石江涛 刘宇

【摘 要】猴子岩电站非常泄洪洞由导流洞改建而成，非常泄洪洞体型的合理性及抗空化性能的好坏直接关系到该工程能否安全运行。本文通过研究，在常压模型试验的基础上，采用有压洞塞式泄洪洞改建方案；并通过减压模型试验，提出了“垂直射流+直弯洞塞+水平洞塞组”的消能模式，确定非常泄洪洞的最终体型。减压模型试验表明，该体型的抗空化性能满足工程要求。这一成果，为导流洞改建泄洪洞的推广应用开辟了新的途径。

【关键词】猴子岩 泄洪洞 减压模型 体型

1.前言

猴子岩水电站坝址位于四川省甘孜藏族自治州康定县孔玉乡，部分库区位于甘孜藏族自治州丹巴县和阿坝藏族羌族自治州小金县境内。是大渡河水电规划“三库22级”的第9级电站，上接丹巴水电站，下接长河坝水电站。

大渡河徑流丰沛，洪峰流量大，猴子岩水电站坝址处多年平均流量约774m3/s，年径流量244亿m3，相当于黄河径流量的51倍。

电站的设计洪水为千年一遇，洪峰流量7550 m3/s，校核洪水为最大可能洪水（PMF），洪峰流量9940 m3/s，最大泄洪水头约135m，总泄洪功率约为13000MWs。

猴子岩水电站泄洪具有“水头高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。综合考虑猴子岩水电站地形地质条件、泄洪、导流建筑物布置条件、技术风险、施工条件、建筑物直接投资等因素，泄洪放空建筑物由1条溢洪洞、1条深孔泄洪洞、1条非常泄洪洞（由1#导流洞改建）和1条泄洪放空洞组成。

非常泄洪洞布置在左岸，由1#导流洞改建而成，布置上利用一条竖井连接泄洪洞与导流洞，最大泄量约1600m3/s，出口流速约20m/s。非常泄洪洞体型是否合理、是否具有足够的抗空化能力，是猴子岩水电站导流洞改建泄洪洞关键技术问题。

2.导流洞改建泄洪洞型式研究

根据猴子岩水电站枢纽布置，借鉴国内外相关工程经验，并结合猴子岩工程布置条件及泄量要求，本工程不宜采用龙抬头和竖井旋流消能形式。

本文重点研究了水平旋流消能型式和有压洞塞消能方式。国内外水平旋流和有压洞塞工程运用情况见表1。

水平旋流和有压洞塞工程运用表

表1

工程

名称 国别 坝型 泄洪洞最 大泄量 （m3.s-1） 水头 型式 说 明

买加 加拿大 土石坝 850 186 有压洞塞 已建

小浪底 中国 堆石坝 1500 150 有压孔板 已建

特里 印度 堆石坝 1820 203 水平漩流 已建

罗贡 俄罗斯 土石坝 1980 250 水平漩流 已建

公伯峡 中国 堆石坝 1060 110 水平漩流 已建

猴子岩 中国 土石坝 1600 128

2.1有压洞塞式泄洪洞研究

（1）有压洞塞式泄洪洞布置

有压洞塞式泄洪洞由短压力进口、上平段、上弯段、竖井段及下平段（与导流洞结合段）组成。

进水口型式为短压力进口，平板门挡水，工作闸门孔口尺寸为9m×11m（宽×高），进口闸底板高程1786.00m。

上平段长199.542m，竖井和上平段均采用圆形断面，直径11m，竖井与下平段相交处为直弯洞塞，直弯洞塞内径10.2m。

下平段为与导流洞结合段，导流洞为城门洞形断面，断面尺寸为13m×15m（宽×高）。下平段内共设置三级洞塞，，第一级洞塞在导流结束后改建为直径12m的圆形断面，第一级洞塞以后，洞塞处需局部改建，其余洞段完全利用导流洞断面。泄洪洞出口设置突缩段，出口采用压坡，压坡孔口高7.5，宽11m。

（2）有压洞塞泄洪常压模型试验

有压洞塞式泄洪洞采用有压流突缩突扩的消能方式。该型式的体型结构相对简单，运行情况平稳。

有压洞塞式泄洪洞常压模型试验成果表明：

① 导流洞改建泄洪洞是可行的。上弯段压力分布的详细测量表明，上弯段的防空化性能有充分的保证。上弯段的最小水流空化数为1.15。

② 泄流能力满足设计要求。

③ 直弯洞塞水流特性、消能效果均很好，整个泄洪洞为有压流，没有出现不良的水流流态。

④ 有压洞塞方案从沿程的时均压力图表明，各级洞塞在洞塞进口处压力突减，然后再突然增大后会迅速降低，最小压力都出现在洞塞出口之后，各级洞塞能消能充分。

⑤ 各级洞塞的水流空化数满足不产生空化空蚀破坏的要求。

2.2水平旋流式泄洪洞研究

（1）水平旋流式泄洪洞布置

水平旋流式泄洪洞由短压力进口、上平段、上弯段、竖井段及下平段（与导流洞结合段）组成。

水平旋流式泄洪洞进水口型式为短压力进口，平板门挡水，工作闸门孔口尺寸为9.5m×9m（宽×高），进口闸底板高程1786.00m；上平段、上弯段为圆形断面，直径9.5m；竖井段为渐变段，由圆形渐变为矩形，矩形出口尺寸为12m×5.25m（长×宽）。

下平段为与导流洞结合段，由水旋段、旋流阻塞渐缩段、突扩段组成。水旋段和旋流阻塞渐缩段利用导流洞改建，而突扩段完全利用导流洞断面。

水旋段始端设置通气孔，直径1.44m，并设置增压带，以消除起旋器低压区的负压。无压明流段设置11个排气洞。

泄洪洞出口：下游水位高于出口洞顶，洞内存在气压，为了控制出口气爆等不利影响，在出口设置排气洞。

（2）水平旋流式泄洪洞常压模型试验

经过多方案优化，水平旋流式泄洪洞解决了消能和排气问题，其常压模型试验成果表明：

① 有压进水口、上平段和竖井洞段为有压流，流态稳定。水平旋流洞壁面压强和旋流水流流速增大，通风孔转为吸气状态，通风顺畅，旋流洞内消能效果好，流态稳定。阻塞孔口后的突扩旋转出流对导流洞四周壁面冲击力度增大，并且导致衔接段导流洞的振动开始增大，水流随旋转惯性作用绕壁面旋转下泄。随后气体随沿程逐渐析出水面。后接导流洞基本为满流形式下泄，流态稳定。

② 泄流能力满足设计要求。

③在导流洞壁面冲击点附近有虚负压产生，该区域水气掺混充分，掺气浓度高，基本不会产生空蚀破坏，但须对其结构进行处理，增强抗冲抗空蚀性能。

④在旋流阻塞突扩段平均流速在25.75m/s～29.35m/s之间。因掺气浓度高，消能效果明显，随后导流洞内的流速快速减小。

④在水平旋流洞直线段各水流空化数K随沿程波动变化，大于水流空化数临界值0.3，旋流洞内不会产生空化现象。阻塞段水流空化数K随沿程降低，局部水流空化数小于空化临界值为0.3，表明该段有可能发生空化现象。

3.3导流洞改建泄洪洞型式选择

常压模型试验表明，水平旋流式泄洪洞和有压洞塞式泄洪方案技术上都是可行的。

水平旋流式消能方案具有洞内压力相对较低、消能率高的优点。但主要存在以下不利因素：

① 起旋器部分位置有负压，可能引起空蚀；

② 旋流段由于旋转水流的高速旋转运动，切向流速增大，对施工质量要求较严；

③ 消能主要在阻塞段至突扩段，该段水流流态非常紊乱，容易空蚀空化及引起振动。

④ 下游尾水位较高，洞内无法保持明流流态，掺入水体的大量气体不能从洞口顺利排出，这就需要增加专门的进排气设施，该结构较复杂，改建工程量大，改建工期较长。

有压洞塞式消能方案采用直弯洞和三道水平洞塞利用水流的突缩突扩作用消能，出口收缩段与下游平顺连接，在整个洞内形成有压流系统，结构简单。

该消能方式流态稳定、水流参数易于控制结构强度高，消能特性好。买加坝自70年代运行至今，未见发生空蚀破坏的报道。

综合考虑，猴子岩非常泄洪洞采用有压洞塞消能方案。

3.有压洞塞式泄洪洞减压模型试验研究

为保证泄洪洞有足够的抗空化富余度、更有利于提高消能率及降低水平洞段前部的压力，在常压试验推荐体型基础上进行了减压模型试验研究。本次试验经过多方案的试验比较，提出了“垂直洞塞+直弯洞塞+水平洞塞组”的消能模式，即：竖井直径为12m，竖井段设一级收缩洞塞，洞塞出口直径为8.5m，同时直弯洞塞的进、出口直径均为12m，直弯出口无突扩，水平段洞塞设五级水平洞塞组，其出口直径分别为8.4m、8.7m、9.2m、10.0m及10.2m（详见图1～图2）。

试验结果表明，在校核水及汛限水位下各洞塞段均没有出现空化，该体型满足工程需要。

4.結论

本文通过研究，在常压模型试验的基础上，确定采用有压洞塞式泄洪洞改建方案；并通过减压模型试验，提出了“垂直射流+直弯洞塞+水平洞塞组”的消能模式，确定非常泄洪洞的最终体型。减压模型试验表明，该体型的抗空化性能满足工程要求。

作者简介：

1. 石江涛（1974～ ），男，四川筠连人，工程硕士，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，高级工程师，主要从事水工结构设计工作

2. 刘宇（1982～ ），女，四川南充人，工程硕士，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，工程师，主要从事水工结构设计工作

图2 泄洪洞竖井段详图