野三河水電站泄水建筑物設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

楊仕志，保慶順，馬雪峰，張文宇，羅 杰

(1. 湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070； 2. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

野三河水電站工程位于恩施州建始縣高坪鎮(zhèn)境內(nèi)、清江左岸一級(jí)支流野三河干流、水布埡庫(kù)尾。工程任務(wù)是以發(fā)電為主，兼庫(kù)區(qū)旅游等綜合利用。水庫(kù)正常蓄水位為664.00 m(黃海高程)，總庫(kù)容為1 923.3萬(wàn)m3，電站總裝機(jī)容量為50 MW，年發(fā)電量為16 424萬(wàn)kW·h，最大壩高74 m。工程等別為Ⅲ等中型工程，大壩及壩身泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房等主要建筑物級(jí)別為3級(jí)；次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)選用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核，相應(yīng)天然洪峰流量分別為1 990 m3/s和3 080 m3/s，經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后的下泄流量分別為1 990 m3/s和3 017 m3/s。電站廠房防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核，洪峰流量分別為2 080 m3/s和2 720 m3/s。

1 泄水建筑物設(shè)計(jì)

野三河水電站壩址地形呈“V”形峽谷，河道狹窄，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層為單斜構(gòu)造，基巖為三迭系大冶組第4、5段薄層灰?guī)r與頁(yè)巖互層、中至厚層狀灰?guī)r。巖層走向?yàn)镹E向，傾NW，巖層產(chǎn)狀315°～330°∠37°～48°。為傾向上游偏右岸的橫向河谷。整體邊坡穩(wěn)定性較好。泄水建筑物布置要考慮河道狹窄，泄洪建筑物落點(diǎn)可布置范圍小；但兩岸邊坡為橫向邊坡，穩(wěn)定性較好；拱壩泄水建筑物存在向心集中的特點(diǎn)[1]。

1.1 初步設(shè)計(jì)階段

野三河水電站采用壩身泄水方式。在初步設(shè)計(jì)階段，泄水建筑物為兩個(gè)表孔和一個(gè)中孔。溢流表孔的堰頂高程650.00 m，每孔凈寬10.0 m；中孔底板高程618.00 m(后抬高到619.00 m)，出口控制斷面尺寸為4 m2×4 m2。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，初步設(shè)計(jì)階段最終推薦的方案為：兩個(gè)表孔和一個(gè)中孔泄流，兩表孔采用外挑內(nèi)跌的差動(dòng)挑流消能工，中孔采用窄縫式挑流消能工[2]。三孔聯(lián)合泄流時(shí)，兩表孔的部分挑流水舌與中表孔的挑射水舌呈上下對(duì)沖消能。

1.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

在施工圖設(shè)計(jì)階段，考慮到大壩采用碾壓混凝土施工，需要簡(jiǎn)化壩體結(jié)構(gòu)以加快工程施工進(jìn)度。因此，取消泄水建筑物中結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的中孔[3]。修改后的泄水建筑物采用三個(gè)表孔泄流。施工圖設(shè)計(jì)階段最終推薦的方案為：三個(gè)表孔泄流，表孔溢流堰頂高程651.00 m，單孔凈寬9.0 m，弧形工作閘門(mén)半徑為15.5 m。

綜上，泄水建筑物確定為三表孔泄流。下文對(duì)三個(gè)表孔的布置方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，目的是從平行泄流布置方案與上下對(duì)沖布置方案中選出更符合泄流、消能等設(shè)計(jì)要求的方案。泄水建筑物平面布置如圖1所示。

圖1 泄水建筑物平面布置圖

2 試驗(yàn)研究

2.1 平行泄流布置方案

在平行泄流布置方案中，三個(gè)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軸線為對(duì)稱中心，平行于拱壩對(duì)稱中心軸線，布置在拱壩對(duì)稱中軸線左側(cè)。左右兩個(gè)邊表孔的軸線與中表孔軸線呈5°夾角。三個(gè)溢流表孔，堰頂高程651.0 m，每孔凈寬9.0 m。采用挑流方式，反弧半徑均為9.0 m，挑坎高程為636.12 m。在溢流壩面上采用了小挑坎。溢流面水流經(jīng)過(guò)小挑坎時(shí)發(fā)生分離。部分水流經(jīng)小挑坎挑起，在大挑坎下游處下落。另一部分水流仍沿溢流面下泄，從大挑坎挑出。小挑坎撕開(kāi)壩面水流，使水舌落點(diǎn)面積增大，充分摻氣，起到輔助消能的作用[4]。

2.2 上下對(duì)沖布置方案

在上下對(duì)沖布置方案中，中表孔采用滑雪道形式將挑坎高程降低，兩個(gè)邊表孔維持到較高位置。兩邊表孔的壩面落差小，水舌挑射距離近，水舌近似垂直下落；中表孔的壩面落差大，水舌挑射距離遠(yuǎn)，水舌近似平射出去。三孔聯(lián)合泄水時(shí)，兩邊表孔水舌在拱壩向心的作用下，正好落在中表孔的平射水舌，兩者在空中發(fā)生碰撞。三股水舌在空中上下碰撞，可以大量地消耗能量，減小其對(duì)基巖的沖刷。

為了保證左、右表孔的水舌正好落到水舌上，實(shí)現(xiàn)上下水舌在空中碰撞，需要加大三個(gè)表孔的軸線夾角。設(shè)計(jì)將三表孔的軸線夾角從原來(lái)的5°增加到8°。從試驗(yàn)情況來(lái)看，這個(gè)夾角是合適的。

2.3 泄流能力試驗(yàn)

在對(duì)平行泄流布置方案和上下對(duì)沖布置方案進(jìn)行泄水建筑物體型研究前，首先進(jìn)行了綜合泄流能力試驗(yàn)。兩種布置方案在三表孔全開(kāi)敞泄時(shí)的泄流能力試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 三孔聯(lián)合泄流能力表

試驗(yàn)成果表明，兩種方案的泄流能力均大于設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。從表1中可見(jiàn)，平行泄流布置方案的整體泄流能力較設(shè)計(jì)值偏大較多。考慮到平行泄流布置方案的溢流堰頂有較大的負(fù)壓，上下對(duì)沖布置方案的溢流堰定型設(shè)計(jì)水頭采用了較大值。因此，其整體泄流能力有所下降，但是仍然滿足要求。

2.4 泄水建筑物體型研究

平行泄流布置方案與上下對(duì)沖布置方案相比，泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求，但是后者的消能效果更好，所以泄水建筑物最終選擇上下對(duì)沖布置。對(duì)上下對(duì)沖布置方案體型再次進(jìn)行了研究和調(diào)整，并確定了最終體型。修改后的溢流面曲線(WES曲線)加大了定型設(shè)計(jì)水頭。

中表孔體型在溢流面曲線以下部分仍然保持不變。其反弧半徑16.0 m，挑角20°，挑坎高程613.5 m。見(jiàn)圖2中表孔中心線剖面圖。

圖2 中表孔中心線剖面圖

左、右表孔的溢流曲線與中表孔相同，挑坎仍采用外挑內(nèi)跌形式。外側(cè)高挑坎的反弧半徑為10.0 m，挑角23°，挑坎高程642.66 m；內(nèi)側(cè)低挑坎反弧半徑為16.0 m，挑角0°，挑坎高程640.09 m。兩表孔中心線與中表孔夾角由5°加大到8°。見(jiàn)圖3右表孔中心線剖面圖。

圖3 右表孔中心線剖面圖

邊表孔水舌下落與中表孔水舌碰撞，交匯點(diǎn)位于中表孔水舌最高點(diǎn)上游，其交匯角較前增大，其碰撞消能的效果更好。上下水舌碰撞濺起的部分水花時(shí)而飛落到反弧水流上。試驗(yàn)成果表明，反弧末端底板脈動(dòng)壓力沒(méi)有明顯增大，校核工況時(shí)脈動(dòng)壓力最大值僅為8 kPa，不超過(guò)時(shí)均壓力的8%，不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2.5 動(dòng)床沖刷試驗(yàn)

上文對(duì)泄水建筑物體型進(jìn)行了試驗(yàn)研究并確定了最終體型。下面以此體型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)沖刷試驗(yàn)，從而驗(yàn)證體型設(shè)計(jì)的合理性。巖石設(shè)計(jì)允許抗沖流速約8.0 m/s。試驗(yàn)以30年一遇洪水為沖刷試驗(yàn)的主要工況。兼顧50年一遇、500年一遇洪水，以及實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的組合運(yùn)行工況。試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 上下對(duì)沖布置推薦方案沖刷試驗(yàn)結(jié)果 m

上下對(duì)沖布置方案的沖刷試驗(yàn)充分表明對(duì)沖消能的優(yōu)點(diǎn)。30年一遇和50年一遇的沖坑深度與現(xiàn)有的平行泄流布置方案試驗(yàn)結(jié)果相比明顯減小。試驗(yàn)還表明，雖然三孔泄流量大，空中對(duì)沖消能的沖刷坑深度小于兩表孔的沖刷深度。

試驗(yàn)進(jìn)行了單中孔、單邊孔和雙邊孔等多種運(yùn)行組合，組合試驗(yàn)的上游水位為汛限水位662.00 m。單中表孔水舌挑距遠(yuǎn)，水平流速分量大，沖坑淺；單邊孔落點(diǎn)位置雖然距離壩腳較近，但流量小，沖刷坑深度較淺。所以，各孔單獨(dú)運(yùn)行不存在問(wèn)題。邊表孔與中表孔兩孔組合泄流時(shí)，由于下泄水流不對(duì)稱，沖坑最深點(diǎn)偏于開(kāi)啟孔的對(duì)岸一側(cè)，對(duì)邊坡安全不利[5]。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該盡可能避免開(kāi)啟“中表孔+邊表孔”這種組合工況。

3 結(jié) 語(yǔ)

野三河水電站拱壩位于典型的山區(qū)狹窄河谷，對(duì)于這種中小型工程，在滿足安全下泄洪水的前提下，因地制宜的簡(jiǎn)化泄水建筑物的布置和體型，降低工程造價(jià)，是泄水建筑物設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和初衷。野三河水電站泄水建筑溢流前緣采用大差動(dòng)布置，利用拱壩的向心作用，挑坎高程較高的兩邊表孔水舌正好落在挑坎高程較低的中孔平射水舌上，兩者在空中碰撞，大量地消剎能量的同時(shí)，盡量將泄洪水流拋向遠(yuǎn)方，使沖坑遠(yuǎn)離壩腳，是解決狹窄河谷泄水消能的有效途徑之一，本文的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，可供類(lèi)似工程參考。

目前工程已安全運(yùn)行10余年，表孔經(jīng)歷多次泄洪考驗(yàn)，表孔原型泄流和模型泄流對(duì)比，相似性很好。詳見(jiàn)圖4。

圖4 三表孔原型泄流與模型泄流對(duì)比圖