高壩泄洪挑流消能工優化研究與應用

黃國兵，謝世平，段文剛

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

高壩泄洪挑流消能工優化研究與應用

黃國兵，謝世平，段文剛

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

挑流消能工是高壩建設中應用最廣的消能形式，不同工程應針對工程自身的特點進行優化研究與選擇。選取長江科學院主要研究的3種不同壩型的已建工程泄水建筑物為代表，對隔河巖重力拱壩泄洪水流向心集中問題、水布埡面板堆石壩非對稱狹窄河谷消能區沖刷和淤積問題，以及構皮灘雙曲拱壩壩身泄洪功率最大的水墊塘消能防沖問題進行了論述。分別提出了“表孔寬尾墩非對稱收縮+深孔下彎式窄縫非對稱收縮+水墊塘”新型泄洪消能工布置形式、窄縫挑流階梯式布置形式、表孔差動加分流齒與中孔不同挑角碰撞消能形式等研究成果。經工程原型泄洪考驗，表明這些新型挑流消能工型式成功地解決了各工程的泄洪消能難題，也可供今后類似高壩挑流消能工程參考借鑒。

挑流消能；寬尾墩；窄縫挑坎；水墊塘

1 概 述

泄洪消能問題是大型水利水電工程設計和運行中的關鍵技術問題。挑流消能是國內外高壩工程中應用最廣泛的消能形式。隨著大型高壩的興建，消能防沖問題愈發突出，傳統意義上的挑流消能形式已很難滿足工程設計的需要，必須結合不同工程的特點而有所突破和創新。隔河巖水電站、水布埡水電站和構皮灘水電站是大型水利水電工程，壩型分別為混凝土重力拱壩、混凝土面板堆石壩和混凝土雙曲拱壩。這3座大壩的泄水建筑物泄洪消能既有其各自的特殊性，在同類壩型中也有較好的代表性。長江科學院通過數十個水力學模型（整體、斷面、局部、減壓），結合理論分析、數學計算、原型觀測等研究手段，經過幾十年研究，比較了不同挑流消能方式（常規挑流、寬尾墩、窄縫、碰撞），揭示了各種典型布置下的泄洪消能水力特性，凝練了具有普適性的水流控導措施，集成創新和優化了挑流消能綜合技術，極大地推動了我國水利水電工程科研、設計和建設水平。研究成果具有較大的推廣應用前景。本文針對隔河巖重力拱壩泄洪水流向心集中問題、水布埡面板堆石壩非對稱狹窄河谷消能區沖刷和淤積問題，以及構皮灘雙曲拱壩壩身泄洪功率最大的水墊塘消能防沖問題等技術難題進行論述，提出了解決方案，可供今后類似高壩泄洪挑流消能工程參考借鑒。

2 隔河巖重力拱壩消能工優化

2.1 泄洪消能難點

隔河巖水電站的泄洪方式采用壩身孔口泄洪，樞紐全部泄量均經由壩身下泄。泄洪孔口從上至下分3層：壩頂層設置7個表孔，堰頂高程為181.8 m，孔口尺寸為12 m×18.2 m；中層設有4個深孔，進口底板高程134 m，孔口斷面尺寸由上游壩面處的6.10 m×10.67 m至出口收縮為4.5 m×6.5 m；第3層是檢修放空底孔，進口底板高程為95 m，孔口斷面尺寸由進口6.1 m×10.0 m收縮至出口的4.5 m×6.5 m。隔河巖工程最大泄洪量為23 900 m3／s，最大水頭為104.7 m，最大單寬泄流功率為196 MW。消能區位于巖性軟弱、兩岸風化較深的石牌頁巖河段，抗沖能力較低。由于采用拱壩壩身泄洪方式，泄流會向著拱壩壩軸線圓弧的圓心方向集中，造成單寬流量沿河寬方向分布的極不均勻性，要使其調整均勻，難度較大。

2.2 優化研究與應用

經系列比尺模型試驗研究后，決定采用寬尾墩附加射流水墊塘方案作為泄洪消能形式，研究過程和方案見圖1。表孔體型優化研究系統地比較了對稱寬尾墩與非對稱寬尾墩、不同寬尾墩收縮比、堰面挑坎設置和寬尾墩出口斷面型式等的水力特性和沖刷特性。特別針對表孔水舌形態不穩、水冠彎曲、左右擺動及2個邊孔1#和7#表孔水舌水翅擊打水墊塘兩岸高程100 m以上岸坡的現象進行了系列多方案的優化試驗研究。研究成果表明：采用非對稱布置寬尾墩加小挑坎的形式，既具有擴散水舌的功能，又可以調整射流水舌運行的方向，從根本上解決拱壩泄洪水流向心集中問題［1］。深孔研究比較了平底型和下彎型等多種體型：平底型深孔每一種體型4項水力指標均有2項不能滿足要求，并存在挑流水舌太遠無法充分利用水墊塘長度的缺點；下彎型深孔更易控制射流進入水墊塘的位置，使水墊塘的長度得以充分利用，同時采用跌坎收縮型出口具有較好的水力特性，且能使下游得到更好的消能效果。

圖1 解決拱壩泄流向心集中問題研究過程Fig.1 The research p rocess of solving the centripetal concentration of spillway flow at the arch dam

經泄流能力、水流流態、壓力分布、空化特性和消能效果等對比研究表明，提出的“表孔寬尾墩非對稱收縮+深孔下彎式窄縫非對稱收縮+水墊塘”泄洪消能布置方案（見圖2）水力特性良好。表孔、深孔非對稱收縮消能工可控導泄流水舌在水墊塘中分區無交匯入水，表孔和深孔水舌入水區大體平行且對稱于拱中心線，充分利用了水墊塘的長度，從而達到分散落水和減輕集中沖刷的目的。

隔河巖水電站自1993年5月建成運用，至今已安全運行18年。期間經過多次大洪水特別是1998年長江全流域性特大洪水的泄洪考驗，均安然度汛。水力學原型觀測表明；消能工消能效果良好，原型觀測主要水力參數與水工模型試驗成果基本吻合。汛后現場檢查溢流壩面和閘墩均未發現明顯空蝕和磨損破壞，表明大壩運行是安全的。

圖2 表孔、深孔體型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the surface outlet and deep outlet

3 水布埡面板堆石壩消能工優化

3.1 泄洪消能難點

水布埡水電站大壩采用砼面板堆石壩，泄水建筑物采用岸邊溢洪道泄洪布置方式。溢洪道采用全表孔泄洪，控制段布置5個表孔，孔口尺寸為14.0 m×21.8 m，堰頂高程為378.2 m。溢洪道最大泄洪量為18 320 m3／s，泄洪水頭落差為171 m，最大泄洪功率為31 000 MW［2］。由于消能區處于非對稱狹窄河谷，且河床基巖巖性軟弱破碎，抗沖能力低，挑流消能存在消能區縱向利用問題及兩岸山體的穩定問題。另外，消能區尾部與電站尾水口門區距離較近，會產生電站尾水波浪大、出口淤堵等影響電站安全運行的問題。

圖3 岸邊溢洪道試驗研究過程Fig.3 Process of tests on the bankside spillway

3.2 優化研究與應用

本樞紐的消能形式重點研究挑流消能，通過優化消能工的體型盡量抬高沖刷坑的高程以減輕對兩岸邊坡、滑坡的影響（研究過程和方案見圖3）。溢洪道挑流共研究了一級消能（分區陡槽接連續式挑坎、臺階式陡槽接差動式挑坎、分區陡槽接窄縫式挑坎）和二級消能（一級平底消力池接一級挑流、一級逆坡消力池接一級挑流）等5種方案。綜合比較，消能形式采用分區陡槽接窄縫式挑坎的布置方案。由于電站尾水緊鄰消能區的下游，泄洪時在尾水出口產生的沖刷淤積和泄洪涌浪有可能影響機組運行和尾水洞檢修。為此又對窄縫鼻坎的布置及體型進行了深入研究，主要進行了窄縫鼻坎消能工5孔平齊型出口方案和窄縫鼻坎消能工5孔階梯狀出口方案的研究比較。研究表明：采用窄縫鼻坎階梯式出口布置方案（即1#至5#孔的出口樁號成階梯式的縮短，1#孔最長，5#孔最短）能更好地控制河床沖刷深度和電站尾水泄洪波浪，減輕電站尾水口門區受泄洪水流的影響，改善電站尾水洞出口的淤堵情況。

另外，由于存在1#孔水舌分離水體打擊左岸岸坡和5#孔水舌內緣打擊山坡等問題，對1#和5#兩個邊孔的鼻坎體型進行了優化。研究采用異形窄縫鼻坎控導措施，窄縫鼻坎出口加小貼角解決了邊孔水翅打擊河岸邊坡問題；鼻坎右偏解決了電站尾水淤積問題；各孔出口底板較兩側邊墻適當延長解決了窄縫水舌內緣水簾打擊鼻坎下游山體問題。

分區陡槽窄縫鼻坎階梯式出口布置形式被應用于工程實際。經2008年汛期最大約3 100 m3／s流量的泄洪考驗，其消能防沖效果與模型類似工況的試驗成果基本吻合，電站尾水口門區無砂石淤積，表明水布埡工程非對稱狹窄河谷消能區的沖刷和淤積問題得到成功解決。

4 構皮灘雙曲拱壩消能工優化

4.1 泄洪消能難點

構皮灘水電站主體建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身泄水建筑物、水墊塘、泄洪洞、地下廠房、通航建筑物等組成。雙曲拱壩壩頂高程640.5 m，最大壩高232.5 m。壩身泄水設施由6個表孔、7個中孔、2個放空底孔組成，總泄量25 840 m3／s。表孔堰頂高程617.00 m，孔口尺寸12 m×13 m（寬×高）；中孔出口尺寸7 m×6 m，奇、偶數孔進口孔底高程分別為550.00 m和543.00 m；壩后設水墊塘和二道壩，水墊塘采用平底板封閉抽排方案。由于壩址河谷狹窄、最大泄洪功率達42 200 MW，在國內外已建工程中是最大的。水墊塘作為壩身泄洪的消能工，岸坡較陡，消能區尾部及其下游岸坡為軟巖，其自身的安全穩定也很重要。

4.2 優化研究與應用

構皮灘水電站壩身泄洪表孔、中孔均為向心布置，表孔出口采用立面大差動形式，并設不同形式的分流齒坎，以盡量錯開各孔水流的入水層次，出口段采用平面擴散的形式，寬度由進口的12 m變為出口的18 m。為防止邊表孔水流直接沖擊水墊塘的邊坡，邊表孔的出口寬度為13 m。表孔出口布置見圖4。中孔采用平底型與上挑型相間布置，使得各孔水舌入水點相互錯開。通過1∶110水工整體模型優化方案比選，表孔和中孔布置形式［3］為：1#和6#表孔出口挑角為-20°，內側各布置一個6 m×4 m（寬×高）的齒坎（挑角10°）；2#和5#表孔出口挑角為0°，不設齒坎；3#和4#表孔出口挑角為-35°，出口中心線上各布置一個8 m×8 m的齒坎（挑角10°）。1#，3#，5#和7#中孔為平底型，挑角為0°，2#，4#和6#為上挑型，其中4#中孔挑角為10°，2#和6#中孔挑角為25°。試驗研究成果表明：各設計工況下水墊塘底板上的沖擊動水壓力均小于15×9.81 kPa，邊墻及二道壩上動水壓力基本符合靜壓分布，護坦下游最大沖深為1.1 m，沖坑后坡比緩于安全坡比1∶3，壩身泄洪消能效果較好。

圖4 表孔出口下游立視圖Fig.4 Elevation view from the outlet downstream of the surface spillway

考慮到分流齒坎區有較強的空化發生，導致空蝕破壞的可能性大，為此進行了優化方案的比較研究，最后采用在WES曲線壩面和齒坎面之間，以半徑R＝8.0 m的圓弧進行平滑銜接，其它體型不變。試驗研究表明：分流齒坎修改方案明顯改善了齒坎區的空化特性，危害性空化的強度均降至初生階段，發生空蝕破壞的可能性不大。同時還對1#中孔進行了方案的修改優化，最終將進口頂橢圓曲線方程修改為，檢修門井后的水平均直段頂部高程為559.00 m（較原方案抬高1 m），其后與出口壓坡段以半徑R＝30.00 m、圓心角為9.46°的圓弧銜接，出口段壓坡坡比為1∶6，壓力出口控制斷面尺寸為7 m×6 m（寬×高）。這樣不僅消除了孔內高速水流空蝕破壞之憂，且泄流能力滿足原設計要求。

1∶55大尺度水工整體模型優化復核研究表明：提出的泄洪消能建筑物采用表孔差動加分流齒與中孔不同挑角碰撞，另設一條岸邊輔助泄洪洞的泄洪消能布置形式，成功解決了泄洪功率高達42 200 MW，泄洪難度居世界前列的泄洪消能關鍵技術。

5 結 語

長江科學院針對隔河巖、水布埡、構皮灘等大型水利水電工程泄洪消能的特點，對挑流消能及新型挑流消能工的消能機理、布置形式、泄洪消能效果等進行了大量的試驗研究和水力學原型觀測，取得了許多有創新意義的成果：

（1）在國內外首次將寬尾墩收縮射流技術運用到隔河巖重力拱壩上，創新性地提出了分層多孔收縮射流水墊塘聯合消能工布置形式并成功運用于工程中，即將7個表孔、4個深孔及2個底孔在平面上錯開，空間上分層，集中布置于拱壩壩身，達到了從壩身安全下泄23 900 m3／s洪水的預期目的。

（2）提出了分區陡槽窄縫挑坎階梯式出口布置以適應下游非對稱狹窄河谷的新型消能工布置形式及異形窄縫鼻坎控導措施，解決了水布埡岸邊溢洪道泄洪消能和電站尾水淤積等重大技術難題。

（3）首次在雙曲拱壩中采用“表孔出口立面大差動及邊表孔不對稱擴散加分流齒、中孔平底型與上挑型不同挑角相間布置”的泄洪消能方案，成功解決了目前世界上已建雙曲高拱壩中壩身泄洪流量和泄洪功率都最大的泄洪消能難題，為高拱壩大泄量泄洪消能開辟了新思路。

這些研究成果不僅解決了工程上的泄洪消能難題，同時也可供今后挑流消能工程的設計和建設參考借鑒。

［1］ 高儀生，金寶芬.隔河巖樞紐泄洪消能試驗研究［J］.長江科學院院報，1993，10（4）：17-24.（GAO Yisheng，JIN Bao-fen.Experimental Studies on Flood Release and Energy Dissipation for Geheyan Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1993，10（4）：17-24.（in Chinese））

［2］ 黃國兵，陳 俊，高儀生，等.水布埡樞紐泄洪消能防沖試驗研究［J］.長江科學院院報，2001，18（5）：3-6.（HUANG Guo-bing，CHEN-Jun，GAO Yi-sheng，et al.Experimental Study on Energy Dissipation and Scour Protection Below Flood-ReleasingWorks of Shuibuya Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，18（5）：3-6.（in Chinese））

［3］ 程子兵，韓繼斌，黃國兵.構皮灘水電站泄洪消能試驗研究［J］.人民長江，2006，37（3）：84-86.（CHENG Zi-bing，HAN Ji-bin，HUANG Guo-bing.Experimental Studies on Flood Release and Energy Dissipation for Goupitan Project［J］.Yangtze River，2006，37（3）：84 -86.（in Chinese））

［4］ 黃國兵，王才歡，王春龍，等.水布埡樞紐泄水建筑物主要水力學問題研究［J］.人民長江，2007，38（7）：95 -98.（HUANG Guo-bing，WANG Cai-huan，WANG Chun-long，etal.Studies on the Main Hydraulic Problem of Discharge Structure for Shuibuya Project［J］.Yangtze River，2007，38（7）：95-98.（in Chinese））

（編輯：劉運飛）

Optim ization and Application of Energy Dissipation W orks for Ski Jum p Spillway at High Dams

HUANG Guo-bing，XIE Shi-ping，DUANWen-gang
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The ski jump energy dissipator has been mostwidely used in the energy dissipation of high dam，yet optimizations should bemade according to the unique characteristics of different projects.The outlet structures of three different dam types investigated by Yangtze River Scientific Research Institute are taken to illustrate the research achievements.Different arrangements of energy dissipator have beenmade for the three dam types.First，for the centripetal concentration of discharge flow atGeheyan gravity arch dam，a combination of the asymmetric shrink of flaring pier at the surface spillway，asymmetric contraction of the recurved narrow slitat the deep outlet，and plunge pool，is arranged.Second，for the erosion and siltation in the energy dissipation area of the asymmetric narrow valley at Shuibuya concrete face rockfill dam，narrow slit flip buckets are arranged in a cascade.Third，to solve the erosion problem of spillway plunge pool in the case ofmaximum power dissipation at Goupitan double curvature arch dam，differential flip bucketand flow-separating dentated sill for surface outlet combined with collision of different jetangle at themiddle outletare applied.Practices of flood discharging at the projects indicated that these new types of energy dissipator successfully solved the energy dissipation problem for the projects，and thus could be referential for alike ski-jump energy dissipation of high dams.

energy dissipation of ski jump type；flaring pier；narrow slit flip buckets；plunge pool

TV653

A

1001-5485（2011）10-0090-04

2011-07-13

黃國兵（1963-），男，湖北天門人，教授級高級工程師，主要從事水工水力學研究工作，（電話）027-82926893（電子信箱）huanggb＠mail.crsri.cn。