浙江省交通规划设计研究院有限公司 杭州 310014
摘 要：水电站一般布置在相对狭窄的山区河谷，往往洪峰流量大，泄洪消能设计是枢纽布置和水工设计的关键技术难题。通过方案比较研究，龙开口水电站采用表孔、中孔联合泄洪方式；表孔“大差动+舌形坎”与中孔窄缝挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、纵向拉开，充分利用下游消能水体，弥补了下游消能区宽度有限的不足，解决下游消能问题。另外各孔口相对独立，运行调度及检修灵活方便。研究成果对同类型工程枢纽的泄洪消能设计有一定的借鉴意义。
关键词：龙开口水电站；泄洪消能；挑流；大差动+舌形坎
Study on the design of flood-releasing energy dissipation for Longkaikou hydropower station
Xu Xiaomei Chen Guoliang Chen yi．
(ZHEJIANG PROVINCIAL INSTUTUTE OF COMMUNITATIONS PLANNING, DESIGN &RESEARCH Corporation LIMITED, Hangzhou 310014,ZheJiang,China)
Abstract：The flood water discharge and flowing water energy dissipation is a key technical challenge of the project general layout and hydraulic design of Longkaikou hydropower station，because of the dam site located in a relatively narrow valley，the large peak flow discharge, and the limited capacity of the reservoir. Through the comparative studies, a pattern of flood release with the combination of surface holes and middle holes was adopted to Longkaikou project. The energy dissipation scheme of the surface hole outlets were slotted bucket with diversion teeth and the flip buckets with tongue-type, and the type of the middle hole outlets were slit-type buckets. In experiments, the jet of every outlet was plunge into the downstream water at the different location, the slit-type bucket jets were pull apart in the downstream direction, and the energy was dissipated partitioned. This flood release pattern and the energy dissipators can make full use of the finite width of downstream area and take full advantage of the downstream water to solve the problem of energy dissipation. In addition, all holes can be operated relatively independent, which makes the operation scheduling and maintenance flexible. And the study can be referenced in the energy dissipation design of the same type engineering hub.
Key Words： flood-releasing energy dissipation；dentated sill and tongue-type flip bucket；de-fleeting flow
1工程概况
龙开口水电站枢纽位于云南省境内金沙江中游河段。电站共装5台360MW机组，总装机容量1800MW。枢纽工程由碾压式混凝土重力坝、泄洪冲沙建筑物、右岸坝后式引水发电系统及左右岸灌溉取水口等组成，最大坝高116.00m。
坝址位于小庄河下游附近，河道顺直。两岸地形不对称，左陡右缓，左岸为山坡地形，覆盖层零星分布，右岸阶地发育，覆盖层广布，厚度大，河床覆盖层浅薄。坝基岩体为二叠系玄武岩组中段致密块状玄武岩（P2β2-3）。。
2泄洪消能建筑物布置
2.1泄洪消能规模及特点
龙开口水电站坝址多年平均流量1690m3/s，设计洪水（P=0.2%）流量15900m3/s，校核洪水（P=0.02%）流量为19300m3/s，最大下泄功率约1×104MW。水库库容小，调节能力低，且洪水峰型多为矮胖型，泄洪历时长。
坝址区地形开阔，河道顺直，但主河床狭窄，枯期水面宽仅50～70m；坝址基岩为致密块状玄武岩，完整性较好，抗冲能力较强，但右岸覆盖层深厚。
本工程泄洪消能设计的主要特点是：高水头、大流量、历时长、高尾水，河谷宽阔但主河床狭窄，下游无对泄洪雾化敏感的对象。
2.2 泄洪消能建筑物设计原则
根据本工程泄洪消能的规模、特点，确定泄洪消能建筑物的设计原则如下：
(1) 为满足泄洪、冲沙、施工导流及震后工程安全检查和检修的综合要求，泄洪建筑物采用表、中（底）孔相结合的型式。中（底）孔泄流能力应满足冲沙、施工导流的综合要求。
(2) 由于洪水流量大，校核洪水流量超出设计洪水流量20%（△Q＝3400m3/s）。在泄洪孔口的选择时宜设置超泄能力强的表孔以降低汛期校核洪水位，减少坝顶超高。
(3) 本工程处高烈度地震区，泄洪建筑物宜尽量具备短时间内降低坝前水位的要求，确保大坝安全，也可为震后工程检修和尽快恢复运行创造条件，因此，宜布置适当规模的泄洪中孔。
(4) 根据坝址地形地质条件及枢纽布置格局，本工程坝址地质条件较好，河谷宽阔，泄洪和引水发电建筑物布置有一定的调整余度。但从减少工程土建投资考虑，宜适当提高泄洪单宽流量，减少泄洪前沿宽度。
(5) 工程消能区地质条件较好，消能建筑物型式选择余度大，由于坝址基岩较为完整、抗冲能力较强，下游水位较高，无对泄洪雾化敏感的对象，从节省工程投资和运行维护考虑，消能方式宜首先考虑挑流消能方式。
(6) 为提高大坝抵御超标准洪水能力，调洪演算时：1000年一遇以下洪水（Q≤16900m3/s），仅考虑部分机组参与泄洪（3台机组，流量Q＝1800m3/s），1000年一遇以上洪水（Q＞16900m3/s），不考虑机组参与泄洪；10年一遇以上洪水，冲沙底孔关闭不参与泄洪。
2.3 泄洪方案研究
基于上述原则，在泄洪建筑物选择时考虑设置具有较大超泄能力的表孔及具有一定拉沙功能的泄洪中孔。根据多方案比选，选定5表孔+4中孔联合泄洪方案，表孔堰顶高程1278m，孔口尺寸13m×20m（宽×高），溢流前缘宽度93m，溢流堰面设计为WES实用堰面曲线；底孔进口高程1238m，孔口尺寸5m×8m（宽×高）。(见图1)
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经模型试验验证，消能冲坑深度及形态主要由表孔控制，在表孔挑角选择时，考虑表孔1#、3#、5#孔小挑角，挑角为23°，反弧半径为30m，挑坎位置略靠后，鼻坎高程为1242.62m；2#、4#表孔为高挑角，挑角为35°，反弧半径为30m，挑坎位置略靠前，鼻坎高程为1246.17m，距1#3#5#坎末端约10.8m，表孔各孔之间采用混凝土墙隔开，相互独立。1#、2#中孔出口下游左侧紧挨导流明渠挡墙、3#、4#中孔下游右侧紧挨厂坝间中导墙，为避免中孔水舌冲淘两侧挡墙（或厂坝间中导墙）基础，鼻坎采用平面转弯，将水舌导向河中，1#、2#、3#、4#中孔转弯角度分别为15.5°、15.5°、17.95°、26.44°；中孔出口采用收缩式鼻坎，各孔出口宽度分别为4.7m、4.7m、3.1m、3.8m。试验表明，表孔“大差动+舌形坎”，中孔出口转弯侧向收缩窄缝方案，达到了挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能的预期目标，除了3#中孔与5#表孔水舌边缘存在重叠外，其余各孔水舌落点均能相对独立；4个中孔水舌落点未远离两侧挡墙（或厂坝间中导墙），未出现冲砸导墙基础现象。表中水舌落点详见图1。
3水工模型试验研究成果
水工模型试验在1:65、1:40两个整体模型中开展，试验成果相互印证、确保成果的可靠性。
3.1泄流能力
在1:40的整体模型，对表、中孔泄流能力进行了测试，表、中孔单独运行及表、中孔联合运行时的泄流能力均计算值略大，校核洪水试验值19420.5m3/s较设计计算值19300m3/s大约0.62%，设计洪水试验值16149.2m3/s较设计计算值15900m3/s大约1.56%，泄流能力能够满足设计要求。
3.2泄洪建筑物水面线、流速及压力分布
校核工况下，表孔孔内水面距离弧门支铰7.40m，水流不会触及弧门支铰，溢流面斜坡段及反弧段内水面低于边墙顶高程；中孔明流直段内水流表面平顺，水面距离弧门支铰约5.3m，至转弯段水面逐渐升高，出口处外侧水面比内侧水面高约2.0～3.0m，明流段内水面均没超出边墙顶。
试验表明，表孔堰面存在负压现象，最大负压值为0.88×9.8Kpa，小于规范最大负压6×9.8Kpa；最大压力为24.4×9.8Kpa，鼻坎最大流速约为29m/s，水流最小空化数约为0.4。中孔校核工况时，水流空化数最小值为0.37，该点压力为8.68×9.8Kpa，断面平均流速30.4m/s。各工况流速及压力测试表明，表、中孔流速适中、压力分布均匀，空化数均大于0.3，体型设计合理，发生空蚀破坏的可能性较小。
3.3流态、水舌参数
试验观测表明，各工况下水舌入水区纵向分层明显、横向间隔清晰，挑流水舌分散入水、分区消能。在设计工况（P＝0.2%）下，表中孔全开水流流态见图2，水舌挑距和入水参数见表1。
表1设计洪水水舌参数
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图1表中孔平面布置及水舌落点示意图
2.4 消能方案研究
坝址基岩较为完整、抗冲能力较强，下游水位较高，无对泄洪雾化敏感的对象，从方便工程运行维护考虑，消能方式宜首先考虑挑流消能方式。泄洪表孔堰上水头及单宽泄流量均较大，设计水位堰上水头20m，单宽流量176m3/s•m，校核水位堰上水头23.3m，单宽流量226m3/s•m，泄洪表孔两侧布置4泄洪中孔，下游消能区受左侧导流明渠挡墙及右侧厂坝间导墙等建筑物限制，消能总宽度约为140m，消能区最大单宽流量约为137 m3/s•m。为了充分利用下游消能区，提出表孔采用“大差动+舌形坎”，中孔采用出口转弯侧向收缩窄缝方案。表孔、中孔单独或联合泄洪时，达到了“挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能”的效果，充分利用下游纵向消能水体、避免各孔水舌重叠现象，减小了消能区冲坑深度，确保了相邻建筑物安全。
图2 设计洪水表、中孔泄洪流态
3.4 动床试验
消能区动床试验依据消能区基岩抗冲流速约10m/s进行模拟。冲刷试验表明：各种泄洪工况泄洪水流均未对坝趾岩体、厂坝中导墙基础、左岸边坡产生淘刷。消能设计工况百年洪水工况下，冲坑形状为锅底形，中部低，四周高，冲坑最点高程为1183.9m，位于坝趾下游约130m，消能区中间位置。泄洪表孔单宽流量较大，水流相对集中，中孔出口为窄缝，水舌纵向拉开，冲刷试验表明，冲坑形态及深度主要受表孔控制，5#表孔单孔全开工况为冲刷最不利工况，冲坑最低点高程为1175.68m，位于坝趾下游约140m、距中导墙约17m，尚未影响厂坝中导墙安全。由于本工程9个泄洪孔口相对独立，泄洪运行灵活，因此，为提高泄洪运行安全性，可通过合理孔口调度方式避免不利工况运行。
3.5 下游河道流态及流速分布
各试验工况挑流消能效果好，水面波动幅度小，主流能够顺利归槽，下游河道流态平顺。各试验工况下，下游岸坡流速较小，消能区下游岸坡最大流速约4.4～4.6m/s m/s。厂坝导墙末端处下泄水流向右侧扩散、并出现顶冲右岸边坡现象，顶冲区近岸流速约2.0m/s～3.6m/s。表孔和中孔泄洪时，尾水渠出口存在回流现象，回流流速约1.5m/s～2.6m/s；右岸边坡上的回流流速约1.2m/s～3.4m/s。
4 结论
龙开口水电站采用表、中孔联合泄洪，满足设计要求，保证了枢纽运行安全可靠。采用表孔“大差动+舌形坎”，中孔出口转弯侧向收缩窄缝挑流消能方案，各孔挑流水舌分散入水、纵向拉开、分区消能，基本避免水舌落点重叠现象，充分利用了下游消能水体，弥补了下游消能区宽度有限的不足，减小下游冲刷，冲刷坑不会影响大坝及两侧挡墙（或厂坝间中导墙）；9个泄洪孔口相对独立，泄洪运行灵活，检修方便。
参考文献：
[1]黄伟，王代禹.漫湾水电站泄洪消能布置设计与科学试验[J].云南水电技术，1991，97（4）：18-21.
[2]郭子中.消能防冲原理与水力设计[M].北京：科学出版社，1982.