三河口水利枢纽放空泄洪底孔体型优化研究

程汉鼎，毛拥政，赵 玮，王佐荣，李 红，王 芸

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710011）

1 概况

三河口水利枢纽大坝采用碾压混凝土拱坝,坝身设泄洪表孔、放空泄洪底孔和进水口等建筑物,坝体为抛物线双曲体型,坝顶高程为646 m,最大坝高141.5 m,坝顶宽9 m。枢纽大坝为1 级建筑物,故泄洪建筑物按1级建筑物设计,左、右放空泄洪底孔500 年一遇设计洪水时下泄流量为1540 m3/s,2000 年一遇校核洪水时下泄流量1560 m3/s。

三河口水利枢纽放空泄洪底孔主要任务是放空水库和分担泄洪,鉴于工程运行中存在的水头高、流速大、事故门槽和工作门槽结构相对复杂等特点,为解决高速水流下的空化空蚀问题及高水头弧门止水问题,在体型设计过程中,不仅借鉴了国内工程成功经验,还进行了整体水工模型试验,对初步确定的体型进行了优化研究,确保工程运行安全、可靠。

与国内同级别碾压混凝土拱坝相比较,三河口水利枢纽放空泄洪底孔泄洪时工作水头和泄量均处于前列,见表1。

表1 同类工程底孔特征参数对比表

2 放空泄洪底孔布置及体型设计

2.1 底孔布置

坝址区河谷呈“V”型发育,两岸地形基本对称,大部分区域基岩裸露。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。泄洪表孔采用浅孔布置,放空泄洪底孔相间布置在三个表孔之间,形成三表孔两底孔的布置格局。底孔为有压流,孔身断面为平底矩形,顶板为压坡形式。

2.2 底孔体型设计

放空泄洪底孔进口采用喇叭口型式,设置倾斜的检修闸门槽；中部有压流段为平底,孔身段为矩形断面,顶板为压坡形式；出口段采用偏心铰工作弧门,门槽为突扩突跌型,底坎左右两边设置圆形通气孔,采用带跌坎的窄缝挑流消能工。

放空泄洪底孔泄洪时最大水头94.7 m,最大流速高达40 m/s左右,高速水流带来的过流面抗冲耐磨及气蚀等问题突出,底孔过流面采用复合不锈钢板衬砌。

3 放空泄洪底孔体型优化

3.1 泄流能力及水流流态分析

根据施工图阶段水工模型试验成果,设计水位时实测底孔的泄量为1525.7 m3/s；校核水位时实测泄量为1544.1 m3/s,略小于设计泄量。库水位在563.00 m～577.20 m之间时,底孔进口前出现间歇性或持续性漩涡。另外,在底孔出口收缩作用下,底孔水舌呈直线纵向拉开,侧面呈扫帚状；尽管有出口边墩收缩的导向作用,但两孔水舌落点基本重合。针对“在底孔出口收缩作用下,水舌呈直线纵向拉开,侧面呈扫帚状,但两孔水舌横向没有完全分开,落点基本重合”的情况,拟将底孔内侧边壁延伸,使水舌方向偏向外侧,避免两底孔出口水舌落点重合,从而避免两底孔水舌碰撞带来的较强雾化和不稳定流态。

表2 放空泄洪底孔全开泄流能力试验值与设计值比较

3.2 底孔孔口体型优化

针对底孔泄流能力不满足设计要求和进口水流流态问题,从工程布置、造价及施工等多方面考虑,结合工程经验,确定了放空泄洪底孔孔口体型优化方案。

本次根据水力计算、整体水工模型试验和放空泄洪底孔减压模型试验成果,对放空泄洪底孔进口孔口尺寸、孔身段顶板压坡坡比、压坡段长度和坡比等进行了优化和调整,具体优化参数见表3。

表3 放空泄洪底孔孔口体型参数优化汇总表

放空泄洪底孔孔口体型优化降低了入口处流速,有利于改善进口处水流流态,有效解决了底孔进口前间歇性、持续性漩涡以及气蚀问题。

图1 放空泄洪底孔纵剖面图

图2 放空泄洪底孔平面图

3.3 突扩突跌掺气体型优化

弧形工作闸门开启时,水流经有压段后向左右两侧及底部扩散,在两侧突扩边墙后形成侧空腔,在底板突跌后形成底空腔,可对边墙及底板起到掺气减蚀保护作用[1]。在其运用水头范围内形成并保持一个稳定通气空腔,以保证向下游水流供气。力求使通过掺气设施的水流平顺,避免因设置掺气设施而恶化水流流态和抬高水面线,防止过高的水翅冲击弧门支铰大梁或增大冲击力[2]。

国内外众多工程均采用了突扩突跌及偏心铰弧门设施,采用的突扩体型宽度一般在0.4 m～0.8 m。本工程底孔出口弧门采用偏心铰弧门,弧门门槽为突扩突跌型,突扩宽度和突跌的高度不但要满足弧形闸门止水布置要求,还要形成稳定的空腔流态,与两侧空腔相互贯通,满足掺气减蚀要求。借鉴工程经验,本工程底孔突扩沿边墙两侧向外扩宽0.5 m,宽度变为5 m；底孔突跌高度采用1.0 m。通气孔尺寸越大,降低孔内风速效果越好,掺气效果越好,本工程在底坎两侧墙上设置直径为0.8 m的圆形通气孔。

3.4 出口消能体型研究

根据枢纽区地形地质条件、建筑物布置及工程泄洪特点等,本次选择窄缝挑流消能方式。即将泄水建筑物末端缩成窄缝,迫使水流横向收缩,形成窄而厚的射流,再经挑坎抛向空中,最后跌入下游水垫的消能方式。其特点是水流先在坎内被迫强行收缩,从窄缝挑坎射出后,在铅直向和纵向的扩散和在空中掺气比较充分,水流呈窄而长的条形分散落入较大范围的水垫中[3],撞击、紊动和摩擦等消能作用也发挥得比较充分。

底孔出口段为带跌坎的窄缝挑流消能工,为防止水流冲击弧门支承梁,收缩段置于支承梁下游,宽度由5.0 m渐变为2.0 m,收缩比为0.4。窄缝收缩采用不对称式,内侧收缩2.0 m,外侧收缩1.0 m[3]。

通过方案比较,确定底孔出口窄缝挑坎体型保持出口窄缝宽度不变,一侧边墙多收缩25 cm,另一侧少收缩25 cm,即保持收缩比不变、长度不变,微调出口体型；从空化特性方面分析,出口段空化问题由突扩跌坎造成,这部分体型未调整,保持原有空化特性不变；从水流特性方面看,出口窄缝段调整不影响上游边墙平直段空化特性。

图3 放空泄洪底孔出口立视图

图4 放空泄洪底孔出口窄缝断面图

4 水工模型试验成果

为了验证枢纽工程布置,泄洪建筑物的泄流能力、泄流流态及压力分布及下游消能防冲布置的合理性,分别进行了整体水工模型试验和减压模型试验等,研究对泄洪消能建筑物体型参数的优化。

4.1 底孔减压模型试验

为了论证放空泄洪底孔斜拉检修闸门槽和有压出口段空化特性,开展了底孔减压模型试验,模型比例尺为1∶40。根据检修闸门运行工况,弧形工作闸门全开为检修闸门槽不利情况,库水位越高,检修闸门槽处特征流速越高,越容易发生空蚀破坏。在校核洪水位、设计洪水位、正常蓄水位、汛限水位下,检修闸门槽段水流平顺稳定,门槽凹槽内无旋涡,门槽下游棱角和门楣棱角无分离水流,流态较为理想。门槽凹槽、门槽下游棱角及下游门楣棱角均无空化现象。

根据有压出口突扩跌坎门槽段空化特性初步试验结果,跌坎水流形态较好,掺气情况较为理想,跌坎体型满足工程要求。边壁突扩主流为清水,无掺气减蚀作用,这部分水流空化特性是减压模型试验的重点。试验时在底孔洞身布置了大量垂直升坎凸体,从上游到下游,从底板到顶板,再到边墙,高度分别为：6.8 mm、12.4 mm、20.0 mm。试验表明,凸体在各种工况下均未空化,说明该底孔空化性能优越,满足工程要求。

4.2 整体水工模型试验

为了论证在不同运行水位和工作闸门开度及放空水库等条件下,对表孔和底孔泄洪进行试验,尤其是关键部位的流态、流速等；并根据实验结果对表、底孔体型提出优化建议,模型比例尺为1∶60。

模型试验时采用不同方案进行了比较,将底孔内收缩面延伸3 m,试验放水效果不明显。之后,通过调整两底孔窄缝收缩宽度来调整水舌形态,采用内侧墩宽增加0.25 m、外侧墩宽减小0.25 m的方案水舌形态较好。

图5 校核洪水位底孔水舌轨迹图

在出口边墩收缩作用下,底孔水舌呈直线纵向拉开,侧面呈扫帚状,但两孔水舌横向没有完全分开,落点基本重合；校核工况和汛限水位水舌轨迹差别不大,水舌外缘挑距147.85 m左右,内缘挑距23.65 m左右,纵向入水长度124.20 m,实测底孔出口最大水流流速40 m/s左右。在出口边墩收缩的的导向作用下,两孔水舌接近平行,没有产生向心集中现象,各工况底孔顶板、底板所受压力均为正压,最大压力为72.20×9.8 kPa,位于底孔进口胸墙上。

5 结语

（1）根据水工模型试验对放空泄洪底孔体型进行了综合优化,优化后的过流流态和消能效果得到了明显的改善,满足工程正常运行需要。

（2）优化后工作弧门后的跌坎水流形态较好,掺气情况较为理想。水舌上面及下面的水翅掺气充分,掺气效果良好,能够起到掺气减蚀的效果。清水区、水翅区显著远离弧门支铰,水流不影响工作弧门运行。

（3）优化后的窄缝消能工利用水流紊动和碰撞、掺气和空气阻力消耗能量,又改变了水舌射程方向,使水流与下游河床主流一致,大大提高消能效果。

（4）水工模型试验表明,放空泄洪底孔体型优化设计合理。