几内亚苏阿皮蒂水利枢纽泄流底孔的水力学研究

罗 畅，徐 威，杜少磊，张文皎

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

几内亚苏阿皮蒂水利枢纽是孔库雷河(Konkouré)干流河段水电规划的第二个梯级，水库总库容74.89亿m3，装机容量450 MW，多年平均发电量2 016 GWh。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程215.50 m，坝顶长度1 164 m，最大坝高120.5 m。工程为Ⅰ等大(1)型，大坝按1 000年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核，正常蓄水位210 m，设计洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，极端最高洪水位214.42 m，校核洪水位枢纽总下泄流量为4 458 m3/s，溢流坝下泄流量为2 410 m3/s，泄洪底孔泄量为2 048 m3/s。枢纽建筑物主要包括碾压混凝土重力坝、溢流坝、泄流底孔、发电引水坝段、发电厂房等工程。

泄洪底孔坝段长25.00 m，坝顶高程215.50 m，坝顶宽19.20 m。泄流底孔左侧为导流底孔坝段和厂房坝段，右侧为溢流坝段(见图1)。泄流底孔为短有压进口的坝身无压泄水孔，分为2孔，进口体型为椭圆曲线，进口底坎高程130 m，进口段后设置5.0 m×7.0 m(宽×高)事故检修门和5.0 m×6.0 m(宽×高)弧形工作门各一道，压坡段位于弧形闸门上游，坡度为1∶4.5。事故检修门与弧形闸门之间布置钢衬。钢衬与混凝土之间的缝隙的渗水用型钢集水槽收集后通过排水管流向下部的基础廊道。工作弧门后设置1.2 m高的跌坎，边墙两侧各设0.5 m的突扩，跌坎内埋设2个直径0.9 m的通气钢管掺气，跌坎后为底坡1∶10泄槽，泄槽长64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半径28 m，挑流鼻坎挑角30°，鼻坎顶高程为125.958 m。

1 泄流能力

泄流底孔为短有压进口的坝身无压泄水孔，泄流能力按重力坝设计规范推荐的公式进行计算，并与模型试验的结果进行比较(见表1)。

表1 泄洪底孔泄流能力计算值与试验数据表

可以看出，计算值与模型试验的结果基本一致，试验值比计算值稍大。

2 掺气减蚀

泄流底孔最大运行水头83.56 m，泄槽最大流速超过35 m/s，高速水流和空化空蚀问题比较突出。有压出口段多采用侧向突扩、底部突跌的掺气设施，水舌离开门座后沿竖直与水平两个方向扩散，在一定条件下可形成相互贯通的侧空腔和底空腔，使水流掺气，对下游固壁形成保护，但也可能恶化流态，引发空化、空蚀等问题，其主要原因是进气不畅、过流边界的施工不平整度过大等。

根据《水工设计手册》推荐的突扩和跌坎体型参考尺寸，并参考其他工程的突扩突跌布置实例，泄流底孔弧门后侧扩的宽度为0.5 m，跌坎的高度为1.2 m。

模型试验对泄流底孔的掺气措施进行了验证，对突扩突跌后的水流流态，空腔长度，流道压力，通气孔风速，掺气浓度等进行了观测(见图2)。模型试验的结果表明，闸孔后突扩和跌坎体型能在左右两侧和跌坎处形成空腔，空腔范围随水位升高增大，两侧边墙水舌冲击处产生水翅。模型试验观测到上游水位150～180 m时，弧门出口两侧边墙水舌冲击处产生水翅，水位达到正常蓄水位和校核水位时水翅高度明显减小。各水位条件下两侧边墙水舌冲击处产生水翅均位于门铰下游，且未触及门铰，水位越高，产生水翅位置距离门铰越远。

图2 泄流底孔突扩突跌布置图

模型试验的结果表明，底板斜坡段的空腔末端位置，出现较小负压值，最大负压为0.42 m水柱，两边侧墙空腔末端位置，也出现较小负压值，最大负压为0.65 m水柱。底板水舌射流冲击区，底板压力出现一个峰值，而后压力值沿程减小，至挑流鼻坎反弧段由于离心力导致底板压力增大。校核洪水时射流最大冲击压力达到14.2 m水柱，反弧段最大压力达到21.7 m。底孔压力段压力分布均匀，且符合正常分布规律，体型设计合理。

模型试验观测正常蓄水位和校核洪水的工况下均形成稳定而完整的空腔，正常蓄水位底空腔长度约25.5 m，左右侧通气孔风速为15.84 m/s和16.40 m/s，校核水位底空腔长度约26 m。左右侧通气孔风速为16.73 m/s和16.42 m/s。

模型试验对正常蓄水位和校核洪水的工况下的掺气浓度进行了测量，下游底部水流掺气浓度沿程衰减，至跌坎下游约70 m远处掺气浓度仍接近3%，鼻坎末端大于3%，表明掺气设施对泄槽斜坡段具有较好的掺气保护能力。由于水流出闸孔后受体型突扩影响，水舌在侧向增加掺气，水舌冲击侧墙后也形成充分掺气。模型试验的结果表明掺气减蚀设施可形成稳定而完整的空腔，对底孔明流斜坡段具有较好的减蚀保护效果。

3 挑流消能

在中、高水头的泄水建筑物中，下泄水流的动能较大，工程中常采用挑流消能的方式，其特点是：泄水建筑物泄放的高速水流为挑坎所导引，将水流先抛射到空中，水流在空中掺入大量空气，形成逐渐扩散的水舌，然后在距坝趾较远处落入下游水垫中；水舌在水垫中继续扩散，并在主流前后形成两个大漩流，同时消散大部分动能；当扩散水舌的冲刷能力大于河床抗冲能力时，河床变形，形成冲刷坑，直至水流的冲刷能力小于河床抗冲刷能力时，冲刷坑才能保持稳定状态。

当泄水建筑物下游地质条件较好时，为充分利用下游河道的抗冲刷能力，采用挑流消能方式是比较经济合理的。挑流水舌在空中受大气的拖曳和卷吸作用发生破碎，并在与下游水体碰撞时产生激溅，雾化降雨难以避免。考虑到苏阿皮蒂水利枢纽坝址位置河道较宽，地形坡度较缓，且距离发电厂房也有一定距离，泄洪雾化对环境和重要建筑物不会产生太大影响，因此选择挑流消能作为泄流底孔的消能方式。

挑流消能水力计算的主要任务有：根据水力条件，确定挑坎体型、计算水舌挑距、估算冲刷深度等。

连续挑坎施工简便，不易空蚀，但其水流较集中，对下游河床冲刷不利，考虑到下游河床薄覆盖层以下为坚硬的辉绿岩，岩石的平均饱和抗压强度达170 MPa，抗冲刷能力较强，地质条件较好，泄流底孔泄槽末端挑坎采用连续扩散式挑坎。同时考虑泄流底孔右侧为溢流坝段，左侧为发电厂房，扩散也不宜太宽。

挑流消能的水舌挑距和冲刷深度根据重力坝设计规范推荐的公式进行计算，并与模型试验的结果进行比较(见表2)。

表2 泄洪底孔挑流消能挑距与冲坑深计算值与试验数据表

根据以上比较结果可以看出，挑距计算值与模型试验的结果基本一致，冲坑计算值与模型试验的结果差异较大。出现这种情况的原因，除了挑流水舌的表面和挑坎挑射角度不同，最重要的复杂因素是挑流水舌在空气中的掺气扩散作用，水舌挑离挑坎已经掺气，抛射到空气中后又进行掺气扩散，情况极为复杂。但是冲刷深度无论是计算值还是试验值，冲坑上游坡度均大于1/2.5，不影响坝趾基岩稳定，满足规范要求。

4 结 语

苏阿皮蒂水电站的泄流底孔承担宣泄洪水保证大坝安全的重要任务，其水力特性复杂，通过理论计算并通过模型试验的验证，泄流底孔的泄量计算值与模型试验结果基本一致，突扩突跌的掺气体型能够达到掺气减蚀的效果，挑流消能的计算结果与模型试验的结果稍有差异，但不影响坝趾基岩稳定。