阿扎德帕坦水电站基本设计阶段泄洪消能建筑物布置方案研究

杨海燕 郑慧洋 彭小川 吕会娇

大流量、高尾水且河谷狭窄是多个大型水利水电工程存在的技术特点之一，由于流量大而溢流前沿宽度有限，泄水建筑物的单宽流量往往比较大，下游河谷狭窄水流下泄动能难以及时消纳，泄洪消能建筑物布置设计技术难度较大。根据中国西南部分地区水利工程泄洪流量大、单宽流量大、河谷狭窄、下游尾水深的特点，广西岩滩、云南大朝山、广西平班和云南功果桥等工程均采用宽尾墩加戽式消力池型式，消除传统戽流消能中“三滚一浪”流态及其对工程的负面影响，消力戽内形成了三元水跃，不仅各水股之间存在强烈的碰撞与掺混作用，各水股与消力池内水垫之间也存在强烈的紊动掺混作用，该泄洪消能体型能使消能区与下游水流平顺衔接、提高消能率、减轻泄洪雾化影响。工程经过多年的实际运行，泄洪水流流态及消能效果良好，提供了宽尾墩加戽式消力池综合消能工在解决高坝大单宽流量、低弗氏数工程泄洪消能问题上的成功经验。

巴基斯坦阿扎德帕坦水电站是巴基斯坦吉拉姆河梯级水电开发中的一级，水库总库容1.119 亿m3，装机容量为700.7 MW，最大坝高103 m，工程为Ⅱ等大（2）型工程。1 000 年一遇洪水流量为21 600 m3∕s，10 000 年 一 遇 洪 水 流 量 为29 600 m3∕s，PMF洪水达到了35 650 m3∕s，按照国外工程设计标准按照PMF 洪水设计，表孔堰顶最大泄洪单宽流量达到335 m3∕（s·m），超过岩滩（308 m3∕（s·m））和大朝山（193.6 m3∕（s·m）），泄洪单宽流量在国内位列前茅。坝址河谷较为狭窄，下游水深达到54.46 m，该工程具有典型的大流量、高尾水和河谷狭窄特点。

1 泄洪消能建筑物布置

阿扎德帕坦水电站原设计方案重力坝布置成曲线形，夹角为33.975°，泄水建筑物布置由7 个表孔、2 个底孔组成。表孔布置在大坝底孔两侧，左坝肩3 孔，右坝肩4 孔，闸门尺寸为14 m×20 m（宽×高），堰顶高程为506 m。采用消力戽消能，消力戽底板高程为450 m，末端布置有挑坎。底孔位于大坝中部，共2 孔，孔口尺寸为7 m×8 m（宽×高），进水口底坎高程473 m，采用挑流消能，末端为半径40 m 的反弧，戽底设置差动坎，反弧挑角25°，挑坎弧长为64.5 m。二道坝在大坝下游约200 m 处，坝顶高程465 m，在二道坝前形成水垫塘，以保证小流量时溢洪道消力戽末端产生淹没。原设计方案阿扎德帕坦水电站枢纽布置如图1 所示，表、底孔剖面如图2 所示。

图1 阿扎德帕坦水电站枢纽平面布置图

2 研究线路

阿扎德帕坦水电站泄水建筑物集中布置在主河道且表孔和底孔采用“七表二底”方案，泄洪单宽流量较大，最大单宽流量为335 m3∕（s·m），考虑洪峰流量大、下游水深较大的特点采用戽流消能，坝址两岸河谷狭窄抗冲能力较差，下游河道消能防冲问题较为严重。通过整体水工模型试验和数学模型模拟计算，对枢纽布置方案及各个泄洪消能建筑物的布置形式和结构尺寸的合理性进一步研究验证，优化消能设施及泄水建筑物开启运用方式，为工程设计和运行管理提供科学依据。阿扎德帕坦水电站水工模型试验研究通过建立物理模型试验和数学模型（采用FLOW-3D 软件）计算相结合的综合技术手段开展，对各典型工况消能工消能效果及下游河道水流流速分布及流态进行了模拟研究。

整体水工模型对原设计方案的泄流能力及消能流态进行了试验验证，优化方案1 针对原设计方案出现的问题对泄水建筑物进行了优化调整，在表孔末端增设宽尾墩及扩展消力戽挑坎段出流宽度。优化方案3 在优化方案2（数模计算）的基础上对建筑物消能工的体型进行了进一步优化改进，改为宽尾墩加戽式消力池消能方式，取消二道坝布置（本文各方案流态描述以10 000 年一遇洪水工况为主）。

图2 原设计方案表、底孔剖面图（单位：m）

3 试验研究成果

3.1 原设计方案

10 000 年一遇洪水工况，表、底孔联合敞泄流量29 600 m3∕s，上游水流平顺的进入表孔，经WES堰流入消力戽，进而进入消力池。由于受边墙收缩影响，挑坎处水流折冲对撞，随着流量的加大，水流在消力戽内翻滚更加剧烈，流态更加紊乱，水流亦翻越消力池两侧平台。水流在消力池内的消能效果较差，在二道坝位置形成水跌快速流向下游，河道消能防冲压力较大。

3.2 优化方案1

基于原设计方案存在的下泄单宽流量大和消力池消能效果较差的问题，对原方案进行了初步优化，即在表孔闸墩墩尾增设宽尾墩和消力戽挑坎位置横向扩宽15 m，挑坎弧长为79.5 m。宽尾墩收缩比为0.5，出口净宽7.0 m，顺水流方向长15 m，墩尾宽3.5 m，取消戽底差动坎。

10 000 年一遇洪水工况试验，上游库区水面平稳，水流平顺的进入表孔，水流在堰顶处流速最大为16.74 m∕s，宽尾墩末端最大表流速为22.72 m∕s，底 流 速 为18.95 m∕s。受 边 墙 收 缩 影响，挑坎处水流折冲对撞，水流在消力戽内翻滚剧烈，流态紊乱，水流翻越消力池两侧平台。水流在消力池内消能效果较差，在二道坝位置形成水跌快速流向下游，在二道坝后60 m 处流速达到最大，下游河道消能防冲压力较大。二道坝顶流速呈表大底小分布，水流最大流速为17.53 m∕s。0+260 断面主流最大表流速为17.85 m∕s，相应位置底流速为10.41 m∕s；0+400 断面主流最大表流速为11.35 m∕s，相应位置底流速为4.90 m∕s；0+500 断面主流最大表流速为10.02 m∕s，相应位置底流速为5.87 m∕s。10 000 年一遇洪水工况水流流态如图3 所示。

图3 优化方案1——10 000年一遇洪水流态

优化方案1 与原方案相比，增设宽尾墩后坝下整体水流流态及流速分布均有所改善，但整体消能效果仍然不理想，下游河道主流区最大速度超过10 m∕s，河道右岸及河谷部位易受到冲刷破坏，需要对建筑物消能工的体型进一步优化。

3.3 优化方案2

优化方案2 保留了优化方案1 在表孔布置宽尾墩的消能方式，宽尾墩收缩比为0.5，收缩段长度15 m，将出口挑坎弧长增至99.4 m，以增加消力池规模，减小下泄水流的单宽流量，改善消能效果。优化方案2 采用FLOW-3D 流体计算软件进行了数值模拟，网格划分采用笛卡儿正交结构网格，网格总数约1 500 万个，研究了该方案在不同工况下的泄洪消能效果。

10 000 年一遇洪水工况下泄水流表层翻滚剧烈，各表孔下泄水流在戽坎出口处折冲对撞，随后一起流入下游消力池。水流在堰顶处流速最大为11.80 m∕s，宽尾墩末端最大表流速为24.08 m∕s，最大底流速为26.49 m∕s。水流经戽流消能出池流速有所减小，二道坝上水流最大流速为16.43 m∕s，水流在二道坝后形成水跌流向下游河道。下游河道中间水流流速较大，两侧流速较小，主流略偏向右岸。桩号0+260 断面最大流速为12.71 m∕s，桩号0+400断面最大流速为9.97 m∕s，桩号0+500 断面最大流速为9.47 m∕s。该工况泄洪流态及流速见图4、5。

图4 优化方案2——10 000年一遇洪水流态

图5 戽式消力池消能断面流速分布图

图6 优化方案3——表、底孔剖面图

相比优化方案1，优化方案2 戽坎弧长有所增大，但由于戽斗内空间较小，水流无法充分旋滚碰撞消能，消能效果整体改善不大，消力池出池流速仍然较大。

3.4 优化方案3

优化方案1 和优化方案2 与原方案相比坝下整体水流流态及流速分布均有所改善，但仍然不理想，下游河道主流区最大速度超过10 m∕s，河道右岸及河谷部位易受到冲刷破坏，需要防护范围较大。在总结上述成果的基础上，查阅分析了与阿扎德帕坦项目特点类似的国内相关工程资料，并结合本工程实际，提出了“曲线重力坝+宽尾墩+扇形戽式消力池”的新型泄洪消能体型。

3.4.1 方案布置

优化方案3 宽尾墩收缩比、消力戽半径均减小，增设消力戽水平段、斜坡段，戽底高程降低，取消二道坝布置。重力坝布置成曲线形，夹角为33.975°。表孔布置在大坝底孔两侧，左侧3 孔，右侧4 孔。堰顶高程为506 m，WES 堰面堰面曲线方程为y=0.034 5×x1.85，下游坡度为1∶0.85，闸墩宽6.0 mm。本工程采用宽尾墩和戽式消力池联合消能方式，采用Y 形宽尾墩，收缩比为0.387。消力戽半径25 m，消力戽水平段长40 m，斜坡段（1∶2.5）长度25 m，戽坎长度5 m，消力戽总池长89 m，戽底高程为440 m，戽坎高程为450 m，出口挑角为21.8°。底孔布置不变，优化方案3 主要建筑物剖面布置如图6 所示。

3.4.2 10 000年一遇洪水工况流态

上游库区水面平稳，水流经WES 堰以17.98 m∕s 的底流速平顺的进入戽流消力池，由于闸墩尾部沿程逐渐加宽，迫使水流在墩间收缩，在宽尾墩的约束下，出墩折翼高度以下水流两侧束窄夹起在空中碰撞消能形成片状水舌，表层水流有横向扩散，以三角形的断面形式与下部水舌相接，整体看形成一个类似“Y”形的水舌射入戽流消力池，水舌横向宽度由上到下由厚变薄。表孔水舌较厚，此工况下水舌挑距约为50 m，水流在宽尾墩末端最大流速大于30 m∕s。

水流经底孔抛射而出和表孔水流一起射入戽流消力池，底孔水流水舌挑距约60 m，横向扩散宽度约40 m。此工况出底孔水舌有稍许破碎，水流掺混明显，砸到戽流消力池水面激起较大浪花，戽流消力池内翻滚紊动，水花四溅，形成乳白色泡沫经戽坎向下游扩散。水流在戽坎上左侧位置表流速为6.61 m∕s，相应位置底流速为12.51 m∕s；中间位置表流速为6.64 m∕s，底流速为14.43 m∕s；右侧位置表流速为7.03 m∕s，底流速为12.96 m∕s。由此可见，此工况下在戽坎断面，水流流速分布垂向分层明显，横向分布相对均匀，最大流速相比前述方案有所减小。0+200 断面主流最大表流速为7.40 m∕s，相应位置底流速为9.22 m∕s；0+300 断面主流最大表流速为8.46 m∕s，相应位置底流速为6.59 m∕s；0+400 断面主流最大表流速为9.22 m∕s，相应位置底流速为8.73 m∕s；0+500 断面主流最大表流速为9.36 m∕s，相应位置底流速为9.17 m∕s。相比前述方案，水流最大流速减小，流速分布均匀，10 000 年一遇洪水工况水流流态如图7 所示。

图7 优化方案3——10 000年一遇洪水流态

3.4.3 下游冲坑试验

根据工程地质资料，基岩的抗冲流速为4～5 m∕s，表面覆盖层的抗冲流速为1 m∕s，试验根据抗冲流速选取相应砂石进行模拟。50 年一遇洪水工况下层基岩略有冲刷，冲刷较深点在坝下0+400 断面上，高程为444.60 m；1 000 一遇洪水工况冲坑最深点位于坝下0+415 断面与河床中心线的交点，高程为443.8 m；10 000 年一遇洪水工况冲坑最深点位于坝下0+420 断面与河床中心线的交点，高程为443.0 m，最大冲坑深度约7.0 m。

4 结 语

（1）阿扎德帕坦水电站工程具有典型的大流量、高尾水的技术特点，表孔堰顶最大单宽流量为335 m3∕（s · m），坝址两岸河谷狭窄抗冲能力较差，下游河道消能防冲问题较为严重。原设计方案采用戽流消能方式，并在下游设置二道坝抬高下游水位，试验研究表明泄洪流态差、消能效率低。

（2）经过多个方案的优化比选，汲取类似的国内工程成功经验，并结合本工程实际，提出了“曲线重力坝+宽尾墩+扇形戽式消力池”的新型泄洪消能体型，通过试验验证，戽式消力池内形成稳定三元水跃，水流内部的紊动剪切和混掺作用加强，消能效果较好，与下游水流平顺衔接，各项水力指标均能满足要求。

（3）该体型具备增大溢流前沿、开挖量小、消能效率高、提高下游界限水深范围和减轻下游冲刷等优势，可在同类工程中推广应用。