幾內亞蘇阿皮蒂水利樞紐泄流底孔的水力學研究

羅 暢，徐 威，杜少磊，張文皎

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

幾內亞蘇阿皮蒂水利樞紐是孔庫雷河(Konkouré)干流河段水電規劃的第二個梯級，水庫總庫容74.89億m3，裝機容量450 MW，多年平均發電量2 016 GWh。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程215.50 m，壩頂長度1 164 m，最大壩高120.5 m。工程為Ⅰ等大(1)型，大壩按1 000年一遇洪水設計，5 000年一遇洪水校核，正常蓄水位210 m，設計洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，極端最高洪水位214.42 m，校核洪水位樞紐總下泄流量為4 458 m3/s，溢流壩下泄流量為2 410 m3/s，泄洪底孔泄量為2 048 m3/s。樞紐建筑物主要包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、泄流底孔、發電引水壩段、發電廠房等工程。

泄洪底孔壩段長25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬19.20 m。泄流底孔左側為導流底孔壩段和廠房壩段，右側為溢流壩段(見圖1)。泄流底孔為短有壓進口的壩身無壓泄水孔，分為2孔，進口體型為橢圓曲線，進口底坎高程130 m，進口段后設置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門各一道，壓坡段位于弧形閘門上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門與弧形閘門之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過排水管流向下部的基礎廊道。工作弧門后設置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側各設0.5 m的突擴，跌坎內埋設2個直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎挑角30°，鼻坎頂高程為125.958 m。

1 泄流能力

泄流底孔為短有壓進口的壩身無壓泄水孔，泄流能力按重力壩設計規范推薦的公式進行計算，并與模型試驗的結果進行比較(見表1)。

表1 泄洪底孔泄流能力計算值與試驗數據表

可以看出，計算值與模型試驗的結果基本一致，試驗值比計算值稍大。

2 摻氣減蝕

泄流底孔最大運行水頭83.56 m，泄槽最大流速超過35 m/s，高速水流和空化空蝕問題比較突出。有壓出口段多采用側向突擴、底部突跌的摻氣設施，水舌離開門座后沿豎直與水平兩個方向擴散，在一定條件下可形成相互貫通的側空腔和底空腔，使水流摻氣，對下游固壁形成保護，但也可能惡化流態，引發空化、空蝕等問題，其主要原因是進氣不暢、過流邊界的施工不平整度過大等。

根據《水工設計手冊》推薦的突擴和跌坎體型參考尺寸，并參考其他工程的突擴突跌布置實例，泄流底孔弧門后側擴的寬度為0.5 m，跌坎的高度為1.2 m。

模型試驗對泄流底孔的摻氣措施進行了驗證，對突擴突跌后的水流流態，空腔長度，流道壓力，通氣孔風速，摻氣濃度等進行了觀測(見圖2)。模型試驗的結果表明，閘孔后突擴和跌坎體型能在左右兩側和跌坎處形成空腔，空腔范圍隨水位升高增大，兩側邊墻水舌沖擊處產生水翅。模型試驗觀測到上游水位150～180 m時，弧門出口兩側邊墻水舌沖擊處產生水翅，水位達到正常蓄水位和校核水位時水翅高度明顯減小。各水位條件下兩側邊墻水舌沖擊處產生水翅均位于門鉸下游，且未觸及門鉸，水位越高，產生水翅位置距離門鉸越遠。

圖2 泄流底孔突擴突跌布置圖

模型試驗的結果表明，底板斜坡段的空腔末端位置，出現較小負壓值，最大負壓為0.42 m水柱，兩邊側墻空腔末端位置，也出現較小負壓值，最大負壓為0.65 m水柱。底板水舌射流沖擊區，底板壓力出現一個峰值，而后壓力值沿程減小，至挑流鼻坎反弧段由于離心力導致底板壓力增大。校核洪水時射流最大沖擊壓力達到14.2 m水柱，反弧段最大壓力達到21.7 m。底孔壓力段壓力分布均勻，且符合正常分布規律，體型設計合理。

模型試驗觀測正常蓄水位和校核洪水的工況下均形成穩定而完整的空腔，正常蓄水位底空腔長度約25.5 m，左右側通氣孔風速為15.84 m/s和16.40 m/s，校核水位底空腔長度約26 m。左右側通氣孔風速為16.73 m/s和16.42 m/s。

模型試驗對正常蓄水位和校核洪水的工況下的摻氣濃度進行了測量，下游底部水流摻氣濃度沿程衰減，至跌坎下游約70 m遠處摻氣濃度仍接近3%，鼻坎末端大于3%，表明摻氣設施對泄槽斜坡段具有較好的摻氣保護能力。由于水流出閘孔后受體型突擴影響，水舌在側向增加摻氣，水舌沖擊側墻后也形成充分摻氣。模型試驗的結果表明摻氣減蝕設施可形成穩定而完整的空腔，對底孔明流斜坡段具有較好的減蝕保護效果。

3 挑流消能

在中、高水頭的泄水建筑物中，下泄水流的動能較大，工程中常采用挑流消能的方式，其特點是：泄水建筑物泄放的高速水流為挑坎所導引，將水流先拋射到空中，水流在空中摻入大量空氣，形成逐漸擴散的水舌，然后在距壩趾較遠處落入下游水墊中；水舌在水墊中繼續擴散，并在主流前后形成兩個大漩流，同時消散大部分動能；當擴散水舌的沖刷能力大于河床抗沖能力時，河床變形，形成沖刷坑，直至水流的沖刷能力小于河床抗沖刷能力時，沖刷坑才能保持穩定狀態。

當泄水建筑物下游地質條件較好時，為充分利用下游河道的抗沖刷能力，采用挑流消能方式是比較經濟合理的。挑流水舌在空中受大氣的拖曳和卷吸作用發生破碎，并在與下游水體碰撞時產生激濺，霧化降雨難以避免。考慮到蘇阿皮蒂水利樞紐壩址位置河道較寬，地形坡度較緩，且距離發電廠房也有一定距離，泄洪霧化對環境和重要建筑物不會產生太大影響，因此選擇挑流消能作為泄流底孔的消能方式。

挑流消能水力計算的主要任務有：根據水力條件，確定挑坎體型、計算水舌挑距、估算沖刷深度等。

連續挑坎施工簡便，不易空蝕，但其水流較集中，對下游河床沖刷不利，考慮到下游河床薄覆蓋層以下為堅硬的輝綠巖，巖石的平均飽和抗壓強度達170 MPa，抗沖刷能力較強，地質條件較好，泄流底孔泄槽末端挑坎采用連續擴散式挑坎。同時考慮泄流底孔右側為溢流壩段，左側為發電廠房，擴散也不宜太寬。

挑流消能的水舌挑距和沖刷深度根據重力壩設計規范推薦的公式進行計算，并與模型試驗的結果進行比較(見表2)。

表2 泄洪底孔挑流消能挑距與沖坑深計算值與試驗數據表

根據以上比較結果可以看出，挑距計算值與模型試驗的結果基本一致，沖坑計算值與模型試驗的結果差異較大。出現這種情況的原因，除了挑流水舌的表面和挑坎挑射角度不同，最重要的復雜因素是挑流水舌在空氣中的摻氣擴散作用，水舌挑離挑坎已經摻氣，拋射到空氣中后又進行摻氣擴散，情況極為復雜。但是沖刷深度無論是計算值還是試驗值，沖坑上游坡度均大于1/2.5，不影響壩趾基巖穩定，滿足規范要求。

4 結 語

蘇阿皮蒂水電站的泄流底孔承擔宣泄洪水保證大壩安全的重要任務，其水力特性復雜，通過理論計算并通過模型試驗的驗證，泄流底孔的泄量計算值與模型試驗結果基本一致，突擴突跌的摻氣體型能夠達到摻氣減蝕的效果，挑流消能的計算結果與模型試驗的結果稍有差異，但不影響壩趾基巖穩定。