乐昌峡水利枢纽工程泄水建筑物消能研究

第１期　２０１２年１月　广东水利水电　ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２Ｏｌ２　乐昌峡水利枢纽工程泄水建筑物消能研究　黄善和　，黄智敏　，钟勇明　，何小惠　，陈卓英　，付　波　（１．广东省乐昌峡水利枢纽工程建设总指挥部，广东乐昌　５１２２００；　２．广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州　５１０６３５）　摘要：乐昌峡水利枢纽工程坝址处河道狭窄，枢纽工程泄水建筑物（溢流坝和放水底孔）平面布置基本占据了坝址河床面　宽度，且溢流坝的泄洪落差和单宽流量较大，电站尾水出水口靠近溢流坝，因此，溢流坝和放水底孔泄洪安全是枢组工程的　关键技术问题。通过水力模型试验研究，对溢流坝和放水底孔消能工体型进行了优化，改善了其运行水力特性，妥善解决　了其泄洪消能防冲的问题。　关键词：溢流坝；放水底孔；宽尾墩；差动式挑流鼻坎；扭曲挑流鼻坎；消能；模型试验　中图分类号：ＴＶｌ３５．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—０１１２（２０１２）０１—００２０—０５　１概述　１）溢流坝布置在坝址河道中间，共分为５孔，每孔　净宽为１２ｍ，中墩和边墩厚为３ｍ，溢流坝段总宽度为　１．１工程概况　乐昌峡水利枢纽工程是以防洪为主，结合发电、　灌溉、供水、改善航运等综合利用的大型水利枢纽工　程，坝址位于广东省乐昌市境内的北江一级支流武水　７８ｍ。溢流坝堰顶采用双胸墙与弧形闸门共同挡水的　型式，溢流堰顶高程为１３４．８ｍ，单孔孔口尺寸为１２ｍ　（宽）×１０．７ｍ（高）；初设方案的溢流堰面（ＷＥＳ）曲　线方程为Ｙ＝０．０３４　１０８ｘ　跖，下接１：１的陡坡段，陡坡　段下游接半径Ｒ＝２６ｍ的反弧段，反弧段挑流鼻坎挑　角为３２。，出口断面高程为１１６．９５ｍ；溢流坝两侧边墙　由桩号为０＋０４０．９２断面以５．４１。收缩角往下游收缩，　乐昌峡河段内。枢纽工程的正常蓄水位为１５４．５ｍ，设　计洪水标准为１００年一遇（Ｐ＝１％），校核洪水为　１　０００年一遇（Ｐ＝０．１％），枢纽工程水库总库容为　３．４３９亿ｍ’。　乐昌峡水利枢纽工程泄水建筑物主要由溢流坝和　放水底孔等组成（见图１）。　至挑流鼻坎出口断面（桩号０＋０６１．５）的宽度为　６８．１ｍ（见图２）。　。　里！　！Ｑ　…ｆ．　『　…ｌ『　１　ｌ　＿ｒ　１　１　ｌ　１　垒：星　ｌ…ｌ　…ｌ　ｌＩＩ　…ｌ　ｌ　…ｌ　…１　ｌ　８仝。　耋　’　（ａ）平面图　（单位：ｍ）　（ｂ）剖面图　图１　乐昌峡水利枢纽工程平面布置示意　图２溢流坝初设方案布置示意　收稿日期：２０１１—１１—２１　作者简介：黄善和（１９６５一），男，工程硕士，教授级高级工程师，从事水电工程建设与管理工作。　・２０・　２０１２年１月　第１期　黄善和，等：乐昌峡水利枢纽工程泄水建筑物消能研究　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１２　２）放水底孔布置在溢流坝段左侧，其作用主要是　在溢流坝堰顶（高程为１３４．８ｍ）以下水位泄洪放空水　库和排沙，但在特殊运行工况下，放水底孔与溢流坝共　同承担泄洪。放水底孔进口底板高程为１１０．０ｍ，洞身　段断面尺寸为３．２ｍ×６．４ｍ（宽×高），底孔出口断面尺　寸为３．２ｍ×５．５ｍ（宽×高），在出口处设置一扇弧形工　作门；底孔出口后接长为２０．７７ｍ的明渠段，明渠段桩　号０＋０４７．７３断面处由宽３．２ｍ渐扩至出口断面４．５ｍ，　出口段挑流鼻坎曲率半径Ｒ＝２０ｍ、挑射角为２５．８４２。，　挑坎出口断面高程为１１２．０ｍ（见图３）。　Ｔ●，●●　（单位：ｍ）　（ａ）平面图　（ｂ）剖面图　图３放水底孑Ｌ设计方案体型示意　坝址附近两岸地形对称，河谷呈“Ｖ”形，河道呈微　弯、断面狭窄，河床面高程约为９０．０～９２．０ｍ。坝址两　岸和河床的弱风化岩体埋深较浅，河床弱风化带上界面　埋深约为１．６～８ｍ，弱风化岩厚约为３～５ｍ，往下为微　风化基岩。河床基岩较新鲜坚硬、强度较高，岩体完整　性较好。　１．２工程主要特点　１）拦河坝最大坝高约为８３ｍ，溢流坝泄洪最大落　差和单宽流流量分别约为５０ｍ和１４２ｍ　／（ｓ・ｍ），溢流　坝属高水头、大流量泄水建筑物。　２）坝址处河道狭窄，枢纽工程的泄水建筑物（溢　流坝和放水底孔）平面布置基本占据了坝址河床面宽　度，其泄洪挑射水舌易对下游河道两岸坡造成冲刷　破坏。　３）电站尾水出水口上边缘距离溢流坝出口断面约　为１６０ｍ，溢流坝挑射水舌易对电站出水口区域产生冲　刷影响。　１．３水工模型设计简介　乐昌峡水利枢纽工程溢流坝和放水底孔水工模型　按佛劳德准则设计为正态，模型几何比尺Ｌ，＝６０。坝址　下游河床动床模型设计中，选择河床弱风化基岩抗冲流　速Ｖ＝７～８ｍ／ｓ、微风化基岩抗冲流速Ｖ＝１０～１２ｍ／ｓ。　由伊兹巴什公式Ｄ＝Ｖ２／Ｋ￣（式中：Ｄ为散粒体粒径，１１１；　为基岩抗冲流速，ｍ／ｓ；Ｋ为系数，一般取５—７，本文取　Ｋ＝６），可计算出弱风化基岩的模型冲料散粒体粒径　Ｄ　＝２．３—３．０ｅｒａ，微风化基岩的模型冲料散粒体粒径　Ｄ　＝４．７—６．７ｃｍ。溢流坝下游河道模型动床范围为溢　流坝出口至电站出水渠未端（桩号约为０＋３３０）。　２溢流坝消能试验成果　２．１初设方案消能工试验及优化基本思路　溢流坝初设方案消能工试验研究成果可参见文献　［１］。针对初设方案存在的问题，溢流坝消能工采用了　以下的修改和优化思路（见图４）：　　●●Ｌ　董Ｊ　（ａ）平面图　图４溢流坝推荐方案布置示意　１）在满足溢流坝泄流能力要求的前提下，将溢流　堰面曲线方程修改为Ｙ＝０．０３ｘ。　，以减小堰面的负　压值。　２）借助现有溢流坝工程宽尾墩的研究成果，改善　审吉　初设方案各中墩末端区域的流态，同时增加溢流坝下游　∞Ｎ。＋（】　削　反弧段泄流的掺气和消能率。面　３）为了避免或减轻溢流坝挑射水舌对下游河道两　ＩＥ．卜寸０＋０　图　　岸坡的冲刷，溢流坝下游出口断面需进一步缩窄。为了　减轻溢流坝高速泄流对收缩边墙产生急流冲击波的影　响，经模型试验比较和优化之后，溢流坝两侧边墙从桩　号０＋０１７开始，采用分两段收缩方式收缩至溢流坝出　口断面，出口断面由６８．１ｍ缩窄至６０ｍ。　４）为了减轻溢流坝泄洪对下游河床和电站出水口　区域的冲刷影响，一方面在满足坝基安全的前提下，尽　量减小溢流坝挑射水舌的挑距，使坝下游河床冲刷坑尽　量往坝址前移，减轻挑射水舌对电站出水口区域的冲刷　破坏；另一方面增加挑坎挑射水舌的竖向和纵向拉开扩　散，增大挑射水舌在空中的碰撞、掺气和消能，尽量减轻　下游河床的冲刷深度。　２．２溢流坝消能工推荐方案　参考有关工程研究成果和经水力模型试验比较，溢　・２】・　一●　●　２０１２年１月　第１期　广东水利水电　流坝消能工采用了“宽尾墩＋扩散式梯型差动式挑流　空中的碰撞、掺气和消能，明显减轻了水舌对下游河床　的冲刷（见图６）。　鼻坎”的方案：　１）各闸孑Ｌ中墩下游端设置宽尾墩（桩号为０＋０１７　～３）差动式高坎平面布置前窄、后宽，使低坎水流形　成窄缝式收缩状水流，且高坎两侧坡面坡度放缓至１：１，　使高坎侧坡面保持为正压状态，明显改善了高坎的抗空　化性能。　０＋０２８）：宽尾墩首端闸孔的断面宽度Ｂ　＝１２ｍ（墩　厚为３ｍ，桩号为０＋０１７）、末端断面宽度Ｂ，＝９．７ｍ（墩　厚为５．３ｍ，桩号为０＋０２８），宽尾墩闸孑Ｌ断面收缩率叼　＝Ｂ　／Ｂ　＝０．８０８（见图４）。　４）扩散式梯形差动式挑流鼻坎高、低坎挑角分别　为２０。和０。，挑射水舌的挑距明显缩短（见表１），坝下　游河床冲刷坑往坝址前移，但由于差动式挑坎大大减轻　２）溢流坝反弧段挑流鼻坎采用抗空化性能良好的　扩散式梯形差动式挑流鼻坎（见图４～图５）：①高坎反　弧段曲率半径Ｒ＝３５ｍ，出口挑角为２０。；高坎始起断面　了下游河床的冲刷坑深度，在各级洪水流量泄流运行条　桩号为０＋０４７．４２、宽度为３．５ｍ，出口断面宽度为６ｍ　（桩号为０＋０５９．３９）、高程为１１５．６１ｍ；高坎两侧面坡　度为１：１；②低坎为水平挑坎，高程为１１３．５ｍ，挑角　为０。。　图５　扩散式梯形差动式挑流量坎布置示意　２．３溢流坝挑射水舌和下游河道冲刷特性　１）溢流坝泄流进入宽尾墩区域之后，宽尾墩两侧　导墙区域水深逐渐壅高，至墩末出口断面形成两侧高、　闸孔中心区域低的凹型水冠状；宽尾墩改善了原流线型　闸墩末端区域水流脱壁、水花飞溅的不良流态，且宽尾　墩末端下游局部区域为无水区域，有利于反弧段水流的　掺气；相邻两闸孑Ｌ泄流在宽尾墩未端下游交汇后，形成　高而窄的水冠状水舌跃起，往下游挑射，大大增加了挑　射水舌在空中的碰撞、掺气和消能（见图６）。　射　图６溢流坝泄流流态示意　２）差动式挑流鼻坎和宽尾墩的联合运用，宽尾墩　后和挑流鼻坎形成多层次的挑射水舌，增大挑射水舌在　・２２・　件下，溢流坝下游河道冲刷坑上游坡度ｉ＜１：４＿ｌ－２］，满　足工程设计规范的要求。　５）由于溢流坝挑射水舌挑距减短和冲刷坑深度减　小，明显减轻了对电站出水渠区域的河床冲刷，坝下游　河床冲刷范围只限于电站出水渠右导墙上游区域，导墙　下游出水渠河床为冲刷坑冲渣淤积区¨Ｉ２　Ｊ。　表１溢流坝挑射水舌特性　洪水库水　下游　泄流量　水舌挑距／ｍ　水舌下游入水　频率位ｚ　水位　Ｑ　断面宽度／ｍ　Ｐ／％／ｍ　／ｍ　／（ｍ　．ｓ一　）初设方案推荐方案初设方案推荐方案　注：①水舌挑距是以水舌外缘与下游高程为９５．０ｍ交汇处　量测；②水舌下游入水断面宽度是以水舌与相应下游水位交汇　处量测。　３放水底孔消能试验成果　３．１　挑流鼻坎初设方案试验及修改思路　在各级库水位泄流运行时，放水底孔挑流鼻坎挑射　水舌的下游人水区域主要落在下游河道左岸坡区域　（见图７），对左岸坡会产生较明显的冲刷和淘刷，危及　工程的安全运行。为了避免放水底孔挑射水舌对下游　河道左岸坡的冲刷，其挑流鼻坎体型修改思路为：　１）将挑流鼻坎两侧直线和折线边墙修改为扭向下　游河道中心区域的圆弧曲线边墙，圆弧曲线边墙选择原　则为，在水库正常蓄水位（Ｚ＝１５４．５ｍ）运行条件下，放　水底孔挑射水舌的下游入水区域不超过溢流坝中心线，　避免挑射水舌入水区域下游水流对河道右岸坡冲刷。　２）尽量增大挑坎出口断面宽度，减小挑坎出口断　面的单宽流量。　３）调整挑坎出口断面的挑射角，尽量使挑坎挑射　水舌的下游入水区域分散拉开，减轻下游河床的冲刷。　２０１２年１月　第１期　黄善和，等：乐昌峡水利枢纽工程泄水建筑物消能研究　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１２　图７初设方案放水底子Ｌ挑射水舌位置示意　３．２挑流鼻坎优化方案试验　３．２．１方案布置　经多方案的修改比选，得出放水底孔出口挑流鼻坎　段体型的优化方案为（见图８）：　Ｉ　　ｌｊ＼　　Ｉ｝｛　／＼、　。　（ａ）平面图　（ｂ）剖面图　图８　放水底子Ｌ挑流鼻坎推荐方案体型示意（单位：ｍ）　１）以放水底孔下游桩号０＋０５２．２８断面为挑坎反　弧段的起始断面，挑坎反弧段曲率半径Ｒ＝２５ｍ，挑坎　反弧段左侧以圆心角０＝３５。往下游延伸至Ａ点。左边　墙平面位置由桩号为０＋０４７．７３以半径Ｒ＝４５ｍ往下　游延伸，形成左侧圆弧边墙；右边墙平面位置由桩号为　０＋０４７．７３以半径Ｒ＝４０ｍ往下游延伸，交汇于反弧段　桩号０＋０６０断面Ｃ点，该断面右边墙的挑射角０＝　１８。。　２）右边墙出口Ｃ点（桩号为０＋０６０）以斜直线连　接反弧段的左边墙线Ａ点，左边墙圆弧曲线交汇于ＡＣ　连线Ｂ点，为左侧圆弧曲线边墙与反弧段挑坎出口断　面的交汇点，反弧段左边墙挑射角为２５．７。。　因此，优化方案的放水底孔下游出口挑流鼻坎段为　等半径（Ｒ＝２５ｍ）、变挑角（左边墙挑角为２５．７。、右边　墙挑角为１８。）的扭向下游河道中心区域的圆弧曲线边　墙的斜向高、低挑坎。　３．２．２挑流鼻坎段流态和挑射水舌　优化方案放水底孔挑流鼻坎的挑射水舌试验成果　见表２和图９。试验表明，在库水位为１２５．０～１４４．５ｍ　（汛限水位）泄流运行时，挑射水舌下游入水断面左边　缘距离放水底孔原左边墙线（内边墙）约为１２～１８ｍ，　明显减轻了对下游河道左岸坡的冲刷。　３．２．３下游河道冲刷特性　１）在库水位Ｚ＝１２５．０～１４４．５ｍ、闸门全开单独运　行时，放水底孔下游河床冲刷坑底高程约为８４．０～　８２．０ｍ，冲刷坑上游坡度ｉ＝１：３．６７～１：６．３８，冲刷坑对　下游河道左岸坡稳定的影响较小，下游河床冲刷状况可　以满足工程安全运行的要求（见表３）。　表２放水底子Ｌ泄流挑射水舌参数　说明：水舌挑距是以水舌外缘与下游９５．０ｍ高程交汇处计　图９推荐方案放水底孔挑射水舌位置示意　表３放水底子Ｌ下游河床冲刷特性　说明：冲刷坑深度　是以河床面高程为９０．０ｍ到冲刷坑底　高程进行计算。　・２３・　２０１２年１月第１期　广东水利水电　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１２　２）放水底孔与溢流坝联合运行时，其下游河道水　时，大大减轻了下游河床的冲刷，满足了工程布置和安　位相应大于放水底孑Ｌ单独运行的下游水位，放水底孔挑　射水舌对下游河床冲刷程度相应减轻；随着溢流坝泄洪　流量的增大，放水底孔泄洪流量所占的泄洪总流量的比　例越来越小，因此，放水底孔泄洪对下游河道冲刷的影　响逐渐减小，放水底孔与溢流坝联合运行是安全的。　４结语　全运行的要求。　３）放水底孔出口段采用圆弧曲线边墙、等半径和　变挑角的斜向高低挑坎之后，妥善解决了其下游挑流消　能防冲的问题。　参考文献：　［１］黄智敏，何小惠，钟勇明，等．乐昌峡水利枢纽工程溢流坝　１）溢流坝设置了分段收缩边墙、宽尾墩、扩散式梯　泄洪消能研究［Ｊ］．长江科学院院报，２０１１，（５）：１８—２２．　［２］　华东水利学院．水工设计手册（第６卷・泄水与过坝建筑　物）［Ｍ］．北京：水利电力水利出版社，１９８２．　［３］　黄智敏，何小惠，钟勇明，等．乐昌峡水利枢纽工程水工模　形差动式挑流鼻坎等工程措施，改善了溢流坝泄流流　态，妥善解决了溢流坝泄洪消能的问题。　２）模型试验推荐的溢流坝扩散式梯形差动式挑流　鼻坎，具有抗空化性能良好、挑射水舌扩散和消能特性　好、施工方便等特点，在减小溢流坝挑射水舌挑距的同　型试验研究报告［Ｒ］。广州：广东省水利水电科学研究院，　２００９．　（本文责任编辑王瑞兰）　（上接第１４页）　桩后无填土，桩基按照悬臂桩进行计算，每条桩的挡土　察，认真听取专家意见，进行科学决策，在岩土工程技术　宽度偏于安全可以取桩间距ｄ＝３．９ｍ。计算出桩的水　平弯矩，对桩的水平承载力进行评估。这种计算简化较　多，更精确的计算可以采用有限元等数值方法进行计　算。　方面进行了卓有成效的探索和创新，特别是针对坝肩边　重要问题，都设置科研攻关专题，工程实践也较为成功，　为圆满完成工程任务奠定了坚实的基础。　参考文献：　坡、库区滑坡体治理、地下洞室群稳定分析、坝基处理等　因此，在这种情况下进行桩基设计时，不仅要考虑　垂直承载力，也要对水平承载力进行验算，方可保障建　筑物的安全。　６结语　［１］罗子波，彭影，王著杰，等．广东省乐昌峡水利枢纽工程初　究院，２００９．　步设计报告［Ｒ］．广州：广东省水利电力规划勘测设计研　［２］　广东省乐昌峡水利枢纽工程建设总指挥部．乐昌峡水利枢　在乐昌峡水利枢纽建设工程中，遇到了众多岩土工　纽拦河坝坝肩边坡开挖和防护专家咨询会［Ｒ］．韶关：广　东省乐昌峡水利枢纽工程建设总指挥部，２００９．　探讨［Ｒ］．广州：广东省水利水电科学研究院，２０１　１．　程问题，是影响枢纽工程建设的重大技术难题。为确保　经济、合理解决这些岩土工程问题，除了进行周密的计　算分析和论证外，还多次召开技术会议，结合项目法人、　设计、监理、施工等单位意见，不断完善专项技术方案，　并对重要、重大的问题邀请国内知名专家到施工现场考　［３］　杨光华，张玉成，钟志辉，等．边坡稳定性分析中若干问题　（本文责任编辑马克俊）　・２４・