張苾萃，潘江洋，曾少岳，苗寶廣，張永濤，戴曉兵，顧 莉

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 研究背景

高低跌坎式新型消能工首次應用于向家壩水電站[1]。向家壩水電站樞紐由擋水建筑物、泄洪排沙建筑物、通航建筑物、左岸壩后廠房、泄水建筑物和右岸地下廠房等組成。電站最大壩高162 m，正常蓄水位380.00 m，汛期限制水位370.00 m。最大泄量48 680 m3/s，最大泄洪功率達40 000 MW。電站泄洪水頭高，單寬流量大，表孔最大單寬流量296.24 m3/(s·m)，中孔最大單寬流量達343.34 m3/(s·m)。消力池入池流速約40 m/s，單寬流量225 m3/(s·m)。電站下游河床覆蓋層深厚，右岸下游緊鄰生活區(qū)以及天然氣化工廠，左岸下游緊鄰升船機。因此，電站泄洪消能工必須滿足高水頭大單寬流量泄洪安全，消能效果優(yōu)，霧化程度低，泄洪尾水流態(tài)平穩(wěn)、流速小。采用傳統(tǒng)的挑流消能、底流消能和面流消能均不合適，經過多家機構研究、比較和論證，最終決定采用高低跌坎式消力池進行消能。其泄水壩段由兩個消力池分隔成兩部分，每個消力池池寬均為108 m，各由5個中孔和6個表孔間隔布置而成，中孔進口高程305.00 m，出口高程253.00 m，等寬布置，弧門尺寸6 m×11.24 m；表孔堰頂高程354.00 m，出口高程261.00 m，中間4孔出口對稱收縮成6 m，邊孔僅內側收縮，收縮坡比1∶20，弧門尺寸8 m×26 m，如圖1所示[1]。

圖1 向家壩水電站中孔、表孔剖面布置(單位：m)

向家壩水電站泄洪消能研究成果表明，新型消能工使高速水流以雙層多股的方式進入消力池水體中部，形成水平淹沒射流，各股水流紊動摻混劇烈，消能效果好；高速水流的主流脫離消力池底部，臨底流速大幅度降低；出池水流平順，泄洪霧化影響范圍顯著減?。幌掠魏哟矝_刷輕微[2-7]。但向家壩水電站泄洪孔口多達22個，入池水流擴散空間大，平面流態(tài)穩(wěn)定性與泄洪孔口布置格局、閘門開啟方式、單孔泄量等均有關系，影響因素多，情況極為復雜，且無運行先例，故特對閘門開啟方式進行了系統(tǒng)研究，了解閘門不同開啟方式下消力池的水力特性，制定合適的閘門調度方式，為電站科學運行提供技術支持，也為該新型消能工的應用積累經驗。

2 研究思路

依托向家壩工程，利用1∶100水工整體模型，對庫水位354、370 m和380 m下，中孔單獨開啟、表孔單獨開啟、中表孔聯(lián)合開啟，孔口開度從2 m到全開的各種運行組合進行了系統(tǒng)研究。

初期擬定調度原則：①先發(fā)電后棄水，即電站可發(fā)電的機組滿發(fā)后才泄洪。②考慮中孔閘門運行水頭高，啟閉檢修不方便，正常運行期中孔閘門只允許全開運行；蓄水初期只有中孔可運行，考慮通航非恒定流控制的要求，允許中孔局部開啟運行。③考慮表孔可以局部開啟，運行方便，擬定先表孔后中孔運行。④閘門孔口多，運行調度極為復雜，為簡化運行調度，閘門原則上對稱均勻開啟。⑤左池出流較平順，利于下游通航，故采取先左池后右池運行。⑥小流量運行時，底板荷載較小，故重點關注消力池導墻安全和下游通航條件，即控制流態(tài)、出池流速和水面波動。⑦閘門分序分級開啟，控制下游水位小時變幅。⑧向家壩電站每年行洪時間長達3個月以上，泄水建筑物運行頻繁，故應力求簡化調度，減少閘門啟閉次數。

因此，針對左池表孔單獨均勻對稱開啟，研究表孔不同開啟組合下運行時合適的開度區(qū)間。再根據水力學指標確定何時啟用右池表孔和左右池中孔。研究表孔單獨運行和表中孔聯(lián)合運行的閘門調度方式。

3 研究成果

3.1 基于泄洪安全的閘門調度方式研究

3.1.1水力指標

高低跌坎式消力池，雙層多股水流分散射入消力池水體中，主流與周圍水體相互剪切摩擦，形成復雜的三元水躍流態(tài)。流態(tài)與泄量和主流的淹沒度密切相關，其平面穩(wěn)定性與主流的擴散空間和淹沒度有關，閘門的開啟方式直接影響消力池的各項水力學指標。流態(tài)的穩(wěn)定性直接關系到其他水力學指標，是決定消力池結構安全的關鍵指標。臨底流速是決定消力池底板安全的重要指標。消力池尾坎水面波動影響下游通航。出池流速的大小影響下游河道沖刷、通航以及江岸穩(wěn)定。

流態(tài)試驗成果顯示，表孔單獨泄流，從側面看，隨著泄量增大，流態(tài)從自由射流過渡到淹沒射流。單池部分孔口開啟時，為自由射流(主流在表面)；6個表孔全開，消力池流態(tài)為半潛射流(池首部分主流出露)；雙池所有表孔均勻開啟，單孔泄量1 300 m3/s以上時才為淹沒射流。中孔單獨泄流和表中孔聯(lián)合泄流，消力池流態(tài)為淹沒射流。從平面上看，單池內2孔對稱運行，單孔泄量在700 m3/s以下時，流態(tài)較穩(wěn)定，兩個間距最大的泄流孔之間形成平面弱回流，尾坎流速和水面波動均較小；單孔泄量大于700 m3/s時，主流行程逐漸增長，并逐漸沖擊尾坎，回流增強，尾坎流速和水面波動逐漸增大，指標不理想，其中，③④孔開啟時流態(tài)搖擺不定，直至沖擊尾坎后才穩(wěn)定地偏向一側。單池4孔對稱運行，單孔泄量在500 m3/s以下時，流態(tài)相對穩(wěn)定，中間2～4孔開啟運行，擴散空間較大時，主流間歇性擺動，尾坎流速和水面波動均較小；單孔泄量大于500 m3/s時，主流逐漸沖擊尾坎，流態(tài)搖擺頻率加快，尾坎流速和水面波動逐漸增大，指標不理想。中間4孔運行時，適當增大②⑤孔泄量可增加流態(tài)的穩(wěn)定性，但泄量差應小于50%。單池6個表孔開啟運行時，流態(tài)穩(wěn)定，但單孔泄量大于1 000 m3/s時，尾坎水面波動超過3 m。6孔運行，兩邊孔單孔泄量與中間4孔不同時，邊孔與中間單孔的泄量差應小于50%。

中孔單獨運行，單孔泄量小于350 m3/s時，1～2孔對稱開啟流態(tài)均穩(wěn)定。單池內3孔間隔對稱均勻開啟和4孔對稱開啟流態(tài)穩(wěn)定。5孔對稱開啟，單孔泄量在700 m3/s以下時，閘門均勻開啟消力池流態(tài)對稱穩(wěn)定；單孔泄量大于700 m3/s時，閘門均勻開啟消力池流態(tài)不穩(wěn)定，兩邊孔泄量大于相鄰中間孔，有利于消力池流態(tài)穩(wěn)定。

中、表孔聯(lián)合泄流，下泄中小流量時消力池內形成淹沒射流。單池內所有表孔與部分或全部中孔聯(lián)合運行，或單池內所有中孔與邊表孔或者全部表孔聯(lián)合運行，流態(tài)穩(wěn)定。

試驗成果顯示，表孔單獨運行，流態(tài)穩(wěn)定的工況，臨底流速最大僅為7.74 m/s，出池流速最大7.93 m/s，消力池尾坎最大水面波動3.10 m。中孔單獨運行時，臨底流速最大為12.54 m/s，出池流速最大為6.69 m/s，消力池尾坎水面波動最大為4.10 m。中、表孔聯(lián)合運行時，臨底流速最大為14.23 m/s，出池流速最大為6.64 m/s，消力池尾坎水面波動最大為4.80 m。表孔單獨運行指標較優(yōu)。

3.1.2閘門調度方式

根據試驗成果，結合調度原則，考慮減小閘門啟閉次數，兼顧下游通航，初擬庫水位370～380 m時閘門運行方式為：小流量泄洪時，先對稱均勻開啟左池表孔運行。2個表孔運行時，單孔泄量不大于700 m3/s；4個表孔開啟運行時，單孔泄量宜不大于500 m3/s，中間4個表孔開啟時， ②⑤孔泄量可適當增大到700 m3/s；6孔均勻開啟，單池運行時單孔泄量不宜大于1 000 m3/s。單孔泄量大于1 000 m3/s時，開啟右池表孔泄流。表孔全開后，中孔再參與運行。閘門開啟順序為：依次分批開啟②⑤表孔、③④表孔、①⑥表孔、⑧表孔、⑨⑩表孔、⑦表孔、③中孔、①⑤中孔、②④中孔、⑧中孔、⑥⑩中孔、⑦⑨中孔，其中，閘孔編號從左到右遞增。閘門關閉的順序相反。

蓄水初期庫水位354.00 m，只能由中孔單獨對稱均勻開啟運行，依次分批開啟③中孔、①⑤中孔、⑥⑩中孔、⑧中孔、②④中孔、⑦⑨中孔。部分閘孔開啟運行時，單孔泄量不超過300 m3/s。當中孔全開泄流，庫水位超過354.00 m時，表孔參與敞泄。

3.1.3實施效果

向家壩水電站于2012年10月下閘蓄水，隨后中孔開閘泄洪，原型觀測成果顯示，各項水力學參數與模型試驗成果相似，抽水檢查發(fā)現(xiàn)消力池完好，僅有局部磨損，表明新型消能工消能效果良好，泄洪安全，閘門運行方式是合適的。

3.2 兼顧減振要求的閘門調度方式研究

3.2.1振動與泄洪的關系

電站下閘蓄水初期，中孔開閘泄洪后，水富縣城局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)有門窗振動現(xiàn)象，育才路5棟7樓振動最大，最大加速度峰值0.030 4g。泄洪引發(fā)的場地振動一直存在，因其他工程多遠離生活區(qū)，故未引起人們關注。發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象后，多家院校和機構立即開展研究，成果顯示，振動與泄洪有關，相同下泄流量泄水孔口調度方式對振動大小影響較大。

為探明振動與泄洪之間存在的關系，2013年～2015年進行了原型閘門調度試驗和運行監(jiān)測，成果[8]顯示：①振動量與孔口下泄流量正相關。②多孔、小開度、表孔中孔聯(lián)合泄洪可有效減小振動，最優(yōu)減振調度方式為，當Q孔≤1 500 m3/s時，單池中孔運行；1 500 m3/s3 500 m3/s時，雙池中、表孔聯(lián)合運行。③中、表孔聯(lián)合運行，當單池Q孔≤5 000 m3/s、雙池Q孔≤9 000 m3/s且單孔泄量不大于500 m3/s時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值可控在0.01g以下。④左池5個中孔和6個表孔聯(lián)合運行，單池泄量不大于5 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在0.5～1.5之間時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值基本可控制在0.008g以下；單池泄量5 000～6 000 m3/s且流量比(Q表/Q中)在1.0～2.8之間時，育才路5棟7樓的振動加速度峰值基本可控制在0.01g以下。

3.2.2閘門調度方式優(yōu)化

根據原型觀測成果，結合減振要求，對閘門調度方式進行優(yōu)化：①中孔改為可以局部開啟；②提前開啟中孔與表孔聯(lián)合運行；③提前從單池運行過渡到雙池運行；④盡量使表、中孔泄量均衡和左右池泄量均衡。

同時考慮閘門操作方便性和運行可靠性，調整閘門調度方式為：Q孔≤1 500 m3/s時，左池表孔運行；Q孔=1 500～4 500 m3/s時，左池中、表孔聯(lián)合運行；Q孔>4 500 m3/s時，雙池中、表孔聯(lián)合運行。

3.2.3運行結果

(1)中、表孔聯(lián)合泄流消力池流態(tài)穩(wěn)定。

(2)左消力池底板臨底最大順水流方向流速8.7 m/s，最大逆水流方向流速8.8 m/s。尾坎坎頂平均流速8.8 m/s。

(3)消力池底板壓強基本服從靜壓分布。

(4)消力池導墻、底板及壩面中隔墻的低頻振動位移很小，均處于正常運行狀態(tài)。

(5)2014年～2018年正常泄洪工況下水富縣最大振動加速度峰值基本控制在0.015g以下；僅在孔口流量為4 700～5 100 m3/s時，由左池6個表孔均開5 m、5個中孔均開3 m運行，轉到增加右池⑧表孔均開2 m運行時振動較大，最大加速度峰值0.016 2g。進一步減小左池單獨運行的泄量至4 000 m3/s，并增加右池表孔起始開啟孔數到4孔，即均衡兩池的下泄流量，之后未見振動加速度超過0.015g，為人體無感的振動。原型監(jiān)測表明，工程運行至今，振動對房屋結構安全和人體舒適性的影響均在國家相關標準限值之內。

4 結 語

通過對向家壩電站泄水建筑物閘門運行方式的不斷深化研究，將雙層多股水平射流新型消能工最優(yōu)運行方式概括為如下12個字：對稱均勻、先表后中、分散均衡。對稱均勻即閘門應對稱均勻開啟；先表后中是考慮便于閘門啟閉和減小消力池底板荷載；分散指多層多孔小開度分散泄流，即水流分多層多股均勻分散進入消力池水體，減小單孔泄量，增加與周圍水體的剪切摻混，提高消能率；均衡是指中孔表孔均衡泄流和左池右池均衡泄流，中孔和表孔均衡泄流，使各股主流能量相當，以保持主流穩(wěn)定，雙池均衡泄流，泄洪能量由左右消力池均衡分擔，降低單個消力池底板的荷載極值，提高消力池運行的安全度。

場地振動與泄洪消能孔口調度方式相關，消力池流態(tài)越平穩(wěn)，邊壁荷載越小，消能越充分，下游場地振動也越小。