牛都水电站狭窄河谷拱坝泄洪消能建筑体型优化试验研究

申洪波

(遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563002)

随着水资源开发的进一步深入，在强喀斯特狭窄河谷修建拱坝蓄水发电已成为西南山区水资源开发利用的重要途径。狭窄河谷拱坝其泄洪建筑物布置和消能工选型常受到泄流量大、落差高、易受冲刷等因素影响，泄洪消能问题较为突出[1-2]。针对高拱坝的特殊性，大量水利科学研究机构开展了较为全面的研究，常见的高拱坝泄洪消能基本形成较为完善的解决体系和工程措施。但对于狭窄河谷坝高只有几十米的中、低拱坝而言，其通常存在坝身较低、泄洪功率大、消能水体有限等不利因素，当泄洪量或单宽流量较大时，泄洪消能仍较难解决[3-4]。牛都水电站是一座采用坝身表孔泄流的中型拱坝，针对其建坝河谷狭窄、坝身单薄、百万千瓦级泄洪功率等特点，开展表孔大单宽流量泄洪消能型式及体型模型试验研究[5-6]，以解决好泄洪建筑物的安全泄洪、充分消能和减轻下游冲刷等问题，提高工程消能防冲效果，为工程安全稳定运行提供强有力的技术保障。

1 工程概况

牛都水电站位于乌江水系一级支流的芙蓉江干流上游，地处贵州省正安县土坪镇境内。坝址以上河长87.4km，流域面积1650km2，多年平均流量34.2m3/s，设计洪水流量3710m3/s，校核洪水流量5580m3/s；水库校核洪水位(P=0.2%)612.69m，设计洪水位(P=2%)608.89m，正常蓄水位608.40m，水库总库容3720万m3。枢纽建筑物由混凝土拱坝、坝顶中部表孔溢洪道、右岸引水系统、右岸地面厂房及GIS楼等组成，最大坝高53.5m。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。坝址岩体风化程度受岩性、构造破坏程度及地形影响较大，非可溶岩风化程度较可溶岩强烈，可溶性岩层致密坚硬，其风化特征主要表现为沿节理裂隙、层面、溶蚀夹泥风化，对其岩体的整体性及强度有所削弱，岩体强风化深河床为2～3m、左右岸坡一般4～8m。大坝下游冲刷范围内为灰色薄至中厚层为主夹厚层灰岩及瘤状结核灰岩，岩体质量为BⅢ2类，抗风化及抗冲能力中等，坝址河床狭窄，表孔泄洪单宽流量大，下泄水流冲刷河床及两岸坡，对坝基、坝肩稳定有一定影响，应做好消能防冲措施。冲刷系数1.1～1.3，抗冲刷流速6～8m/s。

为确保泄洪消能建筑物体型在各种设计洪水标准下，均满足泄洪及坝身结构安全要求，且下游冲刷对坝基、坝肩的影响较小，通过水力学模型试验对泄洪建筑物的布置形式及结构尺寸进行优化调整，提出工程适宜性强的泄洪消能方案[7-8]。

2 水库特征数据及试验模型

2.1 水库水位流量特性

为了验证枢纽布置及体型设计的合理性、优化枢纽布置和泄水建筑物体型，对牛都水电站进行水工模型实验研究。根据水库调洪演算，计算水库水位流量特性(见表1)。

表1 水库水位流量特性

2.2 试验模型

根据提供的下游河床地质资料，在河床冲刷范围，覆盖层很薄，河床强风化层厚3～5m，弱风化层底高程约为562.00m左右，其抗冲流速约为5～7m/s。基岩冲刷主要部位在弱风化层，试验中，冲积层和强风化层被全部去掉，只模拟弱风化层。下游基岩的冲刷采用散粒体模拟，选用粒径为1～2cm的碎石模拟下游基岩的冲刷。模型流量由上游量水堰控制，量水堰内水流平顺(模型全景见图1)。为了便于计算有关水力参数，如空化数等，水深测点与压力测点相同(具体位置见图2、表2)。

图1 水工模型全景

图2 压力(水深)测点布置

表2 压力测点位置(以溢流堰顶作为零桩号)

3 原泄水消能体型校验

原设计方案经与“坝身5个表孔(投资约1218.90万元)”和“坝身3个表孔+1个泄洪洞(投资约1382.07万元)”比较，坝身3个表孔(投资约945.28万元)方案虽表孔泄洪孔口尺寸偏大、下泄洪水能量较集中，冲坑较深，但其坝身结构简单，水库运行管理方便。调度运行过程中，通过洪水时先开中部孔口泄洪，当下游形成一定厚的水垫后，再开2个边孔的运行调度方式，减小对下游岸坡脚冲刷，且下游两岸基岩多裸露，横向河谷，对岸坡岩体稳定不会产生大的影响。从投资省、施工干扰小方面考虑，优选坝身3个表孔方案。

原设计方案泄洪消能体型校验结果表明：ⓐ所有工况条件下，过流能力满足设计要求；ⓑ消能防冲工况，闸室水面线、堰面压力及空化数等也满足设计要求；ⓒ下游消能防冲工况下，最深冲坑高程为541.2m，从河床底高程570.00m起算的冲坑深度约为28.8m，且冲坑最深点出现在距溢流堰出口60m左右的位置，而坝的建基面高程为560.00m，冲坑最深点与此点的坡度为1 ∶3，校核工况的冲坑会更深，冲坑最深点与建基面末端的坡度更陡，不利于大坝安全(见图3、图4)。

图3 消能防冲工况水舌入水

图4 消能防冲工况下游冲坑现状

由图3和图4可知，三孔水舌空中较分散，水舌空中碰撞消能效果差；水舌入水方向靠近坝轴线且偏向右岸，入水后汇聚为大流量水流导致右岸冲坑深而陡。分析其原因是泄洪表孔堰形设计不合理，导致水舌挑射高度和挑距不够。因此，泄洪消能建筑物体型优化主要是减小冲坑深度，或者让冲坑远离大坝。

4 泄水消能优化调整

4.1 优化调整方案

要同时解决牛都水电站原泄洪消能方案中冲坑深度大和靠近坝轴线这两方面的问题，最好采用面流消能的方式，让大多数能量在水面被消耗掉[9-10]。虽然这样将造成水面波动较剧烈，但由于水电站下游两岸均为较陡的岩壁，无须特别保护的厂矿、企业等，洪水期短时的水面波动也不会影响发电。但由于电站枢纽大坝为拱坝，很难保证在所有泄洪工况下，下游均保持为面流衔接。因此，泄洪消能建筑物体型优化的目标是：在大洪水情况下，保证下游形成面流；在小洪水时，由于下泄流量较小，产生的冲刷也相对较轻，可以采用挑流的型式衔接，但要争取使冲坑尽可能远离坝轴线[11-12]。

经过大量的优化试验后，在原设计体型的基础上，对于溢流堰采用负压设计，只要负压不是很大，可保证不出现空蚀破坏，即将下游面曲线方程由y=0.06776x2修改为y=0.0657x2。同时，将堰顶高程抬高0.4m，由原来的596.00m变为596.40m；溢流堰延长5m；将溢流堰的位置整体向左岸平移3m，然后绕中孔溢流堰出口顺时针旋转9°；将溢流堰出口沿其挑角方向采用直线延长，在水平方向上延长了3m。经优化调整后溢洪道结构体型为：溢洪道仍采用3表孔布置，单孔宽14m，总溢流净宽42m，每孔进口设一扇孔口尺寸14m×12m(宽×高)的弧形工作钢闸门，堰顶高程596.40m。溢流堰型采用WES实用堰，曲线方程为y=0.0657x2，闸墩纵向长度25.10m。溢洪表孔出口采用挑流消能，消能段反弧半径为10m，挑射角为15°，挑流鼻坎顶高程576.00m。

4.2 优化调整后试验分析

经试验分析，各工况条件下优化调整后的溢流堰过流能力、闸室水面线、堰面压力及空化数等均满足设计要求。不同工况下，形成水流进入下游河道的流态见图5。

由图5可知，在各种工况下，水流出溢流堰后，均以比较明确的面流状态与下游河道衔接，水流没有下潜直冲河底，因此可以判断下游的冲刷不会太严重，但是面流的存在，使得下游河道较长范围内的水面波动较为剧烈，鉴于本工程下游河岸较陡，岸边没有限制面流形式的建筑物，水面存在较大波浪也是可以接受的。

图5 水流进入下游河道的流态

不同工况下，水流进入下游河道形成的冲坑形态见图6。

图6 下游河道冲坑形态

由测量可知，工况1～工况4的冲坑最深点高程分别为552.60m、553.20m、553.48m、554.88m，且冲坑最深点基本都位于溢流堰脚后80～100m范围内。校核工况的冲坑在所试验的四个工况中是最小的，30年一遇时的冲坑深度反而最大，这主要是由于采用面流衔接后，随着下游水位的抬高，高速水流逐渐远离河床底部，因此，冲刷反而减小。试验的30年一遇洪水冲坑最深点与大坝建基面高程563.00m之差为10.4m，冲坑最深点距坝趾的距离约为80～100m，由此可算得冲坑最深点与坝址连线的坡度约为1 ∶8～1 ∶10，而由地质资料可知，此区的岩层倾角远远大于此坡，由此可判断优化调整后的泄洪消能体型方案，其在下游河道冲刷形成的冲坑基本不会影响大坝安全运行。

4.3 实施效果评价

牛都水电站泄洪消能建筑物设计采用坝顶泄洪+滑雪道式小挑坎消能方案，满足水库大坝在各设计工况下的泄洪消能要求，泄洪建筑物结构与挡水建筑物拱坝衔接好，使得坝体得到优化。牛都水电站建成后，历经数次大流量泄洪考验，泄洪期间库区水面平静，闸室内水面平顺，下游水流衔接方式都保持为面流，雾化程度很小(见图7、图8)。

图7 溢洪道泄洪水流流态

图8 下游河道水流流态

在泄洪后对下游的冲刷情况进行了检查，最大冲坑在大坝下游约92m处，冲坑底部高程为552.80m，下游冲坑较浅并且远离大坝，各项监测数据与模型试验成果基本一致，消能防冲效果好。

5 结 语

a.通过对原3个表孔设计方案试验研究发现，表孔水舌空中较分散、水舌挑射高度和挑距不够，空中碰撞消能效果差；下泄水流的中心线交汇点偏于右岸，右岸冲坑深而陡，对右岸岸坡稳定有较大影响。

b.经溢流堰下游堰面曲线调整、堰顶高程抬高0.4m、堰体位置整体向左岸平移3m、堰长延长5m等体型调整后，试验分析表明：优化方案的泄洪规模、闸室水面线、堰面压力及空化数等指标均满足设计要求。水流出溢流堰后，均以明确的面流状态与下游河道衔接，水流没有下潜直冲河底，下游冲刷破坏较轻且远离坝轴线，消能防洪效果较好。

c.试验推荐的“坝顶泄洪+滑雪道式小挑坎消能”方案，具有“纵向拉开、横向扩散、空中消能”等优势，确保水舌落地沿河道纵向拉开，对于狭窄河谷适宜性好，能很好解决中低大泄量拱坝表孔的泄洪消能问题，可为类似工程提供一定参考。