启运行175 d，非对称运行以2号、1号和3号、2号和3号、3号和4号闸门开启居多。

模型试验对表孔闸门对称开启和非对称开启两种情况下消力池的水力特性进行了观测分析。5个表孔全部开启及多孔对称开启运行时，消力池内消能效果较好，消力池前端水舌触底区流速最大，为23～25.9 m/s，形成淹没水跃消能后流速值大幅度衰减，出池最大流速为3.4～7.3 m/s；消力池底板压力分布均匀，时均压力值与消力池内水深接近，最大时均压力值为21.7～30.8×9.81 kPa，位于消力池前部水舌触底区及后部水面上升区；消力池底板脉动压力不大，最大脉动压力均方根为2.1～3.6×9.81 kPa，位于消力池前部水流触底区。从消力池水力特性判断，溢流表孔及消力池体型设计合理，消力池底板破坏与体型设计无关。

表孔闸门非对称开启运行时，消力池内出现不同程度的回旋水流；表孔1号和3号非对称开启运行时，消力池内回旋水流流速值达10.1 m/s(图5)，且回旋水流位置及尺寸与消力池底板环形破坏带基本重合(图6)。因此，从水力学角度判断，表孔闸门非对称开启引起的池内回旋水流裹挟泥沙对消力池底板的长期磨蚀是破坏的主要原因。

4.2 电站运行方式优化

模型试验对5孔溢流表孔、2孔冲沙底孔单独及不同组合开启运行时消力池及下游河道内的水力特性进行研究，研究结果表明：

(1)1号表孔或2号表孔开启运行时，溢流坝消力池内出现回旋流，最大回旋流速达7.91 m/s；当消力池内存在粗颗粒泥沙时，回旋流裹挟泥沙易对消力池底板造成冲磨破坏。因此，表孔单孔运行时，1号或5号表孔、2号或4号表孔不宜开启。3号表孔单独开启运行时，溢流坝下泄水流入池后沿消力池中部向两侧均匀扩散，消力池内未出现回旋流等不利流态，消力池入池流速为23.52 m/s。经过两级消力池消能后出池流速衰减至2.03 m/s，出池水流对下游河床冲刷较轻。

(2)1号和2号表孔、1号和3号表孔、2号和3号表孔非对称开启运行时，溢流坝消力池内出现回旋流，不建议开启运行。1号和5号表孔与2号和4号表孔对称开启运行时，消力池内水流流态较好，池内未出现回旋流等不利流态，消力池内水力特性值及下游河床冲深值不大；其中，2号和4号表孔开启运行时消力池水流消能效果更好。

图5 1号和3号表孔开启运行时消力池内流速分布

图6 模型试验消力池环形回旋水流与消力池底板环形破坏带位置对比图

(3)1号、2号和3号表孔、1号、2号和4号表孔、1号、2号和5号表孔、1号、3号和4号表孔非对称开启运行时，溢流坝消力池内出现回旋流，不建议开启运行。1号、3号和5号表孔、2号、3号和4号表孔对称开启运行时，消力池内水力特性值相当，消力池内水流流态均较好，池内未出现回旋流等不利流态，消力池内水力特性值及下游河床冲深值均不大。

(4)1号、2号、3号、4号表孔非对称开启运行时，溢流坝消力池内出现回旋流，不建议开启运行。1号、2号、4号、5号表孔对称开启与1号、2号、3号、5号表孔非对称开启运行时，消力池内水流流态较好，池内未出现回旋流等不利流态，消力池内水力特性值及下游河床冲深值不大；其中，1号、2号、4号、5号表孔开启运行时消力池水流消能效果更好。

(5)1号、2号、3号、4号、5号表孔全部开启运行时，消力池内消能效果较好，消力池内水力特性值及下游河床冲深值不大。

(6)冲沙底孔为深有压出流，底孔出口水流集中，流速值可达20.97 m/s，两孔冲沙底孔单独开启运行，下泄水流对下游河床冲刷较深；但随着表孔参与泄洪、下游水位抬升，底孔下泄水流对下游河床冲刷大幅减轻。冲沙底孔不宜单独开启运行。

4.3 电站运行方式建议

(1)表孔闸门宜同步、对称、均匀开启，相同泄量时多孔开启优于单孔或两孔开启，同时，应避免闸门小开度长时间运行引起的闸门振动问题。表孔闸门推荐开启方式为：开一孔：开启3号；开二孔：优先开启2号和4号，其次为1号和5号；开三孔：开启1号、3号、5号或2号、3号、4号；开四孔：优先开启1号、2号、4号、5号，其次为1号、2号、3号、5号或1号、3号、4号、5号；开五孔：开启1号、2号、3号、4号、5号。

(2)当出库流量Q≥3 800 m3/s时，冲沙底孔可开启泄洪冲沙，并同步开启临近的表孔和机组以减少下游泥沙回淤，冲沙底孔闸门不允许局开运行。

(3)四台机组运行时，表孔推荐运行方式为：Q<3 300 m3/s：开一孔；3 300 m3/s≤Q≤4 300 m3/s：开二孔；4 300 m3/s≤Q≤5 300 m3/s：开三孔；5 300 m3/s≤Q≤6 300 m3/s：开四孔；Q>6 300 m3/s：开五孔。

5 结 语

笔者采用水力学模型试验对铜街子水电站泄洪消能问题进行研究，重点分析消力池底板破坏的原因，并结合试验成果对电站运行方式进行了优化。表孔闸门对称开启时，消力池的消能效果较好，从流场和压力分布特性可排除体型设计的影响；表孔闸门非对称开启时，消力池内形成流速较大的横向回流，回流形态与底板环形破坏带相似，可以判断回流携沙长期磨损是消力池底板破坏的主要原因，运行时应尽量避免非对称的开启方式。本文的研究成果对消力池的修复工作和电站后期的安全运行具有较大的指导作用。