浅析水电站溢洪道过流面体型对过水建筑物安全影响

浅析水电站溢洪道过流面体型对过水建筑物安全影响

徐小磊

中国水利水电第十一工程局有限公司 河南 郑州 450000

摘要：A水力发电厂溢洪道的泄洪水流与上下游河流方向相近或正交、顶冲返回困难、消能防涌问题相对严重。本文在挑坎体型与优选数值模拟程序计算的基础上，采用了1∶100的水工结构整体模型试验方法，对溢洪道挑流鼻坎类型做出了数种体型的选取，并给出了经过简化后的溢洪道扭曲扩散挑坎类型的优选方法。实验结果显示，该扭曲扩散的挑坎形式，具备了挑坎出坎时水量的横向分配相对均衡、进水道单宽流速较小、对岸坡冲击程度小、水面震荡明显减小等优势，从而较好地解决了施工问题，保证过水建筑物的安全。

关键词：水电站溢洪道；过流面体型；过水建筑物安全

一、引言

A水电厂大坝处于河流主脉以上河段长约5km的峡谷式出境河段上，为梯级电厂中惟一具备长期调节能力的核心水电厂项目。水电站项目工程设计一般蓄水位为475m，总防洪库容40.95亿m²，电厂发动机容量为1000MW，最大坝高185.5m，为国家一级大型工程。该项目以水力发电为主，同时兼具了防洪、航运、旅游观光等的综合利用价值。本文将以此为案例探讨水电站溢洪道过流面体型对过水建筑物安全影响^[1]。

二、工程概况

泄洪渠道布设于河流左岸，中轴线部位与上下游河流间的角度大约为70°，其出境部位为收缩水道，距电站的出接口部位较近，对岸有一破碎山体向河心处凸出。泄洪渠道全长590.00m，前缘总宽度为76.00m，进口段使用了WES实用堰，控制段设三闸孔，每孔宽20m，中墩厚5.0m，主体分段使用了三个底坡，分别为1∶4、1∶2和1∶10，衔接段使用了曲线联接方式。为提高水流条件，并便于正常运行作业，在泄洪渠道靠左边壁的中桥墩向后衔接了13.0m厚的中隔墙。由于水头高、下泄流量大，泄洪河流一旦不能及时向上下游河道扩展和补充消能，则上下游河床和岸边将会遭受强烈冲击，河流的顶冲回流将必然，威胁对岸公路建设和影响车站的运行。

溢洪道泄洪消能抗冲工程在设计中面临着以下主要困难，一是水头高度超过120m，进口设有三孔，在泄槽中产生的湍急冲击波巨大，无法保证过水建筑物安全；二是泄洪渠道长度713m，运行流速在1400~²/s左右变动，变化范围较大；三是泄洪渠道中轴线与下游河流的夹角大约为70°，到时电站可以正常安全运转，所以，对于对岸过水建筑物的稳定性至关重要；四是泄洪渠道右破坏山体较低，左边山地崎岖，且紧邻泄洪洞出口，泄槽中流量超过40m/s时，挑坎向下游偏移和扩大挑流长度都比较麻烦；五是泄洪渠道的出口距发电尾水出口较近，挑射后水流往上游侧的方向回流会导致尾水出口水位波动很大。综以上。泄洪沟体型优选的关键问题是合理选用挑坎体型，合理增加挑流长度，尽可能缩短与上下游河流的夹角，克服小流速撞击本岸、大流速撞击对岸的问题，保证过水建筑物的安全。实验研究在1∶100的整体水工模式上展开^[2]。

三、试验研究成果

（一）原设计方案

总体设计方案中采取了斜切的连续式挑流鼻坎，鼻坎上一段（桩号0+590.00-0+599.950）是半径为100m的正向反弧，将原溢洪道设计的泄槽由俯角变成了水平，之后以一段三角形水平段与斜切鼻坎相连。

（二）优化试验

在A水电站的整体模型试验过程中。始终掌握的原则就是，在进行物理模拟试验以前，均先使用挑坎体型的优化数值模拟方法完成初始运算，而后再对测量的成功体型实行物理模拟试验。

优化实验共分为两阶段，第一阶段各方案设计的成果主要的特点是；对泄洪洞设计不做修改；对泄洪沟挑坎为扭曲挑坎，挑坎起挑地点在溢0+590.000处，斜切角度为50°以内，但挑坎挑角度超过了30°以上。该阶段各方案设计实验成果的主要特征是∶由于斜切角度增加，挑流入水水舌的长度增加，冲坑水深也有所下降；由于挑角度的增大，冲坑高度也逐步向左岸移动；由于水流的冲击右岸岸坡依然较为突出，由泄洪P=1%、p=20%的洪流所引起的右岸水域爬高依次为3.7m、3.2m以内，较原设计方案的4.5m和4.0m降低了20%以内，但因为泄槽的左边墙向外扩展，加之挑坎高度不足。致使在挑坎终点左侧靠边墙的区域产生了三角形回流区域，局部河流在p=5%洪水下处泄洪时无法挑出，从而导致较小流速向左边的岸坡冲击。

第二阶段各工程的主要特点为：溢洪道挑坎方式仍是弯曲挑坎，挑坎始挑地点在溢0+570.000以下，挑坎结束地点依次在溢0+610.000和溢0+670.000以下，斜切入射角为50°以下，挑坎挑角为30°以下。该阶段各方法测量成果的主要特征为∶当挑坎距离减小后，水舌的入水处在河流左岸。随着挑坎挑角的变化，水舌入水处的水流流态也有所不同，在挑角距离增大后（θ>20°）。在挑角比较时（θ<20°），较易于控制挑坎内速度，使其出挑时水流的传播更充足。出坎口速度较平均。但由于水舌在进水后所产生的水平方向的流动分速差很大，因此河流冲击对岸时仍相当强烈，冲坑基本处在水道的正中央，并不能起到减轻对岸冲击的目的。另外，对有侧向延伸的泄水槽，若加大挑坎挑角，则势必提升挑坎的出口高度，进而增大了水起挑流量

^[3]。

进行了数种鼻坎体型的实验，结果表明∶挑坎内水流态较优。但对右畔的冲刷显然减弱。水面波浪和水面爬高降低了50%有余。而泄洪P=1%、P=5%、P=20%洪水所导致的右岸水面爬高仅为2.65m、2.15m、1.25m，同样也没产生任何的恶劣流态现象。冲坑深也较小，宣泄P=1%、P=5%、P=20%洪水导致的下游河道冲坑深依次为299.0m、300.0m、297.0m。冲坑最深点处在河流的左岸，由于堆丘处在溢洪道与泄洪洞中间，因此产生的堆丘并不能提升电站尾水出口处水面高度，尾水处实测的水面波动也低于温度系数。

优化设计为简化后的溢洪道扭曲扩散挑坎形状，其中两个泄槽的高度也有所不同。优化方法的实验结果显示，在各级流量下，挑坎出坎的水深与横向布置基本一致，但入水时水舌长度增大，入水后单宽速度明显降低。如以洪水速率P=1%开始泄洪时，水舌从70m 增长到了入水时的160m ，单宽速度也从以前的140m ²/（s m）减小到70m ³/（s m），降低了一倍之多、而由于降低了人水单宽速度，同时人水点又向左岸靠拢，所以，对右岸的冲击和水中波浪力都明显降低。当洪灾频次P=1%开始泄洪时，在右岸的水面波动性为2.65m，水面爬高为343.8m，比原总体设计方案分别减少了2.05m和3.2m，但返回速度却有所增加，约为-11.03m/s。而当洪灾频次P=20%开始泄洪时，在右岸的水面波动性为1.25m，水面爬高为335.9m，比原总体设计方案分别减少了2.75m和5.9m，但返回速度为-10.28m/s，但仍有所增加，与原有方案设计不同的是，由于冲坑位置较接近左岸。

四、结论

A水电站泄洪消能防冲工程的主要特征是水头较高、运行速度变化范围很大、溢洪道中心轴线与上下游段河道中泓线的角度近乎正交，这都是消能防冲工程中的关键问题。所以，选定一种最理想的泄洪渠挑流鼻坎体型，对于保证过水建筑物的安全非常关键。在1∶100的模拟试验上，进行了数种挑坎体型的优选，实验结果显示∶优化方法与原总体设计方法一样具备了挑坎型出坎平均水深横向布置平稳、人水单宽流速显著降低、对岸坡冲击明显降低、水面波浪显著减少等优势，从而较好地解决了原工程设计中存在的大流速、狭沟谷、高落差的泄洪消能抗冲困难，保证了过水建筑物的安全。

参考文献：
[1]王林. 红花岭水库除险加固施工方案分析[J]. 黑龙江水利科技, 2020, 48(8):3.
[2]杨志虎. 水电站溢洪道泄槽混凝土裂缝原因分析与处理[J]. 云南水力发电, 2022, 38(1):5.
[3]杨志虎. 水电站溢洪道泄槽混凝土裂缝原因分析与处理[J]. 云南水力发电, 2022, 38(1):5.