野三河水电站泄水建筑物设计及试验研究

杨仕志，保庆顺，马雪峰，张文宇，罗 杰

(1. 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070； 2. 武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

野三河水电站工程位于恩施州建始县高坪镇境内、清江左岸一级支流野三河干流、水布垭库尾。工程任务是以发电为主，兼库区旅游等综合利用。水库正常蓄水位为664.00 m(黄海高程)，总库容为1 923.3万m3，电站总装机容量为50 MW，年发电量为16 424万kW·h，最大坝高74 m。工程等别为Ⅲ等中型工程，大坝及坝身泄水建筑物、发电引水系统、电站厂房等主要建筑物级别为3级；次要建筑物级别为4级，临时建筑物为5级。

大坝防洪标准选用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，相应天然洪峰流量分别为1 990 m3/s和3 080 m3/s，经水库调蓄后的下泄流量分别为1 990 m3/s和3 017 m3/s。电站厂房防洪标准为50年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核，洪峰流量分别为2 080 m3/s和2 720 m3/s。

1 泄水建筑物设计

野三河水电站坝址地形呈“V”形峡谷，河道狭窄，地质构造简单，地层为单斜构造，基岩为三迭系大冶组第4、5段薄层灰岩与页岩互层、中至厚层状灰岩。岩层走向为NE向，倾NW，岩层产状315°～330°∠37°～48°。为倾向上游偏右岸的横向河谷。整体边坡稳定性较好。泄水建筑物布置要考虑河道狭窄，泄洪建筑物落点可布置范围小；但两岸边坡为横向边坡，稳定性较好；拱坝泄水建筑物存在向心集中的特点[1]。

1.1 初步设计阶段

野三河水电站采用坝身泄水方式。在初步设计阶段，泄水建筑物为两个表孔和一个中孔。溢流表孔的堰顶高程650.00 m，每孔净宽10.0 m；中孔底板高程618.00 m(后抬高到619.00 m)，出口控制断面尺寸为4 m2×4 m2。经过试验研究，初步设计阶段最终推荐的方案为：两个表孔和一个中孔泄流，两表孔采用外挑内跌的差动挑流消能工，中孔采用窄缝式挑流消能工[2]。三孔联合泄流时，两表孔的部分挑流水舌与中表孔的挑射水舌呈上下对冲消能。

1.2 施工图设计阶段

在施工图设计阶段，考虑到大坝采用碾压混凝土施工，需要简化坝体结构以加快工程施工进度。因此，取消泄水建筑物中结构相对复杂的中孔[3]。修改后的泄水建筑物采用三个表孔泄流。施工图设计阶段最终推荐的方案为：三个表孔泄流，表孔溢流堰顶高程651.00 m，单孔净宽9.0 m，弧形工作闸门半径为15.5 m。

综上，泄水建筑物确定为三表孔泄流。下文对三个表孔的布置方式进行了试验研究，目的是从平行泄流布置方案与上下对冲布置方案中选出更符合泄流、消能等设计要求的方案。泄水建筑物平面布置如图1所示。

图1 泄水建筑物平面布置图

2 试验研究

2.1 平行泄流布置方案

在平行泄流布置方案中，三个表孔的挑流坎高程基本上在同一高程。泄水建筑物以中表孔中轴线为对称中心，平行于拱坝对称中心轴线，布置在拱坝对称中轴线左侧。左右两个边表孔的轴线与中表孔轴线呈5°夹角。三个溢流表孔，堰顶高程651.0 m，每孔净宽9.0 m。采用挑流方式，反弧半径均为9.0 m，挑坎高程为636.12 m。在溢流坝面上采用了小挑坎。溢流面水流经过小挑坎时发生分离。部分水流经小挑坎挑起，在大挑坎下游处下落。另一部分水流仍沿溢流面下泄，从大挑坎挑出。小挑坎撕开坝面水流，使水舌落点面积增大，充分掺气，起到辅助消能的作用[4]。

2.2 上下对冲布置方案

在上下对冲布置方案中，中表孔采用滑雪道形式将挑坎高程降低，两个边表孔维持到较高位置。两边表孔的坝面落差小，水舌挑射距离近，水舌近似垂直下落；中表孔的坝面落差大，水舌挑射距离远，水舌近似平射出去。三孔联合泄水时，两边表孔水舌在拱坝向心的作用下，正好落在中表孔的平射水舌，两者在空中发生碰撞。三股水舌在空中上下碰撞，可以大量地消耗能量，减小其对基岩的冲刷。

为了保证左、右表孔的水舌正好落到水舌上，实现上下水舌在空中碰撞，需要加大三个表孔的轴线夹角。设计将三表孔的轴线夹角从原来的5°增加到8°。从试验情况来看，这个夹角是合适的。

2.3 泄流能力试验

在对平行泄流布置方案和上下对冲布置方案进行泄水建筑物体型研究前，首先进行了综合泄流能力试验。两种布置方案在三表孔全开敞泄时的泄流能力试验成果见表1。

表1 三孔联合泄流能力表

试验成果表明，两种方案的泄流能力均大于设计值，满足设计和运行要求。从表1中可见，平行泄流布置方案的整体泄流能力较设计值偏大较多。考虑到平行泄流布置方案的溢流堰顶有较大的负压，上下对冲布置方案的溢流堰定型设计水头采用了较大值。因此，其整体泄流能力有所下降，但是仍然满足要求。

2.4 泄水建筑物体型研究

平行泄流布置方案与上下对冲布置方案相比，泄流能力均满足设计要求，但是后者的消能效果更好，所以泄水建筑物最终选择上下对冲布置。对上下对冲布置方案体型再次进行了研究和调整，并确定了最终体型。修改后的溢流面曲线(WES曲线)加大了定型设计水头。

中表孔体型在溢流面曲线以下部分仍然保持不变。其反弧半径16.0 m，挑角20°，挑坎高程613.5 m。见图2中表孔中心线剖面图。

图2 中表孔中心线剖面图

左、右表孔的溢流曲线与中表孔相同，挑坎仍采用外挑内跌形式。外侧高挑坎的反弧半径为10.0 m，挑角23°，挑坎高程642.66 m；内侧低挑坎反弧半径为16.0 m，挑角0°，挑坎高程640.09 m。两表孔中心线与中表孔夹角由5°加大到8°。见图3右表孔中心线剖面图。

图3 右表孔中心线剖面图

边表孔水舌下落与中表孔水舌碰撞，交汇点位于中表孔水舌最高点上游，其交汇角较前增大，其碰撞消能的效果更好。上下水舌碰撞溅起的部分水花时而飞落到反弧水流上。试验成果表明，反弧末端底板脉动压力没有明显增大，校核工况时脉动压力最大值仅为8 kPa，不超过时均压力的8%，不会产生不利影响。

2.5 动床冲刷试验

上文对泄水建筑物体型进行了试验研究并确定了最终体型。下面以此体型为基础设计冲刷试验，从而验证体型设计的合理性。岩石设计允许抗冲流速约8.0 m/s。试验以30年一遇洪水为冲刷试验的主要工况。兼顾50年一遇、500年一遇洪水，以及实际工程中可能出现的组合运行工况。试验结果详见表2。

表2 上下对冲布置推荐方案冲刷试验结果 m

上下对冲布置方案的冲刷试验充分表明对冲消能的优点。30年一遇和50年一遇的冲坑深度与现有的平行泄流布置方案试验结果相比明显减小。试验还表明，虽然三孔泄流量大，空中对冲消能的冲刷坑深度小于两表孔的冲刷深度。

试验进行了单中孔、单边孔和双边孔等多种运行组合，组合试验的上游水位为汛限水位662.00 m。单中表孔水舌挑距远，水平流速分量大，冲坑浅；单边孔落点位置虽然距离坝脚较近，但流量小，冲刷坑深度较浅。所以，各孔单独运行不存在问题。边表孔与中表孔两孔组合泄流时，由于下泄水流不对称，冲坑最深点偏于开启孔的对岸一侧，对边坡安全不利[5]。在实际运行时，应该尽可能避免开启“中表孔+边表孔”这种组合工况。

3 结 语

野三河水电站拱坝位于典型的山区狭窄河谷，对于这种中小型工程，在满足安全下泄洪水的前提下，因地制宜的简化泄水建筑物的布置和体型，降低工程造价，是泄水建筑物设计的出发点和初衷。野三河水电站泄水建筑溢流前缘采用大差动布置，利用拱坝的向心作用，挑坎高程较高的两边表孔水舌正好落在挑坎高程较低的中孔平射水舌上，两者在空中碰撞，大量地消刹能量的同时，尽量将泄洪水流抛向远方，使冲坑远离坝脚，是解决狭窄河谷泄水消能的有效途径之一，本文的试验结果也验证了设计的合理性，可供类似工程参考。

目前工程已安全运行10余年，表孔经历多次泄洪考验，表孔原型泄流和模型泄流对比，相似性很好。详见图4。

图4 三表孔原型泄流与模型泄流对比图