諶祖安 ，張緒進(jìn) ，劉 洋 ，張 湛 ，李戰(zhàn)強(qiáng)

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016）

1 工程概況

大渡河沫水電站壩址位于大渡河干流與玉溪河匯流處上游250 m處，距上游沙灣水電站尾水渠出口約4 km，控制流域面積 76 587 km2，河道比降 1.23‰，多年平均流量1 490 m3/s。電站初步擬定正常蓄水位405.00 m，額定水頭5.0 m，設(shè)計(jì)引用流量 2 569 m3/s，單機(jī)引用流量513.80 m3/s。電站采用單一級(jí)開(kāi)發(fā)方式，為河床式方案，裝機(jī)容量5×22 MW。各特征水位及流量見(jiàn)表1。沫水電站主要建筑物包括：泄洪沖砂閘、電站主副廠房、副壩等，次要建筑物包括：攔砂坎、上、下游導(dǎo)墻等，樞紐布置圖見(jiàn)圖1。本文通過(guò)整體水工模型試驗(yàn)對(duì)大渡河沫水電站樞紐工程泄洪閘的規(guī)模和泄洪能力、閘下消能型式與消能效果進(jìn)行研究和論證，優(yōu)化沫水電站樞紐布置，保證泄洪、防沖的安全、高效。

表1 各特征水位及流量表

2 模型的設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在樞紐上、下游留有足夠長(zhǎng)的調(diào)整過(guò)渡段，使研究河段的水流流態(tài)及流速分布達(dá)到相似。沫水電站整體水工模型選用幾何比尺為λL=λh=80的正態(tài)模型[1]。模型范圍包括：從壩軸線上游約1.2km開(kāi)始至壩軸線下游約1.3 km為止，模擬原型河道總長(zhǎng)約2.5 km。 模型水流運(yùn)動(dòng)各項(xiàng)相似比尺值為

3 泄流能力研究

3.1 閘壩平面布置[2]

沫水電站樞紐壩頂高程408.60 m，最大壩高17.10 m，樞紐壩軸線總長(zhǎng)532.00 m。泄洪沖砂閘布置在主河床中部位置，閘段全長(zhǎng)258.00 m，共15孔，其中緊靠電站廠房的5孔為沖砂閘，其余10孔為泄洪閘，采用相同結(jié)構(gòu)布置，閘底板每?jī)煽追忠挥谰每p，每個(gè)泄洪（沖沙）閘孔凈寬 14.00 m，閘室凈高 11.60 m（擋水高度8.0 m），閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng) 21.00 m，閘墩厚度 3.00 m，墩頂高程408.60 m。 閘底板厚 3.00 m，底板高程 397.00 m，基本與原河床地面平均高程持平，建基面置于白云巖弱風(fēng)化層T 2 L上，建基面高程387.00 m。閘室下游采用底流消能，設(shè) 35.00 m 長(zhǎng)，3.00 m 深的消力池，消力池內(nèi)設(shè)Φ80 mm的排水孔，孔排距3.00 m，梅花型布置。始端以 1∶4的坡度連接，連接段長(zhǎng)12.00 m。泄洪閘剖面圖如圖2所示。

圖1 沫水電站樞紐平面布置圖

3.2 泄流能力研究[4]

為掌握沫水電站的泄流能力，試驗(yàn)在電站停機(jī)、閘門全開(kāi)（即當(dāng)上游來(lái)水流量Q＞4 500 m3/s時(shí)，電站停止發(fā)電，泄洪、沖砂閘敞泄）情況下，實(shí)測(cè)了Q=4500～12200 m3/s共9級(jí)流量的壩前水位資料。模型推薦方案相比設(shè)計(jì)方案上游疏浚范圍從壩上250.00 m延長(zhǎng)至360.00 m，疏浚高程仍為 397.00 m，攔沙坎外壩軸線上游250.00 m范圍內(nèi)沖沙閘所在分廂一側(cè)區(qū)域進(jìn)一步疏浚至395.00 m，電站前池底高程由 397.00 m 降低至 393.00 m。試驗(yàn)觀測(cè)表明：模型推薦方案實(shí)測(cè)壩前水位較設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位偏低0.07～0.34 m；隨著上游來(lái)水流量的增大，模型實(shí)測(cè)壩前水位逐漸接近設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位，其中當(dāng)上游來(lái)流量為100年一遇頻率洪水Q=10 800 m3/s時(shí)，模型實(shí)測(cè)壩前水位較設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位略高1 cm；當(dāng)上游來(lái)流量為300年一遇校核洪水Q=12 200 m3/s時(shí)，模型實(shí)測(cè)壩前水位較設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位略高 4.00 cm?？梢缘贸觯涸摌屑~在Q≤9 970 m3/s（P=2%，設(shè)計(jì)洪水）的各級(jí)流量情況下，樞紐實(shí)際泄流能力略大于設(shè)計(jì)計(jì)算的泄流能力，而當(dāng)流量Q＞9 970 m3/s（P=2%）以后，樞紐實(shí)際泄流能力與設(shè)計(jì)計(jì)算的泄流能力基本一致，說(shuō)明該樞紐的泄流能力基本滿足設(shè)計(jì)要求。模型實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)壩前水位流量關(guān)系如圖3[5]。

圖3 模型實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)壩前水位～流量關(guān)系曲線

4 壩下消能及改善措施

4.1 設(shè)計(jì)方案壩下消能[6]

按照設(shè)計(jì)擬定的沫水電站水庫(kù)運(yùn)行方式，當(dāng)上游來(lái)水流量Q≤4 500 m3/s時(shí)，電站正常發(fā)電，水庫(kù)水位控制在正常蓄水位405.00 m運(yùn)行；當(dāng)上游來(lái)水流量Q＞4 500 m3/s時(shí)，電站停止發(fā)電，泄洪、沖砂閘敞泄。試驗(yàn)觀測(cè)表明：各級(jí)流量敞泄情況下，由于閘門全部開(kāi)啟，故樞紐河段水流流速相對(duì)較為均勻，壩前100.00 m處最大面部流速在 6.02～6.90 m/s之間，最大底部流速在4.35～4.72 m/s之間。 壩下 150.00 m 處最大面部流速在6.75～8.19 m/s之間， 最大底部流速在 6.51～7.65 m/s之間，由此可以看出，隨著流量逐漸增大壩前水位也逐漸增大，各斷面流速變化并不大。因此，設(shè)計(jì)方案在全閘開(kāi)啟敞泄洪的情況下，由于壩上、下游水位差較小，消力池內(nèi)及下游水深較大，出池水流擴(kuò)散均勻，水流平穩(wěn)，涌浪較小，消能效果良好。

為了了解樞紐在小流量情況下的消能情況，試驗(yàn)觀測(cè)了設(shè)計(jì)的擬定閘門控制開(kāi)啟方式情況下，即當(dāng)2 576 m3/s≤Q≤4 500 m3/s，電站滿發(fā)，水庫(kù)保持正常蓄水位 405.00 m 運(yùn)行，閘門隔孔全開(kāi)（閘門均開(kāi) 1#、3#、5#、7#、9#五孔）時(shí)的壩下游消能情況。試驗(yàn)表明：在5孔閘門局部開(kāi)啟的各種工況下，由于壩上、下游水位差較大，閘后水深淺、水流急、池內(nèi)未形成明顯的淹沒(méi)水躍，主流持續(xù)距離較遠(yuǎn)，流速較大，消能效果較差。如此高速的下泄水流連同所挾帶的粗沙卵石可能對(duì)閘下游的護(hù)坦和海漫造成嚴(yán)重的磨蝕破壞，并對(duì)下游河床產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖刷。

通過(guò)對(duì)沫水電站樞紐整體的消能情況進(jìn)行觀測(cè)可知，全閘敞泄時(shí)大壩下游消能情況較好，但在電站蓄水運(yùn)行，閘門隔孔全開(kāi)情況下，大壩下游消能效果較差，需要針對(duì)泄洪（沖砂）閘作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化以改善壩下游消能條件。

4.2 消能方案的優(yōu)化措施

為了優(yōu)化沫水電站樞紐消能工結(jié)構(gòu)尺寸，針對(duì)設(shè)計(jì)方案消能工在不同開(kāi)度情況下水流流速、流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)。由于設(shè)計(jì)方案Ⅰ區(qū)沖沙閘與Ⅱ區(qū)泄洪閘下游消力池的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，因此試驗(yàn)中僅對(duì)Ⅰ區(qū)沖沙閘進(jìn)行各種方案的調(diào)整優(yōu)化。試驗(yàn)針對(duì)設(shè)計(jì)方案，觀測(cè)了電站5臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電、壩前保持正常蓄水位405.00 m運(yùn)行條件下，沖沙閘不同開(kāi)啟孔數(shù)和不同開(kāi)啟高度情況下，大壩下游的水面銜接與消能情況，試驗(yàn)時(shí)下游尾水位按電站滿負(fù)荷發(fā)電引用流量加局部下泄流量對(duì)應(yīng)的水位進(jìn)行控制。在沖沙閘局部開(kāi)啟，閘門開(kāi)啟高度超過(guò)2 m的各種工況下，閘后水深淺、水流急、高速主流持續(xù)很遠(yuǎn)，對(duì)下游河床產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖刷。由此說(shuō)明設(shè)計(jì)方案沖沙閘下游消力池底板高程過(guò)高，池內(nèi)水躍紊動(dòng)不充分，大壩下游水流擴(kuò)散效果差，不能滿足消能要求。

針對(duì)沫水電站設(shè)計(jì)方案大壩下游消能設(shè)施存在的主要問(wèn)題，綜合考慮沫水電站樞紐的總體布置與施工方案，經(jīng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)分析，主要對(duì)大壩下游的消能工布置作以下調(diào)整和優(yōu)化：①將泄洪（沖沙）閘下溢流堰和消力池底板之間順坡的斜率由1：4增大至1：3，池后反坡由1：1減緩至1：2；②將Ⅰ區(qū)沖沙閘和Ⅱ區(qū)泄洪閘下游消力池底板高程由394.00 m分別降低至392.00 m和 392.50 m，消力池池長(zhǎng)均為 40.00 m；③池后海漫起點(diǎn)頂高程由 397.00 m 降至 395.00 m，其后以i=1/302.5的順坡降至河道整治高程394.50 m。

4.3 修改方案消能效果

試驗(yàn)同樣觀測(cè)了沫水電站滿負(fù)荷發(fā)電，大壩前水位保持正常蓄水位405.00 m運(yùn)行，沖沙閘不同開(kāi)啟孔數(shù)和開(kāi)度情況下，實(shí)測(cè)了消力池下游的流速分布（見(jiàn)表3）和閘下游的水面銜接與消能情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：修改方案在沖沙閘單孔和多孔局部開(kāi)啟的各種試驗(yàn)工況下，在沖沙閘下消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動(dòng)充分，出池水流均勻、流速相對(duì)較小、擴(kuò)散效果好，池后水流很快恢復(fù)到表面流速大、底部流速小的天然面流情況。與設(shè)計(jì)方案相比，海漫及下游河床底部流速均明顯減小，說(shuō)明該方案消能效果顯著改善，試驗(yàn)取得了較滿意的效果。此外，修改方案在沖沙閘單孔或多孔局部開(kāi)啟且開(kāi)度達(dá)到4 m以上時(shí)，消力池下游流速達(dá)到4 m/s以上的區(qū)域較大，將對(duì)海漫以下河床產(chǎn)生一定的沖刷[7]。

表3 推薦方案I區(qū)沖沙閘閘門局部開(kāi)啟情況下閘下游最大流速統(tǒng)計(jì)表 m/s

5 結(jié)語(yǔ)

沫水電站樞紐在各級(jí)洪水流量情況下，模型實(shí)測(cè)壩前水位與設(shè)計(jì)的壩前水位較為接近，當(dāng)上游來(lái)水流量P=1%的洪水Q=10 800 m3/s時(shí)，模型實(shí)測(cè)壩前水位較設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位略高1 cm；當(dāng)上游來(lái)流量為P=0.33%的校核洪水Q=12 200 m3/s時(shí)，模型實(shí)測(cè)壩前水位較設(shè)計(jì)計(jì)算的壩前水位略高4.00 cm。說(shuō)明該樞紐的實(shí)際泄流能力基本滿足設(shè)計(jì)要求。

修改方案通過(guò)對(duì)閘下消力池的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整、對(duì)閘門開(kāi)啟順序與開(kāi)啟高度進(jìn)行適當(dāng)控制，有效地改善了大壩下游的消能條件：

（1）修改后的沖沙閘在單孔或多孔局部開(kāi)啟且開(kāi)度小于4.00 m的各種工況下，消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動(dòng)充分，出池水流均勻、流速相對(duì)較小，池后水流很快恢復(fù)到表面流速大、底部流速小的天然狀況，消能效果良好。

（2）在泄洪（沖沙）閘組合開(kāi)啟的條件下（即先開(kāi)啟5孔沖沙閘、后局部開(kāi)啟泄洪閘），泄洪閘下游消力池內(nèi)均能形成完整穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流紊動(dòng)充分，出池水流較為平緩，消能效果亦較良好。

（3）在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)盡量避免沖沙閘單孔局部開(kāi)啟較大或多孔開(kāi)啟超過(guò)4 m以上，以減小大壩下游的流速，確保大壩下游河床穩(wěn)定。

［1］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1979.

［2］ 張緒進(jìn)，樊衛(wèi)平，張厚強(qiáng).低閘樞紐泄流能力研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2005.(10).

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［4］王海云，楊 慶.大單寬流量泄流消能方式研究［J］.水力發(fā)電，2006.(08).

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［7］毛 野.水工定床模型相似度的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2002(07).