試論高壩工程泄洪消能的特點與研究

    工程技術

    作者：沈延林

    【摘要】高壩工程泄洪消能具有水頭高，流量大，消能指標高；河穀窄，泄水建築物布置困難；泄洪霧化現象嚴重等特點。高壩工程建設一方麵體現了現代築壩技術的進步，另一方麵也使得大壩安全、樞紐布置、高速水流控製、空化空蝕、泄洪消能和霧化問題更為突出。因此，探討和研究高壩工程泄洪消能有著非常重要的學術意義和工程價值。

    【關鍵詞】高壩工程；泄洪；效能；研究

    一、高壩泄洪消能的研究

    高拱壩壩身泄洪消能

    從國內現狀看，高拱壩已成為大型水電站的主選壩型之一，在泄水建築物布置上大多采用壩身開孔泄洪與岸邊溢洪道或泄洪洞分流的總體布置構架。

    1998年我國建成的二灘水電站采用了“壩身表孔+深孔雙層泄水孔口布置、下遊設水墊塘與二道壩、通過水舌碰撞促進消能、並輔以岸邊泄洪洞泄洪”的泄水建築物布置格局與消能模式，建成後經數年實際泄洪考驗，表明是成功的。

    為有效控製水墊塘底板最大衝擊壓強（一般要求不大於15×9.8kPa），目前較多采用出射角度不等的大差動布置型式，通過分散挑流水舌的入水能量，達到降低水墊塘底板衝擊壓強的目的，而采用溢流前緣為舌形的出口鼻坎以及在出口鼻坎上增設分流齒坎也是行之有效的工程措施。除此之外，目前正在積極開展如下非碰撞式壩身泄洪消能布置及深厚覆蓋層條件下高拱壩壩身泄洪消能布置兩方麵的。

    高水頭大流量底流消能

    底流消能是一種傳統的消能方式，其具有流態穩定、消能效果好、對地質條件和尾水水位變化適應性較強的優勢。但從國內外的運用情況看，底流消能在大型高壩水電工程中所占的比例遠遠低於挑流消能。主要有經濟和技術兩方麵因素。一方麵，底流消能需要要修建造價昂貴的底流消力池，工程投資較大；另一方麵，由於高壩工程工作水頭高，致使消力池臨底流速很高，難於保證消力池自身的泄洪安全。然而，與挑流消能相比，底流消能更能適應地質條件欠佳的壩址，而且底流消能引起的泄洪霧化很小，對周邊環境影響較小，尤其在目前人們對高壩泄洪霧化等環境問題日益重視的現狀下，底流消能方式具有獨特優勢。我國近期投入開發的大型水電站如向家壩、官地等都采用了底流消能方式，就是很好的實例。另外，值得指出的是，我國官地水電站還采用了斜邊牆底流消力池布置型式。研究表明，這種布置方式能夠順應下遊河道的地形條件，減少直立邊牆底流消力池的施工難度與工程投資，同時也增大了消能水體體積。

    高水頭大流量溢洪道與泄洪洞

    土石壩與拱壩是目前我國高壩工程的主要壩型，岸邊泄洪洞與溢洪道則是土石壩與高拱壩工程常見的泄水建築物布置方式。對土石壩工程而言，由於壩身不能過流，岸邊溢洪道與泄洪洞是最為關鍵的泄水建築物；對高拱壩而言，泄洪洞往往是壩身泄洪設施的重要補充。為了確保高拱壩的運行安全與水墊塘檢修，我國高拱壩在水力設計中大都采用了壩身泄洪與岸邊泄洪洞並重的設計思路，岸邊泄洪洞單獨泄洪可以滿足宣泄常年洪水的任務。

    對於高水頭大流量的溢洪道與泄洪洞而言，一般都存在如下兩方麵的水力學技術難題需要認真解決：一是高流速泄槽段的摻氣減蝕問題；二是出口鼻坎的體型優化與下遊消能防衝問題。針對這一問題，我國學者進行了大量的探索性研究，在傳統摻氣坎布置型式的基礎上，相繼提出了高速泄槽側壁的摻氣減蝕、U型摻氣坎、平麵凹型摻氣坎、V型摻氣坎、變底坡摻氣坎等新的摻氣坎布置型式，部分研究成果已經得到設計與工程采用。