戽流消能在沙阡水電站工程的研究與應用

肖志愿 徐 林 羅光其

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 貴州 貴陽 550081）

水躍消能是水利水電工程常用的消能方式，在工程中上下游水流直接銜接的全部采用水躍消能，且在中低壩中的應用較為廣泛，其消能工的表現型式主要為底流消能、面流消能和戽流消能。戽流消能在中高壩中因可產生強烈水躍應用較多，而在大流量的中低壩中鮮有應用。沙阡水電站在工程設計中通過比較研究選擇了更適合工程的戽流消能作為其消能工，取得了較好的效果。

1 工程概況

沙阡水電站位于貴州省北部芙蓉江干流上，是芙蓉江梯級規劃中的第七級。壩址位于芙蓉江峽谷河段，河面寬度約為35m。芙蓉江流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，受印度洋和孟加拉灣暖濕氣流的影響，降雨日數較多，水量充沛，梯級以上流域多年平均降雨量1089mm。流域洪水為典型的雨源型洪水，洪峰流量和洪水歷時與降雨強度和降雨時間密切相關。各頻率洪水見表1。由表可知，相對與工程規模和壩址河道寬度等情況，洪峰流量大是本工程的顯著特點。

沙阡水電站正常蓄水位503.0m，電站裝機容量50MW，工程為三等中型工程。泄水建筑物為3級建筑物，大壩泄洪標準按50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核，消能防沖建筑物按30年一遇洪水設計。大壩為碾壓混凝土重力壩，泄洪建筑物由4表孔組成，表孔尺寸為9m×17m（寬×高），堰頂高程486m，溢流壩段泄槽凈寬45m。正常蓄水位時大壩壅高水位約35m。大壩最大壩高50m。

大壩下游約200m處為跨芙蓉江的漁塘大橋，大橋為砌石基礎混凝土單拱橋，工程宣泄洪水時不對漁塘大橋拱座基礎造成影響為本工程消能工設計的控制性條件。

2 消能特點

經泄水建筑物下泄的水流是一種高能急流，而下游河道為緩流，急流到緩流必然發生水躍。因水躍具有消能特性，利用可控制的水躍來消能是水利水電樞紐工程中常見的消能方式，尤其中低壩工程中的應用尤為廣泛。

表1 沙阡水電站壩址設計洪水成果表

表2 沙阡水電站部分頻率洪水消能特性

根據水躍的形態，按低弗勞德數的大小，水躍可分為5個類型：

（1）波狀水躍：當 Fr1=1～1.7時，發生波狀水躍，沒有旋滾，消能很少，部分動能轉化為波動能量，傳至下游較長距離才衰減。

（2）弱水躍：當 Fr1=1.7～2.5時，發生弱水躍，水面有些小旋滾，消能率低于20%，但躍后水面平穩。

（3）振蕩水躍：也叫顫動水躍，當Fr1=2.5～4.5時，發生振蕩水躍，消能率20%～45%，底部有間歇性的射流水股斜向上升，旋滾不穩定，躍后水面波動較大。

（4）穩定水躍：當 Fr1=4.5～9.0時，發生良好的穩定水躍，消能率45%～70%，躍后水面也較平穩。

（5）強水躍：Fr1＞9.0時，發生強水躍，消能率可達85%，但高速射流帶間歇性水團不斷滾向下游，有較大的水面波動。

沙阡水電站部分頻率洪水消能特性見表2。

從表2中可以看出本工程的泄洪消能呈現單寬流量大、上下游水位差小、低弗勞德數（一般規定Fr1＜4.5為低弗勞德數）的三大特點。從表中可知，本工程正屬于第（3）種類型，即泄洪時發生振蕩水躍，消能效率較低,水面波動大，對下游影響大，選擇合適的消能工對工程尤為重要。

3 消能工選擇

3.1 消能工方案

傳統消能工有底流消能、挑流消能和面流消能。用于低弗勞德數的消能工有消力池加輔助消能工、射流穩定水躍、寬尾墩、廂式消能工、戽流消能等。

表3 躍后水深計算成果表

表4 面流消能水流流態類型及主要消能區范圍

根據本工程特點，挑流消能不適用于本工程；底流消能和面流消能均可采用；對于適用于低弗勞德數的消能工，戽流消能較為適用。其中底流消能需要較長的消力池，工程量較大，工期也較長，消能效果較差，對下游漁塘大橋的影響難以控制，因此重點對面流消能和戽流消能兩種消能工進行研究。

3.2 面流消能

3.2.1 水力學計算及體型設計

水力學計算按照水《水力學計算手冊》（第二版）中的計算公式來進行。

（1）按坎高a=0復核是否能產生面流，經計算，躍后水深計算成果見表3。

由上計算可知，ht＞h＂c，不同頻率下泄洪水均能產生面流消能。面流消能按自由面流至淹沒面流區間進行設計對工程安全有利，因此坎臺高度 a 按 0.93a1≥a＞a4，a＞amin選擇，根據計算取a=9.5m。按a=9.5m進行流態復核，水流流態在自由面流至淹沒面流區間。

（2）體型設計

面流消能工體型設計參照可研階段設計成果，大壩WES溢流曲線與圓弧半徑為20m連接，圓弧底高程為468.29m，反弧挑角為20°，挑坎高程為469.50m，見圖1。

圖1 面流消能工體型圖（單位：m）

3.2.2 水工模型試驗情況

表4為水工整體模型試驗各工況下下游流態情況。

根據模型試驗成果可知，流態與計算結果基本一致，以淹沒混合流為主，在大壩下游形成有沖坑。由于下游水位變幅較大，校核情況下下游水位較高，下泄洪水掠過挑坎下潛河床，出現回復底流流態，形成約20m深的沖坑，不利于大壩安全運行；且大量的沖刷物淤積下游河道，對漁塘大橋和電站的正常運行非常不利。根據表4可知，消能區范圍達到了0+175樁號處，距離下游漁塘大橋僅約20m，根據水流流態情況，漁塘大橋處水流最大流速達到約10m/s，且水流波動較大不利于大橋的安全運行。

3.2.3 面流消能的適宜性分析

綜上，按照面流流態進行消能工體型設計，消能效果較好，但也不能滿足要求，特別是校核工況出現的回復底流對壩腳安全影響較大。因面流消能更適用于15＜Fr12＜50和下游水位變幅較小的情況，面流消能對本工程并不適用。根據模型試驗情況，本消能工體型產生流態以淹沒面流為主，流態呈現出部分戽流消能的流態特點，參照體型設計及模型試驗情況，對戽流消能進行研究。

3.3 戽流消能

戽流消能是憑借泄水建筑物尾部形成如戽斗的鼻坎結構，使上游下泄的高速水流在坎內形成較強烈的水滾，從而消除水流大部分能量，降低坎后水流流速，以便較好地與下游水流銜接，以此達到消能防沖的目的。

3.3.1 水力學計算及體型設計

表5 臨界水深h2k求解表

表6 戽流消能沖坑和挑距計算

從計算結果可以，各工況均滿足ht1≤ht≤ht2的要求，可以產生穩定的戽流。

計算結果表明，沖坑很淺，距離大壩較遠，不會危及大壩和邊坡安全。

3.3.2 水工模型試驗情況

根據水工模型試驗成果，各工況下水流流態亦以淹沒混合流為主，但水流流態穩定時，均呈現出戽流消能流態的特點，且尾坎下游水下旋滾微弱，對壩腳安全有利，各工況下水流波動較為強烈的區域主要分布在尾坎下游80m范圍以內，以下河段水流波動微弱，兩岸邊水流速度都在6m/s以下，消能效果較好；且形成沖坑較淺，距離壩體70m以上，不會對大壩安全運行造成影響。但在校核工況下，出現間斷性回復底流，回復底流將坎后河床沖成深坑，水流又將深坑逐步回填，最后在漁塘大橋附近形成堆丘，抬高了河床，對漁塘大橋和廠房正常發電運行造成極不利的影響。根據模型試驗分析，產生回復底流的原因主要有兩點：下游水位過高和消力戽尾坎過短。受下游高水位頂托作用影響，下泄水流掠過挑坎尾端直接下潛水底，形成回復底流。為方便試驗將弧底以下反弧段在保持挑角不變的情況下逐步加大反弧半徑進行試驗；按照選定體型方案，在設計下游水位的基礎上逐步抬高水位直至出現回復底流情況，研究出現回復底流的安全裕度。最終根據試驗成果確定體型尺寸。最終消能工體型見圖2。

圖2 沙阡水電站消能工體型圖（單位：m）

3.3.3 戽流消能的適宜性分析

通過體型設計和水工模型試驗研究，最終確定采用戽流消能作為本工程的消能工型式。采用戽流消能可滿足下泄洪水的消能要求，下泄洪水至下游約200m處的漁塘大橋時，水流流速低于6m/s，流態接近天然情況，泄洪不會對漁塘大橋拱座基礎造成影響。因此由設計和水工模型試驗研究成果可知，沙阡水電站大壩采用戽流消能工不但能滿足下泄洪水的消能要求，而且可以確保漁塘大橋的正常運行。

4 結語

在我國山區、丘陵地區雨源型河流上修建的中、小型水利水電樞紐工程，特別是壅水高度在30m～50m的工程，大壩下泄洪水有著共同的特點，即單寬流量大、上下游水位差小、低弗勞德數的特點。此類工程的消能只能是選擇水躍消能，目前已建工程消能工型式以底流消能和面流消能為主，且應用尤為廣泛。根據沙阡水電站模型試驗成果可知，戽流消能具有消能區集中，消能率高的特點，同時對河床防護要求低，岸坡防護區域集中，防護工程量小，結構簡單，因此戽流消能可在此類工程中進一步推廣運用。

由于各工程具體情況各不相同，在消能工體型設計時，應注意避免回復底流和尾坎下游強烈旋滾的發生，過程中重點對反弧半徑、弧底高程、挑角進行研究以滿足工程要求。由于戽流消能理論與此類工程的情況有所區別，因此在選用時應進行模型試驗研究。

2014年是沙阡水電站下閘蓄水的第一年，工程經受了約3000m3/s的洪水考驗，根據泄洪情況，下泄洪水流態與模型實驗成果基本一致，具有消能效果好、消能區集中、區域下游水流平穩的特點。陜西水利

[1]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.李煒等.《水力計算手冊》（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.