杨房沟水电站泄洪消能设计深化研究

殷 亮，徐建军，魏海宁，黄熠辉

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县境内的雅砻江中游河段上，为一等大(1)型工程。坝址控制流域面积8.088万km2，多年平均流量896 m3/s。工程开发任务主要为发电，电站总装机容量1 500 MW(4×375 MW)，多年平均年发电量68.557亿kW·h。水库总库容5.125亿m3，正常蓄水位2 094 m，死水位2 088 m，调节库容0.538 5亿m3。

杨房沟水电站枢纽建筑物主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等组成。挡水、泄洪建筑物按500年一遇洪水设计，相应流量为9 320 m3/s；5 000年一遇洪水校核，相应流量为11 200 m3/s；消能防冲建筑物按100年一遇洪水设计，相应流量为7 930 m3/s。

对于具有大落差、窄河谷、泄洪流量大的高拱坝，坝身泄洪消能多采用表深孔挑跌流水舌空中碰撞+下游水垫塘的泄洪消能方式，如二滩拱坝[1]、小湾拱坝[2]和溪洛渡拱坝[3]等，在这些工程中得到了成功应用。但也存在一些问题，比如水舌横向扩散与河谷狭窄矛盾、水舌空中碰撞增加泄洪雾化程度等。为解决这些问题，在吸收碰撞泄洪消能优点的基础上，逐渐摸索出无(弱)碰撞泄洪消能技术，即拱坝泄洪孔口采用收缩式消能工，使表孔、中(底)孔出口水舌竖向扩散，纵向拉长，以减小入射水流在水垫塘单位面积上的集中强度，增加消能率，减轻对下游的冲刷[4- 6]。无(弱)碰撞泄洪消能技术在锦屏一级拱坝坝身得到了成功应用[7]。

宽尾墩是我国学者林秉南院士和龚振赢[8，9]在20世纪70年代首创的一种新型消能工，常用于混凝土坝表孔，以实现射流水股的纵向分散和掺气。但杨房沟水电站工程表孔位置高，水头低，出射水流流速相对要小，仅通过在表孔出口设置宽尾墩不能使入水水舌沿纵向扩散，还会引起表孔水面线过高、降低泄流能力等问题。

杨房沟水电站工程泄洪消能具有“河谷狭窄、岸坡陡峻，流量大、水头高，水垫塘两岸地形不对称且长度受限”等特点，尤其是“水垫塘两岸地形不对称且长度受限”问题突出，给泄洪消能建筑物布置、结构设计、水力学指标控制、岸坡防护设计和下游防冲带来了较大的技术难度[10]。为此，对于该工程泄洪消能建筑物设计原则及要求如下[11]：①结合水库调节库容小等特点，应采取灵活可靠的泄洪方式，并具有一定的超泄能力；②尽量充分利用混凝土坝和下游水位较高的有利条件，采用坝身泄洪、坝后消能；③坝后消能区尽量减少对两岸边坡开挖为宜，控制消能区冲击压力，同时避免干砸岸坡；④尽量减轻坝身分层孔口出流空中碰撞，控制泄洪雾化影响范围；⑤应协调好泄洪消能与枢纽建筑物之间关系，避免对尾水出流造成不利影响。

1 可研及招标阶段泄洪消能建筑物布置

可研阶段，综合考虑坝高、泄流量、坝后消能区地形地质条件、坝身开孔对坝体结构的影响、坝后水位情况等因素，对“3表+4中”、“4表+5中”、“5表+4中”3种方案从水力计算、泄洪孔口布置、工程量及工程可比投资等方面进行了技术经济综合比较分析，推荐采用3个表孔(12 m×14 m)+4个中孔(5.5 m×7 m)。通过1∶60比尺整体水力学模型试验，对表、中孔“碰撞消能”和“无(弱)碰撞消能”两种形式从泄流能力、水流流态、水垫塘冲击压强和脉动压强、下游河道流态及流速分布、孔口运行方式等进行了的模型试验研究。

由于“碰撞消能”方案存在水舌冲击水垫塘两岸边墙的情况，塘内水流流态较差，泄洪水舌散裂及激溅区范围大大增加；中孔单独泄洪时，存在顶冲二道坝的情况；二道坝后水面跌落最大约11 m，存在二次消能问题。因此，推荐采用表、中孔“无(弱)碰撞消能”形式。设计洪水位工况下，“碰撞消能”和“无(弱)碰撞消能”两种形式表中孔联合运行泄洪水舌形态见图1。

图1 设计洪水位工况，表、中孔联合运行泄洪水舌形态

3个表孔溢流面采用WES堰，堰顶高程2 080 m。表孔堰顶控制线圆弧半径为210 m。表孔平面呈上游等宽(12 m)、下游收缩(分别收缩到8.7 m和10 m)，收缩角分别为5.27°、4.4°和2.94°。表孔出口采用30°俯角出流。

4个中孔分别布置在表孔闸墩下部。进出口底高程均为2 029 m，进口尺寸为5.5 m×8 m，出口尺寸5.5 m×7 m。为避免水舌搭接，将2号、3号中孔中心线分别向两侧岸坡方向偏转1°。中孔出口采用窄缝出流，出口宽度由5.5 m收缩到3.3 m，收缩段长为7 m。

水垫塘采用底部为平底的复式梯形断面，长约199.97 m。水垫塘顶高程2 002 m，底高程1 953～1 949～1 953 m，底宽为75～45～67 m不等，两岸边墙坡比为1∶0.3，在高程1 988.5 m和1 968 m分别设有3 m宽马道。二道坝采用混凝土重力坝，坝顶高程为1 988.5 m，坝高38.5 m，上游坝坡为1∶0.3，下游坝坡为1∶0.5。二道坝后设有护坦，长20 m。

校核洪水位工况，表、中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布见图2，底板冲击压强最大值为14.1×9.8 kPa。

图2 校核洪水位工况，表、中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布

2 施工图阶段泄洪消能深化研究

根据可研阶段水力学模型试验成果及历次咨询评审意见，为进一步改善下游消能条件、提高工程泄洪消能安全性和运行灵活性，通过1∶50比尺水工模型，施工图阶段泄洪消能设计深化研究分两阶段开展，第一阶段在可研阶段“3表孔+4中孔”方案的基础上进行深化研究，第二阶段研究工作针对“4表孔+3中孔”方案进行深化研究，综合两阶段成果进行技术经济比选后，提出施工图阶段的泄洪消能建筑物布置推荐方案。

2.1 “3表孔+4中孔”方案深化研究

可研阶段整体水力学模型试验成果表明：表孔水面线均在闸门支铰以下，不会冲击闸门支铰。中孔有压段后沿程水面线升高明显，但均低于闸门支铰和两侧牛腿最低点高程。实际运行过程中，受波浪等因素的影响，表孔水面线可能会波及到大梁底部，可能会对泄流能力及大梁结构产生一定的影响。中孔出口受水面线影响亦较大，不仅影响弧门支铰和大梁的布置，而且影响尾部收缩段的结构。此外，水垫塘底板最大附加时均动水压强(14.10×9.81 kPa)和脉动压强均方根值(10.03×9.81 kPa)相对于杨房沟工程规模而言有些偏大，二道坝后河道主流明显偏于右侧，下游河道流速相对偏大(12.3 m/s)。

因此，第一阶段研究工作，除了对可研阶段模型试验成果进行复核外，拟通过模型试验对局部结构体型进行优化调整，重点解决以下几个问题：①表、中孔出口段水面线偏高；②水垫塘底板最大附加时均动水压强和脉动压强均方根值偏大；③下游河道流速偏大；④泄洪雾化降水影响范围预测。

“3表孔+4中孔”方案设计深化研究主要工作包括以下几方面：①调整表孔宽尾墩收缩比(0.4和0.5)，优化表孔尺寸和出口俯角(32°～35°)，创新性地提出了楔形体+底板镂空的新型组合体形(见图3)；②调整中孔出口窄缝收缩比(0.6和0.8)，优化中孔轴线偏转角度(0.75°和1°)和出口角度(-10°～0°)；③调整水垫塘体形，增设阻水墩；④优化二道坝挡水断面，适当下移二道坝增加水垫塘长度(15～25 m)。

图3 “楔形体+底板镂空”新型表孔结构体形示意

通过上述设计方案及模型试验研究，“3表孔+4中孔”深化方案布置为：表中孔尺寸与可研及招标阶段保持一致。表孔出口采用35°俯角出流，设有楔形体(水平长11 m、高15.5 m)+底板镂空5 m，出口宽6.09～12 m。2、3号中孔中心线在控制点后分别向外侧偏转0.75°，中孔出口宽度由5.5 m收缩到4.4 m，收缩段长为7 m，中孔弧门半径由14 m减小为12 m，支铰高程由2 040.5 m相应调整为2 039 m，中孔闸墩下游悬挑长度减小1.57 m。二道坝沿溢流中心线向下游移动15 m。

校核洪水位工况，表中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布见图4，底板冲击压强最大值为11.8×9.8 kPa。

图4 校核洪水位工况，表中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布

2.2 “4表孔+3中孔”方案深化研究

根据第一阶段深化研究成果，各项主要水力学指标虽然得到了明显改善，但中孔单独泄洪时消能效果仍不理想。结合专家咨询评审意见，为充分利用表孔泄洪消能效果较好的条件，提高常遇洪水的泄洪消能安全性及运行灵活性，第二阶段深化研究工作重点解决以下几个问题：①“4表孔+3中孔”方案的泄流能力及消能效果；②优化表孔体形，增加挑距，保证表孔水舌迹线与中孔启闭房、中孔闸墩的安全距离，保证表孔水舌落点与坝趾的安全距离；③优化中孔体形，改善中孔单独泄流时的流态和消能效果，保证中孔水面线与中孔弧门支铰及大梁的安全距离。

“4表孔+3中孔”方案设计深化研究主要工作包括以下几方面：①调整表、中孔整体布置(整体向下游平移1.65 m)，尽可能减小坝外悬挑长度；②调整表孔堰顶轨迹线圆弧半径(210、190、150 m)和出口俯角(32°和35°)；③调整1号和4号表孔末端楔形体体形，研究对称布置的可行性；④调整中孔出口收缩比(0.8和1.0)，研究不收缩的可行性。

通过上述设计方案及模型试验研究，“4表孔+3中孔”方案布置为：表孔尺寸为宽10 m、高14 m，中孔尺寸为宽5.5 m、高7 m。表孔布置整体向下游平移1.65 m，中孔进口结构向下游平移0.95 m。表孔堰顶轨迹线圆弧半径由210 m调整为190 m，相邻表孔中心线夹角由6.546°调整为7°。表孔出口俯角由35°调整为32°，设有楔形体(水平长11.48 m、高15.67 m)+底板镂空4 m，出口宽6.09～12 m。相邻中孔中心线夹角为7°，平面上不进行偏转。1、3号中孔出口俯角10°、顶部压坡12°，2号中孔出口俯角3°、顶部压坡7°。中孔出口收缩体形、弧门半径、支铰高程、二道坝位置等与“3表+4中”方案一致。

“4表孔+3中孔”方案平面布置见图5。校核洪水位工况，表、中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布见图6，底板冲击压强最大值为10.47×9.8 kPa。

图5 “4表孔+3中孔”方案平面布置

图6 校核洪水位工况，表、中孔联合运行水舌形态及水垫塘底板冲击压强分布

2.3 泄洪消能布置方案比选

(1)“3表孔+4中孔”和“4表孔+3中孔”两种泄洪孔口布置方案泄流能力均可以满足设计要求，且略有余度。

(2)校核(P=0.02%)、设计(P=0.2%)、消能防冲(P=1%)洪水工况下，可研阶段 “3表4中”布置方案、施工图阶段“3表4中”布置方案和施工图阶段“4表3中”布置方案整体水力学模型试验关于水垫塘底板冲击压强、脉动压强均方根的试验结果见表1。从表1可以看出，施工图阶段“4表3中”布置方案在校核、设计、消能防冲洪水工况下水垫塘底板冲击压强最大值和脉动压强均方根总体比可研阶段“3表4中”、施工图阶段“3表4中”布置方案有所降低，对保证水垫塘安全运行更加有利。

表1 不同阶段典型工况下，水垫塘底板压强试验成果对比

(3)施工图阶段“4表3中”布置方案在校核、设计洪水工况下二道坝下游河道流速比可研阶段“3表4中”布置方案总体上有所降低，与施工图阶段“3表4中” 布置方案基本相当。两种布置方案表、中孔水舌空中形态基本类似，表孔水舌与中孔水舌相互穿插下落，实现了表中孔出流水舌的无碰撞消能。水垫塘内水流流态也基本相似。两种布置方案表、中孔水面线均与弧门支铰保持一定的安全距离，泄洪水舌均不会冲击弧门支铰。相对而言，“4表3中”布置方案中孔水面线的安全裕度更大。

(4)施工图阶段“4表3中”方案由于表孔数量多，其超泄能力更强，表孔全开+两台机组发电可以满足宣泄常年洪水(P=20%)，运行调度更加灵活。两种布置方案均对大坝施工影响不大，对施工导流程序和蓄水规划影响很小。两种布置方案工程投资基本相当。

3 主要结论

杨房沟水电站工程泄洪消能问题突出，在可研阶段审定的泄洪消能建筑物“3表孔+4中孔”布置的基础上，施工图阶段开展了大量的设计优化和模型试验论证工作，优化了“3表4中”布置、改善了泄洪消能水力学指标，并进一步对“4表3中”和“3表4中”布置方案进行了深化比选研究。推荐的“4表孔+3中孔”布置方案水力学条件相对较优，超泄能力强，运行调度更加灵活，可进一步提高杨房沟水电站工程泄洪安全性。

通过设计深化研究，创新性地提出了一种“楔形体+底板镂空”新型导控表孔水舌的结构，避免了采用宽尾墩收缩引起表孔水面线过高、降低泄流能力的问题，可为后续窄河谷、高水头、大泄量、坝后消能区受限的水利水电工程提供借鉴和参考。