鞏憲春，王常義，范寶山，李廣一

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，130012，長春）

一、泄水建筑物基本情況

1.泄水建筑物形式

大藤峽水利樞紐主要擋水建筑物按千年一遇洪水設計，五千年一遇洪水校核（土石壩萬年一遇校核），消能防沖建筑物按百年一遇洪水設計。

26 孔泄水閘布置在主河床左岸，以隔墻和縱向混凝土圍堰保留部分將消力池分為3 個區(qū)。 左區(qū)布置1 個高孔和8 個低孔， 中區(qū)布置12 個低孔，右區(qū)布置1 個高孔和4 個低孔。 2 個高孔堰頂高程36.00 m， 單孔凈寬14 m，設置在泄水閘兩端，與電站廠房毗鄰， 承擔泄洪和電廠排漂任務；24 個低孔堰頂高程22.00 m， 孔口尺寸9 m×18 m（寬×高），承擔泄洪和排沙任務。 高低孔均采用底流消能形式。

2.泄水建筑物泄洪消能運行特點

基于防洪、航運、發(fā)電、過魚、排沙和排漂等多功能的調度運行需求，大藤峽水利樞紐泄水建筑物的泄洪消能運行有以下特點：

①過閘單寬流量較大，技施設計階段百年一遇洪水高低孔最大過閘單寬流量分別為211 m3/(s·m) 和169 m3/(s·m)，閘下收縮斷面水流佛氏數(shù)為2.7 和3.1，消力池下游最小水深6 m，最大水深35 m，非汛期小洪水上下游水頭差最大34 m。 具有單寬流量大、佛氏數(shù)低、尾水變幅大等特性。

②泄水閘宣泄5 年一遇至20 年一遇洪水， 受閘上游水位不能超過44.00 m 和46.15 m 的上游淹沒限制，所有閘門敞開泄洪；但泄水閘宣泄五千年一遇洪水（校核洪水）時，閘門仍需要控制泄流，而不是敞泄。

③通過計算和繪制泄水閘宣泄各頻率洪水的上下游水頭差、下游水深和水頭之間的關系，發(fā)現(xiàn)水流參數(shù)既有位于共軛水深線以上的工況，又有位于共軛水深線以下的工況。 本工程下游尾水既有不足的工況，也有偏深的工況。 說明有些工況適宜挑流消能，有些工況適合底流消能。

④泄水閘低孔大部分坐落在大藤峽弩灘灘地開挖段，堰頂高程低于弩灘的灘面高程， 當閘上游流速大時， 特別是泄水閘低水位運行宣泄5年一遇至20 年一遇洪水時， 大量推移質和拆除施工圍堰的剩余石渣被水流挾帶過閘進入消力池。

⑤基于泄水閘建筑物結構穩(wěn)定要求，泄水閘消力池池底高程不能低于16.00 m，進而造成宣泄設計工況的洪水時，消力池的池深不足。

⑥河床巖石抗沖流速為3.5～4.4 m/s，抗沖能力也較低。

自20 世紀80 年代大藤峽可行性研究水力學模型試驗開始，泄水閘布置形式和泄洪消能方式歷經多次變動， 具有代表性的是1986—2015年間8 次水工水力學模型試驗。 泄水閘閘孔數(shù)在13 孔至26 孔之間, 變化較大； 高孔堰頂高程有32.00 m 和36.00 m；低孔堰頂高程均為22.00 m，沒有變化。 無論泄水閘的布置如何變化，樞紐泄水建筑物泄洪消能參數(shù)均屬于典型的單寬流量大、佛氏數(shù)低的弱水躍消能，且都在消能率較低的弱水躍 （Fr=1.7～2.5） 和顫動水躍 （Fr=2.5～4.5）范疇內。

大藤峽水利樞紐運行時大壩上下游水頭差較大，消能形式的選擇限制因素較多，消能問題非常復雜。 樞紐泄洪消能布置的演化過程與閘門調度研究等，對于低水頭、大單寬、閘下水流拍打鋼梁、推移質過壩的泄水工程具有參考價值。

二、泄洪消能布置演變

1.1995 年初設階段方案

1995 年初設階段方案 （簡稱95方案）壩軸線位于南木江匯合口下游400 m 位置，6 個高孔的左、 右兩側分別布置4 個和3 個低孔。95 方案泄洪消能試驗開展了平底消力池、平底消力池加“Y”和倒“Y”形寬尾墩、逆坡消力池、逆坡消力池加“T”形墩、逆坡消力池加“工”形差動尾坎等多種消能工、輔助消能工形式比較。 經比較，將“T”形墩下移與消力池末端差動尾坎連接，構成“工”形差動尾坎輔助消能工方案，消能效果好。 由于消力池中水流擴散較好，可以取消消力池中的隔墻，既消除了低佛氏數(shù)水流脈動引起的隔墻振動隱患， 又減少了工程量。 因此最終將“工”形差動尾坎方案作為95 方案消能布置推薦方案。

2.2012 年和2014 年方案

在95 方案試驗完成并提交成果后開展了初步設計，1997 年根據(jù)水利部指示，大藤峽水利樞紐初步設計工作暫停，資料封存。 2000 年大藤峽項目再次啟動后，重新開展可研工作。

為了控制庫區(qū)淹沒范圍， 將20年一遇洪水的庫水位控制在47.00 m以下，由于泄水閘在低水位時需要具有較大的泄流能力， 所以2012 年可研階段（3 高孔+18 低孔全弧門）增加了泄洪閘孔數(shù)量，且南木江水道參與泄洪；2012 年方案將壩軸線下移到相對寬闊的弩灘上，加長了消力池的池長， 整個樞紐布置較95 方案發(fā)生了較大變化。2012 年方案的消能工布置試驗研究，比較了“工”形差動尾坎消力池、二級消力池加“X”形寬尾墩方案。 由于“工”形差動尾坎的消能效果較好，2012 年方案仍將“工”形差動尾坎消能形式作為推薦方案。

2014 年進入初步設計階段后，考慮到南木江水道兩岸的防洪安全，南木江水道不再參與泄洪，百年一遇洪水泄洪流量由39 000 m3/s 增加大到42 300 m3/s。因此，2014 年方案設閘孔24 個（22 個低孔+2 個高孔），初期有全平板門和全弧門兩種布置，為滿足頻繁開啟的調度需求，最終采用全弧門布置。 消能工形式延用2012 年方案“工”形差動尾坎，消能防沖試驗結果也與2012 年方案相同。

3.2015 年方案

為減小閘墩弧門支鉸受力，低孔寬度減小到9.0 m， 增加2 個低孔。2015 年方案泄洪閘設26 孔布置（24個低孔+2 個高孔）， 閘墩厚度分別為5.3 m 和8.0 m，高、低孔均采用底流消能。 高孔堰頂高程36.00 m，堰面采用WES 形堰面曲線， 曲線方程為Y=0.040 889 1X1.81，曲線下游與半徑25 m的圓弧連接。 低孔堰頂高程22.00 m，堰面采用渥奇曲線與下游消力池連接，曲線方程為Y=0.009X2。

為檢修方便， 將26 孔泄水閘下游消力池分為左、中、右三個區(qū)。 利用一期施工縱向圍堰，將圍堰右側5 孔組成消力池右區(qū)；基于左側電廠下游開挖地形條件，中區(qū)設12 孔；剩余9孔構成左區(qū)。 考慮到本工程低孔堰頂高程低于庫區(qū)灘地高程，汛期低水位運行期間泄水閘敞泄，閘前行近流速較大，庫區(qū)推移質和施工圍堰拆除的石渣過閘，沖擊和磨蝕“工”形差動尾坎的頭部， 所以2015 年方案取消了“工”形差動尾坎泄洪消能布置方案。試驗研究從單級平底消力池開始，進一步探索了二級消力池布置形式。

（1）平底單級消力池研究

經計算分析初定單級平底消力池結構為：池長110 m，池深6 m；下游海漫長50 m，高程22.00 m。

在宣泄20 年一遇洪水泄洪流量39 000 m3/s 時， 壩前樁號0-100 水位為45.87 m，較設計值46.15 m 低0.28 m， 其他流量試驗水位相對設計水位均有富余，泄流能力滿足要求。

在宣泄混凝土壩設計標準千年一遇洪水時， 閘下出流為淹沒水躍，消力池中水躍末端位于池長的2/3，即75 m 位置，消力池偏長。

在水庫正常高水位61.00 m，電廠發(fā)電引用流量5 000 m3/s，泄水閘宣泄常遇洪水流量9 500 m3/s 時， 上下游水頭差為27.89 m。右區(qū)5 孔閘門均勻開啟時， 消力池入池最大流速為26.07 m/s，消力池中形成遠驅水躍，躍首距閘墩尾25～30 m。 海漫末端最大底流速（0.8 h）和表流速（0.2 h）分別為11.59 m/s 和13.31 m/s，0+400 斷 面 河道最大底流速和表流速分別為5.91 m/s 和8.68 m/s。海漫末端垂直淘刷深度為10.9 m，相應高程為11.1 m，下游最大沖坑高程-2.3 m， 相對海漫頂高程沖深24.3 m，沖坑坡比1∶2.1。 在泄水閘宣泄3 000 m3/s 流量單獨開啟右區(qū)高孔時，出現(xiàn)挑流流態(tài)。 為此需要對消能工形式進行修改。

（2）二級消力池研究

通過試驗觀察和計算分析，基于不出現(xiàn)遠驅水躍、減少躍首拍打鋼梁和弧門概率、 避免泥沙磨蝕等因素，確定第一級消力池池長為80 m、尾坎高程為24.00 m（坎高8.00 m），尾坎背水坡坡比為1∶3。 第二級消力池采用逆坡形式， 消力池末端頂高程20.00 m， 第二級消力池下游設15 m 海漫，以1∶6 反坡銜接至22.00 m 高程；其中右區(qū)池長為80 m，池底高程17.00 m；左區(qū)和中區(qū)池長為60 m，池底高程與右區(qū)相同。 試驗表明，上述二級消力池消能工形式及布置可以滿足泄洪消能要求，但有時水流拍打閘門較嚴重。 在泄水閘下泄流量15 000 m3/s時， 左區(qū)和中區(qū)躍首拍打弧門較頻繁， 而右區(qū)則完全淹沒弧門底緣；宣泄百年一遇洪水42 300 m3/s， 各區(qū)水躍均拍打弧門，左區(qū)和中區(qū)少數(shù)閘孔的水躍有間歇性上竄現(xiàn)象發(fā)生。

為改善泄洪時低孔閘室水躍躍首拍打弧門底緣現(xiàn)象，通過多方面對比試驗，最終將閘室水平段向下游延長39.5 m（至墩尾下游7.5 m）、尾坎高程降低到22.00 m。 由于右區(qū)經常宣泄小洪水，試驗比較了右區(qū)消力池池長和尾坎高程，發(fā)現(xiàn)：右區(qū)一級消力池池長115 m、尾坎高程24.00 m 時適應小洪水較好， 但水躍拍打鋼梁；尾坎高程22.00 m 能夠使水躍推離閘室，但宣泄流量5 000 m3/s 時，消力池中產生自由水躍流態(tài)，躍首位于墩尾下游60 m 附近（平底高程16.00 m 端部向下14.00 m，即0+103.00 m），坎下垂直淘刷深度3.5 m； 河床最大沖深6.5 m， 沖坑坡比為1∶2.2。 尾坎高程23.00 m 消能布置從閘室流態(tài)和下游河床沖刷較好。 在宣泄百年一遇洪水、庫水位61.00 m 時，閘孔開度11 m水躍躍首處在拍打鋼梁臨界狀態(tài)，頻率約1.1 次/min， 可見閘室水平段處于墩尾末端7.5 m 長度不宜再縮短。

三、最終推薦方案

1.方案布置

通過消能工形式比選，推薦消力池分左中右三區(qū)， 閘室上游進行防護，閘室水平段延長39.5 m（至墩尾下游7.5 m） 與渥奇曲線銜接的二級消力池布置。一級消力池池長115 m、池深6 m， 二級逆坡消力池池長右區(qū)80 m，左區(qū)和中區(qū)60 m，池深5 m，消力池下游設15 m 長海漫； 左區(qū)和中區(qū)一級池尾坎頂高程22.00 m， 右區(qū)23.00 m。一級消力池內縱向圍堰兩側采用高程27.00 m 的臺階過渡。

縱向圍堰上游段從門庫壩段上游樁號0-026.00 至0-076.00 保留原設計圍堰高程54.30 m，樁號0-076.00至0-343.99 圍堰拆除至高程36.00 m， 拆除的混凝土塊堆至拆除段圍堰左側， 二期橫向土石圍堰亦拆除至36.00 m 高程。

2.典型工況泄洪消能調度

（1）正常高水位61.00 m 工況

泄水閘宣泄流量3 000 m3/s，間隔調度右區(qū)三孔#22、#24、#26 時，消力池中形成淹沒水躍。 下游消力池基本不受沖淘。 泄水閘宣泄流量5 000 m3/s，調度右區(qū)5 孔閘門局部開啟，池中形成淹沒水躍。 消力池末端最大垂直淘刷高程為18.70 m，相對二級消力池尾坎高程20.00 m 沖深1.3 m；最大沖坑高程為14.70 m，相對沖深5.3 m，沖坑坡比為1∶3.4。這個流量為小洪水單獨調度右區(qū)的最大控制流量。

泄水閘宣泄流量9 500 m3/s，調度右區(qū)#22～#26 閘孔局部開啟， 泄水閘上游水流較為平順，#25 閘孔前形成吸氣漩渦， 消力池中形成遠驅水躍，消力池入池最大流速為25.98 m/s，一級消力池尾坎最大底流速為14.28 m/s，消力池末端最大底流速為9.45 m/s。消力池末端最大垂直淘刷深度為7.9m，高程12.10 m。 因此，泄水閘右區(qū)單獨泄流9 500 m3/s 的調度工況為本工程泄洪消能的閘下沖刷最不利工況，雖然滿足消能沖刷要求，實際調度運行中建議右區(qū)最大下泄流量為5 000 m3/s。 當發(fā)生25 年一遇洪水時，泄水閘宣泄流量37 000 m3/s， 上下游水頭差20.07 m， 為超過20 年一遇洪水上下游水頭差最大工況，#1～#26 孔局部開啟，消力池中形成淹沒水躍。 消力池末端最大底流速為6.17 m/s。 最大沖深9.9 m，相應的高程12.10 m，沖坑坡比為1∶3.8。

（2）百年一遇洪水工況

當發(fā)生消能工設計標準（百年一遇）洪水，水庫水位61.00 m，試驗觀測了#1～#26 孔閘門局部開啟（相對開度0.6 和邊孔0.2）兩種方式的試驗。 在百年一遇洪水采取所有閘孔均勻開啟的方式時，消力池末端最大底流速為6.35 m/s，最大沖深11.6 m，沖坑坡比為1∶3 左右，沖刷均滿足要求；但在開度略小的閘孔處有躍首間歇性拍打弧門底緣的現(xiàn)象，在高孔和圍堰相鄰低孔處有水躍紊動涌浪間歇拍打鋼梁現(xiàn)象。 為避免水躍拍打，進行閘門間隔全開調度試驗。 間隔全開時，消力池出池最大底流速為8.07 m/s。消力池下游最大垂直淘刷深度為5.7 m，相應的高程為16.30 m，最大沖深為16.7 m，相應的高程為5.30 m，沖坑坡比為1∶2.7，位于中區(qū)（消力池下游最大沖深相對池長未加長時淺6.3 m，#21 孔由局開調整為全開）；左電站擋墻附近最大沖坑高程為13.60 m，電站尾水渠有零星堆渣淤積。

當發(fā)生百年一遇洪水時，泄水閘下泄流量42 300 m3/s， 調度不同閘孔全開運用。 控制庫水位61.00 m，由于關閉閘孔和縱向圍堰等作用，消力池中形成大范圍回流，通過調度不同閘孔開啟， 調整消力池內流態(tài)相對對稱，出池水流相對平順，將左區(qū)單數(shù)閘孔、 中區(qū)和右區(qū)雙數(shù)閘孔閘門全開，僅將#20 孔關閉，#19 孔開啟，并控制#21 孔局部開啟。 此時消力池入池最大底流速為22.68 m/s，出池最大底流速為8.43 m/s。 消力池下游垂直淘刷深度為6.8 m，相應高程為13.20 m，最大沖深為23 m， 相應高程為-1.00 m，沖坑坡比為1∶2.2，位于#11 閘孔下游。 左右電站擋墻附近最大沖深分別為3 m 和7.6 m， 相應高程分別為17.00 m 和12.40 m， 電站尾水渠有零星堆渣淤積。

（3）千年一遇洪水工況

當發(fā)生大壩設計標準洪水時，泄水閘泄量為54 600 m3/s、 水庫水位為61.00 m、閘門間隔全部開啟，泄水閘消力池末端最大垂直淘刷深度為7.7 m，相應高程為14.30 m，左電廠導墻沖深9.9 m，相應高程為12.10 m，最大沖坑高程為0 m，沖坑坡比為1∶3.2。

此閘門開啟方式雖然沖坑坡比滿足沖坑穩(wěn)定要求，但消力池中水流流態(tài)紊亂，對應關閉的閘孔產生較大回流，且消力池下游河床沖坑深度過大，沖起的石渣堆積左側電站尾水渠約1/3 寬度。 關閉的#21 孔閘下第二級消力池中臨圍堰處有淤積物，對消力池護坦會有磨蝕影響，建議消力池采用抗沖耐磨混凝土。

（4）五千年和萬年一遇洪水工況

當發(fā)生五千年一遇及以上洪水，#1～#26 孔閘門全部泄洪，僅縱向圍堰兩側的#21 和#22 孔的水躍拍打鋼梁，其余閘孔基本不拍打。 河床最大沖深發(fā)生在萬年一遇洪水， 深度為10.4 m，高程為11.60 m，相應沖坑坡比為1∶3.6。

3.閘門調度方式及原則

（1）閘門開啟方式

通過泄水閘在宣泄非汛期洪水調度、 汛期洪水調度以及5 年 （含5年）一遇洪水以下洪水調度時發(fā)現(xiàn)：

①非汛期發(fā)電調度時，最大來水流量為11 000 m3/s， 扣除電廠發(fā)電流量， 泄水閘最大下泄流量3 783 m3/s，由于下游水位較低 （2+649 斷面水位都在32.00 m 以下）， 開啟右區(qū)泄洪，泄水閘弧門和鋼梁不受拍打。

②汛期發(fā)電調度時，最大來水流量在14 000～20 000 m3/s。 當來水流量14 000 m3/s 時， 泄水閘最大下泄流量7 900 m3/s，水庫水位在47.60～59.60 m范圍，調度右區(qū)和中區(qū)閘孔，相對開度控制在0.4～0.2，泄水閘弧門和鋼梁不受拍打。 當來水流量20 000 m3/s（2+649 斷面水位36.25 m），泄水閘泄量13 338 m3/s 時，庫水位47.60 m，仍可調度右區(qū)和中區(qū)閘孔；泄水閘泄量15 841 m3/s 時，庫水位53.60 m，均勻調度右區(qū)和中區(qū)閘孔，鄰近導墻和縱向混凝土圍堰的#10、#22 孔， 受回流或過流不均影響，閘室水躍偶爾會拍打弧門，但不會拍打鋼梁，此時可通過加大邊孔開度來滿足調度要求。

當來水流量超過20 000 m3/s，且小于等于20 年一遇洪水流量39 000 m3/s 時， 所有泄水閘閘門全開敞泄，水躍不拍打鋼梁。 遇來水流量超過30 600 m3/s， 正常高水位61.00 m、泄水閘流量23 497 m3/s 時， 下游水深近25 m， 左中右區(qū)閘門均開0.4 開度時，左區(qū)弧門淹沒流態(tài)， 中區(qū)和右區(qū)拍打弧門，右區(qū)拍打鋼梁。通過關閉左區(qū)加大中區(qū)和右區(qū)閘門開度， 即可滿足水躍不拍打弧門和鋼梁調度。 下游最大沖深為9.9 m，沖坑坡比為1∶4.3。 其他工況下， 為了避免出現(xiàn)水躍拍打鋼梁的現(xiàn)象， 可按照閘門安全運行區(qū)間調度3 個區(qū)26 孔泄水閘，首先使閘孔開度盡可能滿足自由出流的運行安全區(qū)間，若出現(xiàn)調度困難，再進行深度淹沒出流運行安全區(qū)間閘門開啟方式。

（2）閘門調度原則

根據(jù)各典型工況試驗成果，從水躍位置、垂直淘刷、沖深和尾水渠有無淤積堆渣，以及脈動壓力均方根大小等因素分析， 由于右區(qū)位于主河槽， 右區(qū)消力池較中區(qū)和左區(qū)長，泄水閘宣泄3 000～9 500 m3/s 常遇洪水時，可首先開啟右區(qū)，控制右區(qū)泄流量達到4 000～5 000 m3/s，再開啟中區(qū)泄流，對于泄洪超過5 000 m3/s 工況，應盡量避免單獨開啟右區(qū)閘孔運行；待電站引用流量和右區(qū)泄流使得下游有一定尾水水深后，再調度中區(qū)和左區(qū)運行； 當發(fā)生消能工設計標準（百年一遇） 洪水和小于五千年一遇洪水時，為避免水躍拍打鋼梁，可將閘孔間隔開啟（開度不小于0.7）來控制庫水位；當泄洪達到或超過混凝土重力壩校核標準（五千年一遇）洪水，#1～#26 孔閘門全部開啟敞泄。

閘門調度總體原則為：

①右區(qū)閘門調度原則： 壩上0-100 斷面水位為61.00 m，當泄水閘下泄流量小于等于5 000 m3/s 時，均勻開啟右區(qū)5 孔閘門。 開啟順序為先開啟中間低孔，之后開啟左側低孔，最后開啟右側高孔，避免大開度調度高孔。

②中區(qū)閘門調度原則：當泄水閘下泄流量大于5 000 m3/s、 小于等于15 000 m3/s 時， 在開啟右區(qū)的基礎上，間隔對稱開啟中區(qū)閘門。開啟順序為先開啟中間低孔，然后開啟中區(qū)左半側中間低孔，再開啟右半側中間低孔，依次將中區(qū)閘門全開。為了減小中區(qū)縱向圍堰基礎沖刷，最后開啟中區(qū)右側低孔。

③左區(qū)閘門調度原則：當下泄流量大于15 000 m3/s、 小于等于25 000 m3/s 時，在開啟右區(qū)和中區(qū)的基礎上，開啟左區(qū)閘孔。 開啟順序為先開啟左區(qū)中間低孔，然后開啟右半側中間低孔，再開啟左半側中間低孔，最后開啟左區(qū)高孔，避免大開度調度高孔。

④當下泄流量超過25 000 m3/s時，隨著泄流量的增大，加開閘門的順序為：先開啟中區(qū)閘孔，然后開啟左區(qū)閘孔，再開啟右區(qū)閘孔，最后開啟高孔。 最好做到開啟閘門區(qū)內對稱、區(qū)間對稱。

⑤大藤峽泄水閘閘門調度順序：先局部開啟右區(qū)—中區(qū)—左區(qū)，然后再進一步開啟中區(qū)—左區(qū)—右區(qū)，直至所有閘門全部開啟。 閘門關閉采取與閘門開啟逆序的方式操作。