三河口水利枢纽表孔泄洪消能方式研究

马进武，张晓莉，刘少斌

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001；2.西北勘测设计研究院工程实验检测分院，陕西西安 710043）

三河口水利枢纽表孔泄洪消能方式研究

马进武1，张晓莉2，刘少斌2

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001；2.西北勘测设计研究院工程实验检测分院，陕西西安 710043）

1 工程概况

三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一，是整个调水工程的调蓄中枢。工程地处陕西省汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的子午河中游峡谷段，枢纽坝址位于佛坪县大河坝乡上游约3.8km处，距离西安市约170km。枢纽主要由大坝、坝身泄洪放空系统、坝后泵站、电站和连接洞等组成。

三河口水利枢纽拦河大坝为碾压混凝土拱坝，最大坝高145m。大坝按500年一遇洪水标准设计，相应下泄流量为6610m3/s；按2000年一遇洪水标准校核,相应下泄流量为7580m3/s。消能防冲建筑物设计洪水为50年一遇（P=2%），相应下泄流量为4410m3/s；校核洪水为 200年一遇（P=0.5%），相应下泄流量为6070m3/s。

泄洪建筑物由坝身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防冲建筑物等组成。三孔泄洪表孔（15m×15m）及泄洪底孔均布置在拱坝坝身。泄洪表孔采用浅孔布置形式，泄洪底孔相间布置在3个表孔之间。

泄洪建筑物均采用挑流方式消能，为减轻对坝脚及下游河床的冲刷，下游设置水垫塘。水垫塘底宽70m，长160m，采用混凝土进行底板衬砌。

2 模型比尺及试验组合

三河口水利枢纽水力学模型试验[1]按照重力相似准则设计，模型几何比尺取1∶80。

几种特征工况的试验组合见表1。

3 原方案试验结果

原方案三孔表孔均采用常规的挑流鼻坎形式，即出口为等高一字形，只是中孔的鼻坎挑角大于两边孔（见图1）；底孔也是采用等宽一字形挑流鼻坎。

表1 模型试验组次表Tab.1 Group and quantity of model tests

图1 泄水孔布置及表孔体型图Fig.1 Layout of release outlets and profile of surface outlet

试验放水结果表明，无论哪种流量工况，底孔水舌几乎没有扩散，直接冲入水垫塘内；对于表孔，虽然边孔和中孔鼻坎挑角和高程不同，但水舌落点并未拉开，且三孔水舌存在向心集中问题，水舌落点集中，在水垫塘内激起很高的涌浪，流态很差。水舌落点集中直接导致了水垫塘内的水流冲击压力很大，校核工况时，水垫塘底板的最大时均压力54×9.8kPa，对应的冲击压力达到30×9.8kPa；设计工况时，底板最大时均压力49.5×9.8kPa，对应的动水冲击压力亦达到26×9.8kPa，远大于国内工程上一般所采用的15×9.8kPa的限制值。

另外，从最大压力出现的部位看，最大冲击压力均出现在表孔水舌落水点，而底孔水舌对底板的冲击并不大。因此，试验在对底孔出口采用窄缝消能形式改善了其出流流态后，重点对表孔鼻坎体型进行了优化，以改善水垫塘底板的压力分布。

4 表孔鼻坎修改试验

挑流鼻坎的作用是调整水流方向，使水舌入水面积尽可能增大，入水能量分散，其体型优化一般有三种方式，即横向扩散、纵向拉开、上下分层。鉴于表孔在以后的工程运行中，会存在单孔泄洪和多孔组合泄洪的方式，所以，试验拟定表孔优化思路为：先按单孔优化，使每孔水舌无论是水流流态、扩散程度，还是对底板的冲击压力都最优，满足单孔单独泄洪的要求；再依据单孔优化的体型，对三孔进行组合试验。由于三孔联合泄洪时，各孔下泄水流之间会产生水流叠加或碰撞，有可能会出现一些不利的流态，所以，必要时，将根据联合试验的结果，再对各单孔鼻坎体型进行进一步的优化，使鼻坎体型不仅能满足单孔运行的要求，而且在三孔表孔联合泄洪时，使各孔水舌尽量上下分层、前后拉开、减少重叠、避免碰撞产生水翅，以达到流态稳定、水垫塘底板压力分布均匀的目的。

三河口表孔泄洪单宽流量较大，最大单宽流量133.8m3/（s·m），若单纯采用横向扩散或纵向拉开的办法，难以充分地利用有限的水垫塘进行消能。因此，试验参考同类工程经验[2-3]，拟采用在表孔出口设置差动齿坎的形式，使每孔水舌都能做到上下分层、前后拉开，又有横向的扩散，尽可能地增大入水面积，使水垫塘得到充分的利用，增加其消能率，同时改善塘内水流流态，减小底板受到的冲击压力。

4.1 修改方案一

4.1.1 右孔体型修改

1）修改一

为了分散水流，试验首先在右孔的内侧（左侧）设置宽度为7.5m，挑角为20°，反弧半径为15m的差动挑流齿坎，齿坎为等宽挑坎，坎槽宽度比为1∶1。为了使挑坎与齿槽之间有合适的高差，同时又不致使齿坎过高，试验将齿槽的反弧半径由18m增大至25m，挑角由5°减小为-10°。修改后，齿槽末端比原方案降低2.89m，与齿坎末端高度差为5.85m。

修改后，右孔水舌被齿坎和齿槽分成上下两层，通过齿坎的上层水舌挑距较远，通过齿槽的下层水舌挑距较近，两层水舌挑距差15～20m。上下两层水舌之间由一股纵向水流相连，整个水舌落水区呈“Z”形。水舌在空中掺气并扩散，入水面积和原方案相比有较大增加，水垫塘内水流流态有所改善。但是，两层水舌前后拉开的距离仍显较短。

为了增大水舌前后拉开的距离，试验又将右孔齿坎挑角增大至30°，为了不使坎槽之间的高差过大，又将齿坎反弧半径减至12m，结果两层水舌之间的拉开距离也没有明显变化。试验又比较了几种不同反弧半径和挑角的齿坎体型，结果表明，如果保持齿坎反弧半径不变，只增加其挑角，则坎高相应增加，泄流时水头差减小，因此水流挑距并不会增大；如果挑角增加，同时反弧半径减小，则半径与水深的比值相应减小，坎上水流实际出射角小于齿坎挑角，同样不能达到增大齿坎水舌挑距的目的。因此，要想增大水舌拉开的程度，还需要对齿槽的挑角进行调整。

2）修改二

试验在修改一的基础上保持齿坎体型不变，将齿槽挑角由-10°降至-30°。修改后，右孔水舌仍为两层，上层水舌随齿坎挑起，挑距较远；下层水舌沿齿槽跌落，落距较近，两层水舌落水点间距比修改一明显增大。上层水舌扩散较好，水深较薄，下层水舌相对集中，水深较厚。

然而，进一步观察发现，在闸门局开泄流时，开度越小，齿坎上水深越薄，水舌扩散宽度也越大，上层水舌右侧边缘会直接砸在水垫塘右侧边坡上，偶尔会溅出塘外。试验又分别将齿坎宽度减至6.0m和将齿坎内侧角修成圆角，结果表明，局开泄洪时，仍会在某一开度范围内出现水流溅出水垫塘的现象。可见，在内侧设置齿坎不能满足右孔局开运行的要求。

3）修改三

试验又将齿坎设置在右孔的外侧（即右侧），齿坎及齿槽挑角及反弧半径均与修改二相同，坎槽宽度比仍为1∶1，见图2。修改后，水舌形态与体型二正好相反，落水范围呈反写的“Z”形，水舌横向扩散及纵向拉开程度均较好。闸门局开运行时，各种开度下均无水流冲砸水垫塘边坡及溅出塘外的现象。

根据以上修改结果，确定修改三为右孔初选体型。

4.1.2 左孔体型修改

图2 右孔修改一体型图Fig.2 Profile of the modified right surface outlet

由于三个表孔沿拱坝中心线对称布置，因此试验初步拟定左孔鼻坎体型采用与右孔对称布置，左右孔的泄槽及齿坎形状及尺寸相同，只是左孔齿坎布置在泄槽的左侧。

4.1.3 中孔体型修改

1）修改一

为了使中孔下泄水流在空间分层，试验在泄槽中部加设一宽为7.5m的齿坎，齿坎挑角30°，齿坎反弧半径15m，坎槽末端高差为3.66m，坎槽宽度比为1∶1。

试验发现，修改后的中孔在闸门小开度局开运行时效果较好，泄槽内水深较小，水流经过齿坎时分成两层，且两层水舌挑距不同，前后拉开。但是当闸门开度较大或全开运行时，泄槽内水深增大，水舌挑距减小，两层水舌互相掺混，落距相近，没有明显拉开。

2）修改二

分析认为，修改一水舌没有拉开的主要原因是当闸门开度较大或全开运行时泄槽内水深较大，而齿坎与齿槽间高度差太小。因此，试验将底槽由10°挑角改成30°俯角，以25m的反弧半径与1∶1直线段相接；齿坎反弧半径减至12m，挑角为30°；修改后坎槽高差为6.928m（见图3）。

试验结果表明，随着坎槽间高差的增大，无论是闸门全开还是局开泄洪，水舌入水形状均呈底部开口的“O”形，前后明显拉开，且横向扩散较好。单孔泄流时，整个水舌在空间呈现出光滑、透明、超薄的特点，水舌落点分布面大，流态很好。

所以将修改二确定的体型作为中孔鼻坎初选体型。

图3 中孔修改一体型图Fig.3 Profile of the modified middle surface outlet

4.1.4 修改方案一试验结果

对上述各孔初步选定的体型进行试验，结果表明，表孔单孔开启泄洪时，各孔水舌横向扩散及纵向拉开均较好，水舌入水面积大，能量也得到了尽可能的分散，水垫塘内流态平稳。无论哪孔开启泄洪，水垫塘内的最大冲击压力在10×9.8～12×9.8kPa之间，均小于15×9.8kPa的限值。

然而，当左孔与右孔同时开启泄洪时，由于两孔消能工形式及体型相同，且对称布置，其下泄水流在入水处交汇，且均集中于水垫塘中线部位，导致水垫塘中线上冲击压力过大。

当三孔全开泄洪时，相邻孔的水舌偶尔发生互相碰撞交汇，碰撞处产生的水翅，形成溅水；水舌交汇处，水流叠加下泄，落水集中，导致了水垫塘内水流冲击压力还是偏大，设计工况时水垫塘底板的最大冲击压力为24.25×9.8kPa。

根据上述试验结果，试验对表孔各孔体型再次进行优化。

4.2 修改方案二

4.2.1 右孔体型修改

参考修改方案一的试验结果，为了避免水舌与中孔水舌碰撞交汇，试验将右孔齿槽底板的俯角进一步增大，由30°增大至40°，使其出流的挑距更近；同时齿坎反弧半径改为18m，挑角降至10°，调整后体型见图4。

图4 右孔推荐方案体型图Fig.4 Profile of the right surface outlet recommended

4.2.2 左孔体型修改

左孔齿坎由修改方案一的左侧移到右侧，不再与右孔对称，以避免与右孔水舌交汇后水垫塘中线上冲击压力过大；齿槽体型不变，与修改方案一相同；齿坎反弧半径由12m增加到20m，齿坎挑角由20°减小至0°，避免其水舌与中孔水舌碰撞而产生溅水，调整后体型见图5。

4.2.3 中孔体型修改

在修改方案一，中孔采用中部设置齿坎形式，水舌扩散非常充分，整个水舌空间占据面积很大，结果在联合泄洪时，其与两边孔的水流碰撞后产生水翅，溅水明显。在对齿坎体型进行多次修改后，这种现象依然没能消除。

试验又对中孔采用舌型扩散鼻坎进行了研究，经过多次优化，当挑坎反弧半径为20m，起挑角度为34.8°时，水舌形态及落水扩散情况较好。泄流水舌沿水垫塘横向散开，纵向挑距相差不大，落水范围呈“一”字形。由于水舌仅有横向扩散而没有纵向拉开，因此水舌厚度与修改方案一的齿坎方案相比有所偏大。但由于落水几乎占据了水垫塘的水面宽度，在水垫塘内没有形成明显的水流集中现象，所以不会造成冲击压力大的结果；同时，经观察，这种体型在与其它孔同时泄洪时，不会发生水舌碰撞而产生水翅的现象，所以作为中孔的推荐方案（见图6）。

图5 左孔推荐方案体型图Fig.5 Profile of the left surface outlet recommended

图6 中孔推荐方案体型图Fig.6 Profile of the middle surface outlet recommended

4.2.4 修改方案二试验结果

按照以上方式对表孔进行修改以后的试验结果表明，无论是各孔单独开启泄洪，还是多孔联合泄洪，表孔的下泄水流流态较好，也没有产生因碰撞而引起的水翅和溅水现象；水舌沿水垫塘横向和纵向拉开，水流落水点分散；水垫塘内水面平稳，没有大的涌浪发生，流态较好。

水垫塘内的水流流态及压力分布也有较大程度的改善。设计洪水时水垫塘的水流流态见图7，可见中孔水舌最高，挑距也最远，横向扩散宽度几乎与水垫塘底宽相同；左右孔水舌挑距稍近，位于中孔水舌之下，扩散宽度各占水垫塘的一半左右。各股水舌落水位置互相错开，挑距均不相同。水垫塘内水流掺混剧烈，但水面波动不大。

图7 推荐方案水流流态Fig.7 Flow pattern of the recommended scheme

图8是设计工况时水垫塘底板的压力分布，可见除了水舌冲击点局部压力较大外，塘内其余部位压力相差不大，分布比较均匀。设计工况时水垫塘底板最大时均压力28.4×9.8kPa，对应的冲击压力为7.0×9.8kPa；校核工况时水垫塘底板最大时均压力30.8×9.8kPa，对应的冲击压力为8.7×9.8kPa。各种运行工况下，水垫塘底板最大冲击压力均小于10.5×9.8kPa，满足不大于15×9.8kPa的要求。

图8 水垫塘底板压力分布Fig.8 Pressure distribution of the plunge pool

长科院的岳鹏博等曾通过减压模型试验，对构皮滩水电站表孔分流齿坎的空化问题进行过研究[5]，结果表明，采用一定半径的反弧连接坝面和齿坎后，可以平顺水流，使分流齿坎区的空化强度明显减弱，且未超过空化初生阶段。三河口表孔修改方案二两边孔差动齿坎前水流流速15～18m/s，与构皮滩表孔相当，齿坎高度也与构皮滩表孔接近，因此不易发生空化空蚀破坏。

5 结语

三河口水利枢纽的主要泄水建筑物三孔泄洪表孔的单宽流量较大，原方案时，表孔下泄水流没有充分扩散，泄流集中，导致水垫塘内的冲击压力较大，对水垫塘的安全运行不利。经过试验研究，最后选定的表孔消能工形式能最大限度的使水流分散，落水点均匀，不仅能满足单孔运行时的水力学要求，而且在多孔联合泄流时，没有出现水流叠加导致局部集中的现象及各水舌互相碰撞产生水翅的现象，水垫塘内的水面平稳，压力分布均匀，试验成果可供同类工程参考。

[1]刘少斌.引汉济渭工程三河口水利枢纽整体水工模型试验报告[R].西安：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院工程实验检测分院，2012.

[2]徐勤勤，刘彩云，韩继斌.江口水电站大坝泄洪消能试验研究[J].人民长江，2001，32（3）：40-42.

XU Qin-qin，LIU Cai-yun，HAN Ji-bin.Test and study on energy dissipating for flood release of jiangkou hydropower station[J].Yangtze River，2001，32（3）：40-42（in Chinese）.

[3]程子兵，韩继斌，黄国兵.构皮滩水电站泄洪消能试验研究[J].人民长江，2006，37（3）：84-86.

CHENG Zi-bing，HAN Ji-bin，HUANG Guo-bing.Test and study on energy dissipating for flood release of Goupitan hydropower station[J].Yangtze River，2006，37（3）：84-86（in Chinese）.

[4]郭航忠.水垫塘底板稳定性判别标准研究[D].天津：天津大学，2003.

[5]岳鹏博，骆建宇，王业红.构皮滩水电站泄洪表孔分流齿坎的空化试验研究[J].长江科学院院报，2008，25（4）：100-102.

YUE Peng-bo，LUO Jian-yu，WANG Ye-hong.Cavitation experiment on surface spillway division pier of goupitan hydropower station[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（4）：100-102（in Chinese）.

Research on Energy Dissipation Pattern for the Surface Outlets of Sanhekou Hydropower Project

MA Jin-wu1，ZHANG Xiao-li2，LIU Shao-bin2
（1.Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an 710001，Shaanxi，China；2.Engineering Experiment and Detection Institute，CHECC，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

The Sanhekou Hydropower Project is designed as for the RCC arch dam.The main outlet structures are three overflow surface outlets and two bottom outlets,and all outlets adopts the ski-jump dissipation pattern.To mitigate the erosion of the dam toe and the river bed，a plunge pool is set up at the downstream of the dam.In the original design，the flow from the surface outletsistoohighlycentralized，causing bringing larger fluctuating pressure on the plunge pool，which is disadvantageous threatening to the safe operation of the plunge pool.Based on the model tests，in the latest selected dissipation scheme，the flow can be dispersed furthest，and the flow pattern and pressure distribution in the plunge pool is obviously significantly improved.

overall hydraulic model test；arch dam；overflow surfaceoutlets；theplungepool；pressure

三河口水利枢纽为碾压混凝土拱坝设计，主要泄水建筑物是三孔泄洪表孔和二孔泄洪底孔，均采用挑流方式消能。为减轻对坝脚及下游河床的冲刷，在坝下游设置水垫塘。原方案时，表孔的泄流集中，导致水垫塘内的冲击压力较大，对水垫塘的安全运行不利。经过试验研究，最后选定的方案能最大限度的使水流分散，水垫塘内的流态及压力分布明显改善。

水工整体模型试验；拱坝；溢流表孔；水垫塘；压力

1674-3814（2012）08-0082-06

T V 135

A

2012-06-12。

马进武（1975—），男，工程师，从事水工建筑物的设计工作，完成了陕西省信邑沟溢洪道设计，新疆下坂地水利枢纽工程溢洪道设计，新疆下坂地电站高边坡处理设计等。

（编辑 李沈）