简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】横向课题

【课题编号】水020374

【课题起止时间】2004年6月~2006年11月

【完成单位】水力学研究所

【主要完成人】孙双科、耿运生、姜  涵、柳海涛、夏庆福、王晓松、刘庆申　

立项背景

光照水电站是一座最大坝高200.5m的碾压混凝土重力坝，总装机容量1040MW，是北盘江干流的龙头梯级电站。枢纽控制面积13548km2，水库正常蓄水位745m，总库容为32.45亿m3，电站装机4台，总装机容量1040MW。该电站开发目标以发电为主，兼顾航运、灌溉及其它。为适应下游河道生态用水的需要，电站采用叠梁门式分层取水进水口布置型式。这是目前国内第一座实施分层取水的200m级大型高坝工程。

光照水电站泄水建筑物由坝身3个泄洪表孔和2个放空底孔组成。3个表孔布置在河床部位，为开敞式结构，最大总下泄流量为9857m3/s；两个底孔分别布置在表孔的两侧，设计最大总下泄流量为1640m3/s，最大净水头为105m，最大工作水头为85m。

从水力学角度看，光照水电站的泄洪消能问题十分突出，具有典型的“高水头、大单宽流量、窄河谷”泄洪消能技术特点。其中最主要的原因在于，因下游河道水面宽度仅65~70m左右，与泄水建筑物溢流前缘基本相当，因此挑流水舌归槽问题十分突出，且下泄水流的单宽流量很大，对下游河道冲刷与岸坡防护构成很大威胁。在可研阶段通过水工模型试验研究提出的大差动布置方案，下游河道冲刷情况比较严重，难以满足设计需要，迫切需要从泄洪消能方案上进行比较大的调整。

基于上述背景，受中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院的委托，课题组承担了“光照水电站泄洪消能水工模型试验研究”研究任务，对上述关键技术问题进行了专项研究。

详细科学技术内容

（1）提出新的泄洪消能布置方案，并进行整体水工模型进行试验验证与体型优化研究；

（2）论证取消二道坝的可行性；

（3）进行溢流表孔单体水工模型试验，重点研究溢流坝面的掺气减蚀问题；

（4）进行放空底孔单体水工模型试验，重点研究掺气坎与出口鼻坎的体型优化问题。

发明及创新点

（1）提出了对溢流表孔采用窄缝式消能工的泄洪消能优化布置方案。研究表明，该方案能够很好地适应光照水电站下游消能区河道狭窄的地形条件，基本上达到了“河道中心不冲基岩、两岸坡脚冲刷较小”的目的，成果已得到设计与工程运用。

（2） 经过对比试验研究，提出了取消二道坝的思路，得到设计与工程运用，据初步估算，可以节省工程投资1500万元。

（3） 对叠梁门式分层取水进水口的水力特性进行了全面的试验研究，并提出了中隔墩优化布置体型，相关成果均已得到设计与工程采用。

（4） 窄缝式消能工以往大多运用于岸边溢洪道或泄洪洞出口鼻坎上，在高坝溢流表孔上运用较少，光照水电站最大坝高200.5m，其溢流表孔采用窄缝式消能工已达国内最高水平，因而具有较高的学术价值与推广应用前景。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

我国的许多高坝工程，都存在“高水头、大流量、窄河谷”的技术特点，因而在泄洪消能布置上面临诸多挑战。根据国内外已有研究与工程实践经验，在解决此类技术问题方面，窄缝式消能工无疑是其中的一项重要选择方案。

作为收缩式消能工的一种形式，窄缝消能工是通过流道末端两侧边墙的急剧收缩，使水舌横向宽度迅速缩小形成“窄缝”，从而实现挑流水舌在空中的竖向扩散与入水时的纵向拉开，以减轻下游水垫单位面积上的泄洪功率；窄而高的挑流水舌，其掺气效果更为显著，也有助于提高消能效率。室内试验与工程实践的经验均表明，采用窄缝消能工可以大大减轻下游河道冲刷。

窄缝消能工的应用效果主要取决于收缩段的体型布置，主要包括收缩比b/B（B与b分别为窄缝挑坎收缩前后的泄槽宽度）、边墙的收缩角a＝atan((B-b)/L)（对称窄缝）或收缩段长度L、挑角q、以及边墙几何形状。根据前人的研究成果，可将窄缝消能工各参数的选择原则总结如下：1）收缩比b/B的一般取值为1/3～1/5，收缩比过小，容易因水舌外缘出射角过大而使挑流水舌顶部出现坍塌现象，反而使挑距缩短并恶化流态；2）边墙收缩角度的选择主要以“使因侧收缩而产生的冲击波交汇点尽可能靠近挑坎出口”为原则，一般取q＝8.5°～12.5°为宜，也可通过计算冲击波交汇点的位置而定；3）窄缝挑坎的挑角不宜过大，其取值范围一般为-10°～10°，以0°的水平挑坎居多；4）窄缝挑坎的边墙形式有直线、折线、弧线、曲线等不同类型，可根据工程特点与实际需要灵活采用。

本研究经优化研究提出的溢流表孔窄缝布置方案，基本上采用了上述布置原则，但在具体布置上有其自身特点：一方面，对两个边表孔采用了不对称收缩体型，使表孔挑流水舌向内侧适度回收，在不致过多加剧下游河道冲刷的前提下，减小了挑流水舌的总入水宽度，有利于岸坡防护设计；另一方面，为了抑制水翅等不利流态出现，窄缝段采用了二级收缩方案。

以往，窄缝消能工大多用在岸边溢洪道出口，大多数国外工程与我国80年代的部分工程均是如此。近些年来，随着窄缝消能工工程实践的不断积累与科学研究的不断深入，我国的一些大型高坝工程，在坝身深孔与底孔上也开始应用窄缝消能工，如完建的隔河岩（重力拱坝）、东风、李家峡、安康以及在建的拉西瓦等水电站均是如此。

值得注意的是，到目前为止，真正在溢流表孔上采用窄缝消能工的工程还很少。我国福建省的南一水库溢流表孔是国内第一座在高坝溢流面上采用窄缝挑坎的工程：该水库位于福建省九龙江西溪支流船场溪上游，混凝土重力坝最大坝高96.8m，溢流坝面采用WES曲线，在距离挑坎44m处开始采用二级收缩，首先在28m长度内溢流宽度由13m收缩至8.1m，而后在16m长度内溢流宽度由8.1m收缩至3.2m。

光照水电站溢流表孔采用窄缝布置体型，其最大坝高达200.5m，目前在国内属最高水平。

成果应用情况及社会经济效益

在泄洪消能研究方面，提出了溢流表孔窄缝布置的泄洪消能方案，大大减小了挑流水舌对下游河道的冲刷，简化了大坝下游两岸岸坡的防护难度，并通过对比试验研究，提出了取消二道坝的合理建议。上述两项科研成果均为设计采纳，为光照水电站泄洪消能方案的优化设计以及施工工期的缩短提供了关键的技术支持，有关成果均已得到设计与工程运用。据初步估算，该项研究可节约工程投资1500万元。

窄缝消能工以往大多运用于溢洪道或泄洪洞出口鼻坎上，在高坝溢流表孔上运用较少，光照水电站最大坝高达195.5m，其溢流表孔采用窄缝布置体型已达到国内最高水平，因而该项成果具有较高的学术价值与推广应用前景。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

本研究的主要成果已直接运用于光照水电站的设计与施工中，目前工程已建成投产，运行情况良好。