梅山水库新洞总布置试验研究

2012-08-07郑开发周正旭潘俊青王久晟

治淮 2012年1期

郑开发周正旭潘俊青王久晟

（1梅山水电站六安 237300 2安徽省·淮委水利科学研究院蚌埠 233000 3安徽省水利水资源重点试验室蚌埠 233000）

1 概述

梅山水库新泄洪隧洞（以下简称新洞）具有以下几个较为突出的特点：泄流量大、消能防冲负担重，强烈的冲刷很可能导致新洞出口建筑物失稳，影响新洞的安全运行；新洞进口出现强烈的吸气漏斗漩涡；出口水深、流速较大无法采用底流消能；出口距发电厂房和升压站均较近，采用常规的挑流消能，使得出口水流的消能集中在很小的空间内完成，可能导致厂房尾水出现较大的波动，增大厂房、升压站出现雾化的可能性，影响厂房和升压站的正常运行；受原地表建筑物和地形的限制，新洞出口宽度及高度调整的空间极为有限。以上问题大大增加了梅山水库新洞的设计难度。

2 新洞轴线方案比选

2.1 原布置方案及修改方案轴线布置

方案一：原布置方案，进口A点坐标为（-169.970，-192.594）、出口 B点坐标为（92.860，82.733）。该方案泄洪洞轴线与连拱坝轴线夹角为43.67°，洞出口距发电厂房71.50m，距对岸直线距离为401.29m。该方案的另一特点是洞轴线从两个高压线塔之间穿过，施工时不会干扰发电及供电。

方案二、三：考虑到方案一中洞出口距厂房约71.50m，为不影响厂房发电，洞出口不宜向上游偏移。出口下游约25m即为升压站平台，洞出口向下游偏移的空间不大，方案二、三中A点坐标不变，B点沿正北方向分别向下游偏移10m、20m。

2.2 试验结果

为消除溢洪道出流对新洞出流的干扰，保证常遇工况下新洞单独运行时对厂房发电的影响较小，选取汛限水位单开新洞的运行工况进行方案比选。采用设计洪水工况单放新洞进行验证（虚拟工况，目的是将三个方案的差别变得更为明显）。

方案一：0+100～0+200段主流偏左，至0+300断面主流开始偏右，至二号桥前流速分布已趋于均匀；0+020～0+280段右侧河道出现宽约90m的顺时针回流区，最大流速-2m/s，厂房前横向流速达0.30m/s。

方案二：0+100～0+300段主流偏左，至0+400段主流略偏右，至二号桥前流速分布已趋于均匀；0+020～0+280段右侧河道出现宽约110m的顺时针回流区，流速-2～-3m/s，厂房前横向流速达0.25m/s；0+180～0+310段左侧岸坡出现宽约30m的逆时针回流区，回流流速达-0.5m/s。

方案三：0+100～0+400段主流偏左，至二号桥流速分布已趋于均匀；0+020～0+220段出现宽约100m的顺时针回流区，最大回流流速-3.03m/s，厂房前横向流速达0.30m/s；0+180～0+250段左侧岸坡出现宽约30m的逆时针回流区，回流流速达-1m/s。

设计洪水工况单放新洞时下游流态与汛限水位规律一致，仅流速值发生了相应的变化，此时三个方案右岸岸坡最大流速值为2.41m/s，新洞出流均不会对对岸造成冲刷或破坏。

三个方案下游总体流态差别不大，对厂房的影响均较小。考虑到洞出口下移后，洞长及拆迁量略有增加，洞出口距升压站更近，出口水流雾化对升压站的影响更大，因而建议选用方案一。

3 新洞进口方案比选

原布置方案各主要工况新洞进口前均出现吸气漏斗漩涡，主要由表面环流透发而成，增加有压洞长度使有压洞内压坡线变缓、清除右侧山体和修改洞口顶曲线。改善进流条件等手段对消除漩涡均无明显作用，需在洞前增设浮箱式消涡格栅，进口方案优化试验，主要在单体模型中进行。

新洞进口各工况门井前1～5m范围均出现吸气漏斗漩涡，漏斗尾部已伸入有压洞内，须经过修改试验予以消除。

方案一：在事故门槽后增加10m平洞，将有压段加长；

方案四：为进一步改善入流条件，清除右侧山体；

方案五：在洞前增加截面0.25m×0.25m、净间距0.5m的消涡梁构成的消涡格栅；

方案六：在洞前增加截面0.5m×0.5m、净间距0.8m的消涡梁构成的消涡格栅。

经试验，方案一～方案四均未消除新洞进口前的吸气漏斗漩涡，方案五、六均能有效地防止吸气现象的发生。其中方案五消涡梁净间距不得大于0.5m，方案六消涡梁净间距不得大于0.8m；消涡格栅横向宽度不小于20m，顺水流向不小于5m。消涡格栅平面布置决定了消涡效果，梁截面高度可根据构造等要求确定。另外，建议采用随水位上下浮动的消涡格栅。

最终选定的消涡格栅在整体模型中进行了验证，各主要工况下新洞进口水流平顺，仅在消涡格栅内偶尔出现很小的短历时游移漩涡，未出现吸气漏斗，格栅消涡效果良好，其布置见图1。

4 新洞出口方案比选

4.1 新洞出口方案概述

新洞出口方案主要做了以下几个方案的比较：原布置方案、修改方案一、修改方案二和终结布置方案共四个方案，各方案的主要技术指标见表1。

4.2 试验成果

4.2.1 原布置方案

由于出口流速过大，原布置方案中1m深消力池内未形成水跃，消力池尾坎起到挑流鼻坎的作用，挑流水舌贴下游水面抛出，各工况最大挑距均在50～70m左右，水舌落点平面呈扇形。

4.2.2 修改方案一

汛限水位新洞单独泄流时，新洞出流沿新洞轴线方向顶冲对岸，顶冲处在0+300的断面附近，顶冲点处流速达5.13m/s。Ⅰ区回流面积约90m×200m，最大回流流速为-1.94m/s；Ⅱ区回流面积约90m×250m，最大回流流速为-4.38m/s；Ⅲ区回流面积约20m×50m，最大回流流速为-0.40m/s；Ⅳ区回流面积约40m×70m，最大回流流速为-0.30m/s。

正常高水位时，新洞出流沿新洞轴线方向顶冲对岸，顶冲处在0+300的断面附近，顶冲点处流速达5.25m/s。Ⅰ区回流面积约80m×240m，最大回流流速为-1.65m/s；Ⅱ区回流面积约90m×250m，最大回流流速为-3.58m/s；Ⅲ区回流面积约20m×50m，最大回流流速为-0.50m/s；Ⅳ区回流面积约40m×70m，最大回流流速为-0.33m/s。

设计洪水溢洪道与新洞联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约90m×250m，最大回流流速为-2.73m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流区回流面积约100m×230m，最大回流流速为-3.35m/s；Ⅳ区回流面积约40m×70m，最大回流流速为-0.80m/s。新洞主流基本未受溢洪道主流影响，两者交汇于0+250断面，0+500河道断面以下流速已基本均匀分布。

表1 新洞出口方案比较

校核洪水溢洪道与新洞联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约80m×240m，最大回流流速为-3.50m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流面积约100m×210m，最大回流流速为-3.33m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.75m/s。新洞主流基本未受溢洪道主流的影响，两者交汇于0+250断面，0+500河道断面以下流速已基本均匀分布。

修改方案一汛期水位、设计洪水、校核洪水时新洞后冲坑最深点高程分别为58.7m、54.4m、52.8m，相应的最大冲坑深度为7.3m、11.6m、13.2m，冲坑最深点距箱涵出口分别为32.6m、25.6m、24.8m，由冲坑最深点计算所得的冲坑后坡分别为1∶4.47、1∶2.21、1∶1.88，该方案各工况冲坑最陡处出现在冲坑最深点上游，最大分别达1∶2.97、1∶1.83、1∶1.33，冲刷坑可能危及新洞出口安全。

4.2.3 修改方案二

汛限水位新洞单独泄流时，新洞出流扩散良好，主流略偏向新洞中心线下游，未明显顶冲对岸，Ⅰ区回流消失；Ⅱ区回流面积约100m×370m，最大回流流速为-2.55m/s；Ⅲ区回流面积约30m×50m，电厂尾水处最大回流流速为-0.42m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.44m/s。至0+500断面以下流速基本均匀分布。

正常高水位时，新洞出流扩散良好，主流略偏向新洞中心线下游，未明显顶冲对岸，Ⅰ区回流消失；Ⅱ区回流面积增大，约100m×330m，最大回流流速为-3.59m/s；Ⅲ区回流面积约20m×50m，最大回流流速为-0.40m/s；Ⅳ区回流面积约40m×70m，最大回流流速为-0.43m/s。

设计洪水溢洪道与新洞联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约80m×240m，最大回流流速为-1.99m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流区面积约100m×230m，最大回流流速为-3.27m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.82m/s。新洞主流未明显受溢洪道主流的影响，两者在0+250断面交汇，至0+500断面以下流速已基本均匀分布。

校核洪水溢洪道与新洞联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约80m×220m，最大回流流速为-1.56m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流区面积约100m×200m，最大回流流速为-3.59m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.78m/s。新洞主流未明显受溢洪道主流影响，两者在0+250断面交汇，至0+500断面以下流速已基本均匀分布。

汛限水位、设计洪水、校核洪水时，新洞后冲坑最深点高程分别为60.0m、56.4m、55.5m，相应的最大冲坑深度为6.0m、9.6m、10.5m，冲坑最深点距箱涵出口分别为34.3m、32.4m、33.4m，对应的冲坑后坡分别为1∶5.71、1∶3.38、1∶3.18，满足规范规定冲坑后坡缓于1∶3的要求。

4.2.4 终结布置方案

汛限水位新洞单独泄流时，新洞出流扩散良好，主流略偏向新洞中心线下游，未明显顶冲对岸，Ⅰ区回流面积约80m×250m，最大回流流速为-1.63m/s；Ⅱ区回流面积约80m×230m，最大回流流速为-2.34m/s；Ⅲ区回流面积约30m×50m，电厂尾水处最大回流流速为-0.39m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.32m/s。至0+500断面以下流速基本均匀分布。

正常高水位时，新洞出流扩散良好，主流略偏向新洞中心线下游，未明显顶冲对岸，Ⅰ区回流面积约80m×160m，最大回流流速为-1.41m/s；Ⅱ区回流面积约85m×240m，最大回流流速为-2.71m/s；Ⅲ区回流面积约20m×50m，最大回流流速为-0.48m/s；Ⅳ区回流面积约40m×70m，最大回流流速为-0.34m/s。

设计洪水溢洪道与新洞联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约70m×170m，最大回流流速为-2.19m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流区面积约100m×270m，受溢洪道影响，最大回流流速为-10.22m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.78m/s。新洞主流未明显受溢洪道主流影响，两者在0+250断面交汇，至0+500断面以下流速已基本均匀分布。

联合泄洪时，Ⅰ区回流面积约50m×160m，最大回流流速为-2.66m/s；Ⅱ、Ⅲ区回流融为一体，回流区面积约100m×220m，最大回流流速为-3.35m/s；Ⅳ区回流面积约40m×60m，最大回流流速为-0.82m/s。新洞主流未明显受溢洪道主流影响，两者在0+250断面交汇，至0+500断面以下流速已基本均匀分布。

终结布置方案汛限水位、设计洪水、校核洪水时，新洞后冲坑最深点高程分别为62.4m、60.2m、58.9m，相应的最大冲坑深度为3.6m、5.8m、7.1m，冲坑最深点距箱涵出口分别为76.1m、100.8m、107.4m，对应的冲坑后坡分别为 1∶21.14、1∶17.38、1∶15.13。满足规范规定冲坑后坡缓于1∶3的要求。