某重力坝工程泄洪排沙底孔的运行方式研究

王 京，孙双科，汪 星，3，孟 席，3，柳海涛，乔明秋

（1.中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

1 研究背景

大型重力坝工程的泄水建筑物通常由溢流表孔与底孔（或深孔、中孔）组成，溢流表孔具有超泄能力强、闸门运行调度灵活、安全可靠性高的特点，是确保大坝安全最重要的泄水建筑物；泄洪底孔因布置高程较低，除了参与泄洪之外，还具备一定的水库放空功能。对于水库泥沙问题较突出的工程而言，泄洪底孔还需要承担排沙任务，在这种情况下，泄洪底孔通常会布置于电站进水口一侧的大坝坝段上，以确保电站进水口“门前清”，因此泄洪底孔对于重力坝泄洪安全的重要性丝毫不亚于溢流表孔。最典型的是三峡水利枢纽[1-3]，三峡大坝在溢流坝段设置了23个泄洪深孔，并在左右电厂进水口下方布置排沙底孔，其作用一是通过汛前泄洪使上游库水位降低至防洪限制水位145 m，以发挥水库的防洪作用；二是通过排沙底孔进行水库排沙，起到“蓄清排浑”作用。自工程建成以来，泄洪深孔运行频繁，是三峡大坝常规运行的主力泄洪设施。我国雅砻江官地水电站[4]、北盘江光照水电站[5]、澜沧江黄登水电站[6]等大型重力坝工程也都布置有泄洪底孔。

在消能方式选择上，大型重力坝泄洪底孔通常以挑流消能方式居多，如前述的三峡、光照、黄登等几座工程[1，5-6]。在溢流表孔采用底流消能的部分工程中，如官地水电站[4]、五强溪水电站[7]、安康水电站[8]、以及百色水电站[9]等，其泄洪底孔采用了挑流消能方式。也有少部分工程，其泄洪底孔采用底流消能方式，如金沙江向家坝水电站泄洪中孔（与溢流表孔间隔布置）采用了带有高低坎的底流消能工布置方式[10-11]。

与溢流表孔相比，泄洪底孔在采用底流消能时通常会面临更大的困难：一方面，由于底孔与表孔的下泄流量分别与运行水头的0.5与1.5次方呈正比，上游水位的变化对底孔下泄流量的影响较小，底孔消力池在宣泄大中小不同频率洪水时，消力池消能负荷并不会发生明显变化。而表孔消力池的消能荷载主要取决于上游水位的高低，在水库正常蓄水位及其以下运行时，由于表孔下泄流量明显低于校核水位运行工况，会大大减轻表孔消力池的消能负荷。可见从消能负荷角度看，底孔消力池的技术难度无疑要甚于表孔；另一方面，由于底孔进口高程较低，泄槽段水流流速较高，缺乏足够的空间条件实施消力池入池流态的控制，而溢流表孔由于设置位置较高，可以充分利用溢流坝面的几何尺度实施对消力池入池水流的流态控制，如采用宽尾墩技术提升消力池的消能效果、又如下泄水流沿溢流坝面的充分扩散可明显提高消力池入池Fr数从而提高消能率等。可见，对于底孔消力池而言，其水力设计的技术难度也明显高于表孔。

综上所述，采用底流消能的泄洪底孔，在水力设计与运行方式上，较之于溢流表孔将面临更多的制约条件与技术挑战[12-13]，需要认真对待。本文以坝高为67 m的某重力坝工程为例，结合水工模型试验，对该工程泄洪底孔的运行方式进行研究与分析，以寻求相关问题更为有效的解决方案。

2 工程概况

某重力坝工程位于我国西藏自治区，为二等大（2）型工程，最大坝高67 m，电站装机容量495 MW。电站采用混合式开发，枢纽建筑物主要由混凝土重力坝、坝身表、底孔、生态机组厂房、生态流量泄放孔、电站进水口、引水隧洞、引水调压井、压力管道、地面发电厂房及开关站出线场等组成。

枢纽布置从左到右分别是左岸覆盖层混凝土重力坝、生态机组坝段和右岸重力坝泄洪坝段，电站进水口位于右岸坝肩，见图1。拦河坝设计洪水标准为500年一遇，设计洪水流量Q=14 000 m3/s；校核洪水标准为2000年一遇，校核洪水流量Q=17 500 m3/s。

泄水建筑物由分列布置的4个表孔与2个泄洪排沙底孔组成，消能防冲建筑物设计洪水标准为50年一遇，消能洪水流量Q=10 600 m3/s。溢流表孔、泄洪排沙底孔、底流消力池布置参见图2与图3。泄洪表孔坝段布置在主河床，由4孔14 m×22 m的开敞式溢流堰组成，泄洪表孔坝段总长72.5 m。表孔堰顶高程3184.00 m，孔口尺寸14 m×22 m（宽×高），表孔闸墩厚度5.5 m。表孔堰顶上游段堰面曲线采用三心圆曲线，堰顶下游面曲线采用WES实用堰型，曲线为y＝0.0367x1.836，后部通过反弧与下游消力池底板相接，消力池长90 m，底板高程3157 m，尾坎顶高程3165 m。泄洪底孔坝段布置在右岸，坝段总宽度35 m，2底孔之间的中墩厚度为7 m。底孔采用有压短管型式，堰顶高程3167.00 m，可满足导流、冲沙的要求。底孔进口段顶曲线、侧曲线采用椭圆曲线，出口前顶部压坡段坡度为1∶6，有压短管出口尺寸为8 m×10 m（宽×高），其后接堰面抛物线与反弧段，再以突扩方式（两侧突扩宽度均为6 m）与消力池护坦相连，消力池长100 m，底板高程3157m，尾坎顶高程3167 m。

在试验研究过程中，为改善消力池的消能效果，对底孔消力池尾坎体型进行了体型优化研究，采用的具体措施是将连续坎改为差动坎型式：高坎顶高程3170 m、横向展宽3 m（两边侧为4 m）；低坎顶高程3166 m、横向展宽3 m。对于本工程而言，底孔消力池采用差动式尾坎，不仅有利于消减尾坎附近水位跌落高度，改善消能效果，减轻下游河道冲刷，也有利于底孔排沙运行时消力池内泥沙的顺利排出。

图1 枢纽平面布置示意图

图2 溢流表孔与底流消力池纵剖图

图3 泄洪冲沙底孔与底流消力池纵剖图

3 水工模型试验研究

3.1 模型设计模型按重力相似原则设计，模型比尺为1∶70，模拟范围包括电站上游500 m库区，枢纽泄洪、消能及发电建筑物，下游1000 m河段，模拟范围总长度约1500 m。

为便于进行水流流态观察，表孔、底孔与下游消力池均采用有机玻璃制作，下游河床按动床模拟。试验研究的主要量测参数主要包括水位、流量、流速、压强等，主要测试仪器设备包括电磁流量计、高精度电磁流速仪、压强传感器、测压排等。流速测量采用日本JFE advantech公司生产的二维电磁流速仪ACN-41F测量，测量精度为0.5 cm/s。消力池下游按抗冲流速3～5 m/s进行动床模拟，散粒体模型砂粒径采用4～10 mm，铺沙高程为3164 m。

限于篇幅，本文主要给出泄洪底孔的相关试验结果。

3.2 底孔泄流能力试验观察表明，底流消力池入池水跃跃首基本不会波及至工作闸室，因此底孔泄流能力不受下游水位变化影响，主要取决于上游水位高低。

泄流能力试验结果表明，对应于上游死水位3203 m、正常蓄水位3206 m与校核水位3208.8 m运行工况，泄洪底孔下泄流量分别为1643.4 m3/s、1735.6 m3/s、1817.5 m3/s。根据试验结果，按式（1）可计算得到底孔流量系数为0.908～0.912，其平均值为0.91。

式中，Q为下泄流量，m3/s；m为流量系数；B、H为孔口宽度与高度，m；ΔH为自孔口顶端起计的工作水头，m。

根据以往经验，短有压进水口的流量系数大体为0.88～0.90[14-15]，本工程泄洪底孔的流量系数量值相对偏高。经分析发现，孔口高度（10 m）量值相对较大，且压板段顶坡坡比相对较小（1∶6）是导致流量系数偏大的主要原因。文献[11]给出了可计及上述参数影响的流量系数经验计算公式，其形式如下：

式中：m为流量系数；A1、A2为压板段上、下游侧过水面积，A1/A2=5/6；s为压板段顶坡坡比，s=1/6。

根据式（2），可以计算得到本工程泄洪底孔的流量系数为0.91，这一结果与试验结果完全吻合，也验证了上述计算公式的准确性。

3.3 底孔消力池水力学指标与下游冲刷本工程水库泥沙问题较为突出，为确保电站进水口“门前清”，设计方面最初拟定的泄水建筑物运行方式为：在宣泄中小洪水时，优先开启两个底孔进行泄洪排沙运行；当2底孔下泄流量不能满足泄洪要求时，再开启表孔泄洪。

根据上述运行方式，首先针对2底孔全开运行工况开展了试验研究，不失代表性，针对如表1所示的2个典型运行工况进行了试验研究：工况1为50年一遇洪水、消能防冲运行工况，2底孔全开运行，4表孔同步局开运行，根据泄洪能力试验结果，确定表孔开度为9.8 m；工况2为2年一遇洪水工况，2底孔全开运行，下泄流量为3286.8 m3/s，表孔不泄洪，因下游水位较低，是底流消力池水力学指标的控制工况。为研究底孔不同运行方式对试验结果的影响，针对2年一遇洪水、2底孔局部开启、表孔参与泄洪的运行工况3进行了对比试验研究，见表1。该工况下，2底孔采用半开运行，下泄流量1574 m3/s，表孔同样采用4孔齐步局开泄洪，下泄流量1712.8 m3/s。

表1 试验研究工况

试验中量测了底孔消力池沿程水面线、底板压强、临底流速、出池流速、以及消力池护坦下游河道冲刷等水力学指标。试验表明：

（1）在消能防冲设计标准50年一遇洪水条件下，底孔消力池水面高程低于边墙墙顶5.3 m，底孔消力池最大临底流速19.9 m/s，尾坎出池流速为3.6 m/s，消力池出池水流与下游水面衔接基本平顺，消力池护坦以下下游河道最大冲刷深度为6 m。

（2）在宣泄2年一遇洪水、2底孔全开运行工况下，底孔消力池最大临底流速24.5 m/s，其量值高于50年一遇消能防冲工况，消力池出池水流与下游河道水面衔接不够理想，存在较明显的跌流流态，尾坎出池流速高达12.1 m/s，消力池护坦以下下游河道最大冲刷深度为13.4 m，冲刷坑等值线分布见图4所示。

（3）在宣泄2年一遇洪水、2底孔半开、4表孔局开参与泄洪、运行工况下，消力池出池水流与下游河道水面衔接平顺，尾坎出池流速由全开时的12.1 m/s下降至3.5 m/s，护坦流速由全开时的9.5m/s下降至3m/s，消力池护坦以下下游河道最大冲刷深度仅1.2 m，冲刷坑等值线分布见图5所示。

（4）进一步的研究表明，以2底孔半开为前提条件，泄洪表孔参与泄洪的运行方式下，在50年一遇消能防冲设计洪水范围内，底孔消力池尾坎以下下游河道冲刷的最不利工况为宣泄20年一遇洪水工况，对应的最大冲刷深度为5.3 m。

根据上述试验结果，建议设计方面对最初拟定的泄水建筑物运行方式进行了优化调整：在宣泄20年以下中小洪水时，采用表孔参与泄洪、两个底孔局部开启方式进行泄洪排沙运行。

图4 下游河道冲刷情况（工况1：2年一遇洪水、2底孔全开泄洪、表孔不泄洪）

图5 下游河道冲刷情况（工况3：2年一遇洪水、2底孔半开泄洪、表孔参与泄洪）

针对调整后的泄水建筑物运行方案，开展了系统的水工模型试验研究。试验研究工况组合与下游冲刷试验结果见表2所示。试验结果表明，在宣泄2年、5年、10年一遇的中小洪水工况下，表孔与底孔消力池下游冲刷情况得到显著改善，底孔消力池下游最大冲坑深度仅1.2 m，表孔消力池下游最大冲坑深度也仅为3.4 m，表明对于本工程而言，对泄水建筑物运行方式进行的优化调整是十分富有成效的。

表2 泄水建筑物运行方式组合与消力池下游最大冲坑深度

4 底孔运行方式分析与调整

前述试验研究结果表明，泄洪运行方式对本工程底孔消力池的消能效果有显著影响：在宣泄中小洪水、2底孔全开运行时（表孔不参与泄洪），消力池出池水流与下游河道水面衔接不够理想，存在较明显的跌流流态，尾坎出池流速高达12.1 m/s，消力池护坦以下下游河道最大冲刷深度为13 m，可见消力池消能效果存在明显不足。而2底孔采用半开运行（表孔参与泄洪）时，底孔消力池出池水流与下游河道水面衔接平顺，尾坎出池流速3.5 m/s，护坦流速3 m/s，消力池护坦以下下游河道最大冲刷深度仅1.2 m，表明2底孔采用半开运行时，底孔消力池消能效果良好。

进一步的分析表明，本工程表孔与底孔消力池的最大入池单宽流量分别为182.7 m2/s、200 m2/s，按入池流速24 m/s计算，则对应的入池Fr数分别为2.78与2.66。而根据水跃消能理论，当消力池入池Fr数在2.5～4.5范围时，水跃具有不稳定性，消能率低于44%。本工程表孔与底孔消力池的入池Fr数接近于2.5～4.5的下限值，因此消力池消能效果存在先天不足，且底流消力池更甚于表孔。对于表孔而言，在宣泄中小洪水情况下，上游水位的降低以及局部开启运行方式，都会显著降低下泄流量并明显增大表孔消力池入池Fr数，进而提升其消能效果；而对于底孔而言，只有当局部开启运行时，才会明显增大消力池入池Fr数，而上游运行水位的变化对于底孔这样的有压进口而言并不会导致下泄流量与入池Fr数的明显改变。可见，从入池单宽流量与运行条件看，底孔消力池的消能效果均不如表孔，在中小洪水运行工况下，由于下游水位较低，更容易导致消能效果欠佳。因此，对本工程而言，在宣泄中小洪水时，应避免表孔不参与泄洪的2底孔全开运行方式，而采用表孔参与泄洪的底孔半开运行方式进行，这样可以在确保泄洪安全的前提下，实现底孔的排沙功能。

根据上述分析，为确保泄洪安全，对本工程泄水建筑物的运行方式进行如下调整：在宣泄20年一遇以下中小洪水时，采用2底孔半开、表孔参与泄洪的运行方式，实施泄洪排沙运行；当遇到高于20年一遇以上洪水时，2底孔与4表孔全开泄洪。

在后续工作中将针对底孔坝段与消力池的布置体型开展进一步优化研究。

5 结论

采用底流消能的重力坝泄洪底孔，通常兼具泄洪、排沙、放空等多种功能，但与溢流表孔相比，其在体型布置、消能工消能效果与运行方式上将面临更多挑战，需要给予更为充分的关注。

本文针对坝高为67 m的某重力坝工程进行了整体水工模型试验研究，重点研究了泄洪排沙底孔运行时底流消力池的水力学指标与下游冲刷情况，研究发现：当底孔全开泄洪宣泄中小洪水时，因入池Fr数较小，消力池下游水深不足，导致消力池消能效果欠佳，下游河床出现严重冲刷。因此在宣泄中小洪水时，应避免表孔不参与泄洪的2底孔全开运行方式。

根据试验结果，对本工程泄洪排沙底孔的运行方式进行了调整，采用半开运行方式取代全开运行方式，可显著提高消力池消能效果并减轻下游冲刷，是适合于本工程的泄洪排沙运行方式。研究成果可供类似工程参考。