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摘要：将保安电源置于原溢流表孔戽式消力池内，原表孔消能方式由宽尾墩与戽式消力池联合消能变为宽尾墩与厂房顶板挑流联合消能。本文通过水工模型试验研究解决枢纽泄洪时的水力特性、下游河床的防冲刷等问题。
关键词：保安电源；宽尾墩；消能；模型试验
Abstract: The emergency power supply is arranged in the overflow orifice bucket pool, the original orifice energy dissipation by broad tail pier and bucket basin combined energy dissipation into broad tail pier and building roof jet flow combined energy dissipation. This paper addresses the problem of downstream river bed scour prevention hydraulic characteristics, release flood waters of the hub through hydraulic model test.
Key words: security power; broad tail pier; energy dissipation; model test
中图分类号：TV
1工程概况
岩滩水电站位于红水河中游，是红水河梯级的第五级水电站。电站一期工程装机1210MW，已于1995年全部建成投产，二期工程装机600MW。为满足电网事故“黑启动”的要求，岩滩电厂须设立独立的保安电源机组（即岩滩电厂保安电源电站）,装机容量为50MW,以满足电站事故情况下保安电源要求。
岩滩电厂保安电源电站布置在原一期工程7＃溢流表孔消力戽内，洪水仍可由7#表孔渲泄,但消能方式由戽式消能变为厂房顶射流形式，利用溢流表孔两边尾水导墙做为厂房边墙。机组引水压力钢管进口位于右侧相邻5m×8m泄水孔左侧边墙，桩号下0+43.54m，高程180.0m，直径4.4m。
由于受溢流表孔尺寸限制，主机间净空尺寸宽度为15m，副厂房布置于主机间上游；考虑设备进厂，厂房两侧边墙上立排架与坝顶（▽233.0m）连接形成交通，安装间布置在排架▽196.0m，主变压器布置于排架顶部▽233.0m。
由于保安电站置于7#溢流表孔戽式消力池内，7#表孔消能方式由宽尾墩与戽式消力池联合消能变为宽尾墩与厂房顶板挑流联合消能，保安电站屋顶板、泄水孔两侧建筑物结构安全以及下游河床的防冲刷等问题，拟通过优化泄水建筑物体型解决。
模型布置平面总图见附图1。
2模型设计
模型按重力相似准则进行设计，模型截取7#溢流孔的两侧边墙作为本次试验研究单元；试验在宽0.6m的玻璃水槽中进行。根据设计要求，选择比尺为Lr=70。相应各要素比尺如下：
流量比尺：Qr=Lr5/2= 40996.34 流速比尺：Vr=Lr1/2=8.367
时间比尺：Tr=Lr1/2=8.367 糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0
为保证泄槽内水流的可视性，7#溢流孔闸墩及其引水导墙采用有机玻璃制作，其它枢纽建筑物用水泥砂浆刮模制作。上下游地形均按高程150.0m铺设，厂房尾水出口下游进行局部冲刷试验，自下0+142m至下0+300m范围河床部分做成动床，按原地形铺设模型砂。
模型砂粒径根据公式V=KD1/2计算。
式中： V—抗冲流速，根据设计提供河床岩块抗冲流速为6～8m/s。
K—系数，取K=5。
D—粒径。
则模型砂粒径为：
Dm=Dp/Lr=(Vp/K)2/Lr=[（6.0～8.0）/5）]2/70=2.0cm～4.0cm
上游水位控制测点设于坝上0+300m，下游水位测点设于坝下0+500m。
3原布置方案
为比较7#溢流表孔内有无宽尾墩泄洪时的水力要素，原方案试验分为直尾墩方案（拆除宽尾墩）和宽尾墩方案进行。
3.1直尾墩方案
洪峰流量Q10%=17500m3/s及Q1%=24300 m3/s时，7#溢流孔敞开泄流。试验表明，厂房顶板水流平顺， Q1%=24300 m3/s时，局部有水面线略高于两侧边墙顶高程▽196.0m，水流未冲击进房楼排架，适当加高两边墙即可满足要求。泄槽末端流速较大，达23.0m/s，水流呈抛物线水舌直冲下游河床，形成较深的冲坑。 Q1%=24300 m3/s时，定床132.0m高程仍有13m/s的流速，水流余能还较大，表明实际冲坑还会进一步刷深，泄槽出口左侧船闸下游为引航道导墙，如此大的冲坑严重威胁导墙基础的安全。
3.2宽尾墩方案
Q10%=17500m3/s时，由于墩后大片无水区的存在，水流经宽尾墩的挤压和竖向拉伸作用后直冲厂房顶板，激起的水浪直接冲击进厂楼的上游墙并被反弹翻越两侧边墙，水流对进厂楼排架的冲击力强度很大。在Q1%=24300 m3/s时，水体满槽，宽尾墩后未出现无水区，水流较为平顺。对下游河床的冲刷与无宽尾墩差异不大。
由于实际工程中要拆除钢筋混凝土制作的宽尾墩相当困难，设计主要考虑不拆除宽尾墩的可行性。上述试验情况表明，原布置方案有宽尾墩时还须解决以下问题：
① 水流翻越两侧边墙影响升船机结构安全。
② 10年一遇洪水时，水流经宽尾墩后激起水浪直接冲击进厂楼排架，对排架结构安全不利。
③解决泄槽末端抛物线水流对船闸下游引航道导墙基础的冲刷。
4优化方案
为解决原布置方案的水力学问题，模型作以下修改：
①加高7＃孔兩侧边墙及进厂楼排架底板至215.0m高程，加高原下游引航道导墙（187.0m高程段）至194.70m高程，防止水流没顶、外溢、冲击进厂楼排架、尾水启闭机排架及船闸升船机，边墙实际高度再根据最终选定方案试验水面线进行调整。
②延长厂房顶板泄流槽长度及加设水流导向体。根据原有周边结构以厂房顶板末端作为延长抛物线泄槽起点，采用底坡连接曲线，将厂房顶板泄槽向下游分别延伸至下0+172.00m及下0+182.00m，并对比增设水流导向体对水力要素的影响，通过延长泄槽长度及增加水流导向体试验，解决高速水流对船闸下游引航道导墙基础冲刷的影响。修改方案平面图见附图5。
模型修改后分别进行了洪峰流量为Q10%=17500m3/s、Q1%=24300m3/s有无宽尾墩情况的水力要素对比试验，延长泄槽对比试验方案见表4-1：
表4-1岩滩保安电源电站水工模型延长泄槽对比试验方案
4.1修改方案一
修改方案一在泄槽水平段后采用抛物线曲面连接，将泄槽向下游延伸至0+172m。试验成果表明：无宽尾墩时，厂房顶板水流平顺，波动小。有宽尾墩时，在Q10%=17500m3/s时，水流经宽尾墩的挤压和竖向拉伸作用后直冲厂房顶板，激起很高的水浪，涌浪最高点达到204.08m，水面波动较大；在Q1%=24300m3/s时，水体满槽，水流则较为平顺。使得水舌入水角度减小，下游河床冲刷明显改善，但主流潜底，河床冲刷仍然严重，在100年标准防冲流量Q1%=24300m3/s时，冲坑深度为16.16m。
4.2修改方案二
修改方案二是在修改方案一基础上设水流导向体，把主流导向右侧，以减轻左侧导航墙基础的淘刷。试验成果表明：修改方案二有无宽尾墩情况下泄槽内水流态与方案一相比变化不大，增设水流导向体对减少下游冲刷有一定改善，但水流偏右仍然不够，对导航墙基础的冲刷仍然严重，在Q1%=24300m3/s时最深点深度为13.51m。
4.3修改方案三
修改方案三在修改方案二的基础上将泄槽末端延长到下0+182m，坝顶高程降低5.43m，为17.17m，将出口窄缝放在泄槽的右侧。试验结果表明：受导向体的导向作用，入水角度减小，主流偏右，左侧下游引航道导墙基础受冲刷的程度明显减轻，但由于水舌太厚，由左侧入流潜底强度仍然很大，在Q1%=24300m3/s时，导航墙基础冲刷深度仍有5.6m，尚未满足要求，还需要进一步完善。修改方案三流态及冲刷效果见照片1。
照片1、修改方案三下游流态(Q=17500m3/s)
修改方案一、二、三下游河床冲刷试验成果见表4-2。
表4-2 下游河床冲刷试验成果表
说明：“左”即为导航墙右侧边；“中”为玻璃水槽的中央，距导航墙边约15m。
4.4修改方案四（宽尾墩修改方案）
在Q10%=17500m3/s时受宽尾墩影响而激起的水浪高达204.08m，使得边墙过高。为解决此问题，在修改方案三的基础上，模型作以下修改：即在宽尾墩后（沿Q10%=17500m3/s时水流边线）将墩后的无水区进行填筑，形成一个新增块体，尾部逐渐收缩直至下0+70m，见图2。
（1）流速、流态
宽尾墩作修改后，新增块体填充了宽尾墩后的无水区，试验表明，在Q10%=17500m3/s时，水流满槽，水流平顺，无涌浪现象；在Q1%=24300m3/s时水流也较为平顺。由此解决了由于水面线过高，冲击进厂楼排架，及需要加高导墙等问题，建议设计采用。Q1%=24300m3/s时，左边墙下0+137.60m以下局部有水面线高于墙顶设计高程▽194.70m，水流翻越墙顶进入引航道内，影响导航墙的安全，建议设计参考试验数据适当加高此段导墙并延长至下0+182.00m。
（2）泄流能力
在10年一遇以上洪水时，7#溢流孔敞开泄流，试验实测数据表明：10年一遇及100年一遇洪水流量时，试验实测7#孔泄流能力与设计推算单孔泄流能力较为接近。而1000年及5000年洪水时实测泄流量比设计略小，其中1000年洪水时实测上0+300m水位227.70m，比设计库水位高0.33m，5000年洪水时高0.43m。试验成果见图3。
（3）时均及脉動压力
为了解厂房顶板与两侧边墙的时均以及脉动水压力，根据泄槽内布置特点，在槽内共布置了8个时均及脉动压力测点，时均及脉动压力分别采用测压管及传感器量测。观测资料表明，各测点时均水压力均为正压，其值随水头的大小而增减，压力值在3.73 kPa ~264.77 kPa。脉动压力幅值均较小，其均方根值为3.46 kPa ~6.43 kPa ；功率谱分析图表明，各测点压力脉动能量较分散、主频集中度不高，主频在0.35 Hz ~17.43Hz之间，除个别测点外能量都比较低，个别能量集中的测点主频均在2.3 Hz以下，对建筑物结构不会构成危害。
5结语
（1）原布置方案：无宽尾墩在100年一遇洪水时，局部有水面线略高于两侧边墙顶高程▽196.0m，水流未冲击进房楼排架。有宽尾墩在10年一遇洪水时，水流在宽尾墩后撞击厂房顶板激起水浪，水面线较高，水流对进厂楼排架的冲击力强度很大。原布置方案下泄水流对下游导航墙基础造成较为严重的冲刷。
（2）优化方案中宽尾墩后设置新增块体后， 7#孔泄槽内水力特性好较好，设计可参考试验实测水面线确定边墙高度；延长厂房顶板泄流槽长度及加设水流导向体，下游河床防冲刷得到了明显改善，但还需要进一步完善，以解决下游导航墙基础受冲刷的问题，由于断面模型受玻璃水槽边界条件的限制，影响了下游河床冲刷试验成果的准确性，因此建议下游河床冲刷的问题通过整体水工模型试验研究解决。
表4-3 7#孔泄槽内脉动压力试验成果表
参考文献：
[1]广西水电科学研究院.岩滩电厂保安电源电站工程泄水建筑物断面水工模型试验研究报告.南宁：广西水电科学研究院，2007.
作者简介： 江明新（1981-），男，广西陆川人，工程师，主要从事水工模型试验研究工作
关键词：保安电源；宽尾墩；消能；模型试验
Abstract: The emergency power supply is arranged in the overflow orifice bucket pool, the original orifice energy dissipation by broad tail pier and bucket basin combined energy dissipation into broad tail pier and building roof jet flow combined energy dissipation. This paper addresses the problem of downstream river bed scour prevention hydraulic characteristics, release flood waters of the hub through hydraulic model test.
Key words: security power; broad tail pier; energy dissipation; model test
中图分类号：TV
1工程概况
岩滩水电站位于红水河中游，是红水河梯级的第五级水电站。电站一期工程装机1210MW，已于1995年全部建成投产，二期工程装机600MW。为满足电网事故“黑启动”的要求，岩滩电厂须设立独立的保安电源机组（即岩滩电厂保安电源电站）,装机容量为50MW,以满足电站事故情况下保安电源要求。
岩滩电厂保安电源电站布置在原一期工程7＃溢流表孔消力戽内，洪水仍可由7#表孔渲泄,但消能方式由戽式消能变为厂房顶射流形式，利用溢流表孔两边尾水导墙做为厂房边墙。机组引水压力钢管进口位于右侧相邻5m×8m泄水孔左侧边墙，桩号下0+43.54m，高程180.0m，直径4.4m。
由于受溢流表孔尺寸限制，主机间净空尺寸宽度为15m，副厂房布置于主机间上游；考虑设备进厂，厂房两侧边墙上立排架与坝顶（▽233.0m）连接形成交通，安装间布置在排架▽196.0m，主变压器布置于排架顶部▽233.0m。
由于保安电站置于7#溢流表孔戽式消力池内，7#表孔消能方式由宽尾墩与戽式消力池联合消能变为宽尾墩与厂房顶板挑流联合消能，保安电站屋顶板、泄水孔两侧建筑物结构安全以及下游河床的防冲刷等问题，拟通过优化泄水建筑物体型解决。
模型布置平面总图见附图1。
2模型设计
模型按重力相似准则进行设计，模型截取7#溢流孔的两侧边墙作为本次试验研究单元；试验在宽0.6m的玻璃水槽中进行。根据设计要求，选择比尺为Lr=70。相应各要素比尺如下：
流量比尺：Qr=Lr5/2= 40996.34 流速比尺：Vr=Lr1/2=8.367
时间比尺：Tr=Lr1/2=8.367 糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0
为保证泄槽内水流的可视性，7#溢流孔闸墩及其引水导墙采用有机玻璃制作，其它枢纽建筑物用水泥砂浆刮模制作。上下游地形均按高程150.0m铺设，厂房尾水出口下游进行局部冲刷试验，自下0+142m至下0+300m范围河床部分做成动床，按原地形铺设模型砂。
模型砂粒径根据公式V=KD1/2计算。
式中： V—抗冲流速，根据设计提供河床岩块抗冲流速为6～8m/s。
K—系数，取K=5。
D—粒径。
则模型砂粒径为：
Dm=Dp/Lr=(Vp/K)2/Lr=[（6.0～8.0）/5）]2/70=2.0cm～4.0cm
上游水位控制测点设于坝上0+300m，下游水位测点设于坝下0+500m。
3原布置方案
为比较7#溢流表孔内有无宽尾墩泄洪时的水力要素，原方案试验分为直尾墩方案（拆除宽尾墩）和宽尾墩方案进行。
3.1直尾墩方案
洪峰流量Q10%=17500m3/s及Q1%=24300 m3/s时，7#溢流孔敞开泄流。试验表明，厂房顶板水流平顺， Q1%=24300 m3/s时，局部有水面线略高于两侧边墙顶高程▽196.0m，水流未冲击进房楼排架，适当加高两边墙即可满足要求。泄槽末端流速较大，达23.0m/s，水流呈抛物线水舌直冲下游河床，形成较深的冲坑。 Q1%=24300 m3/s时，定床132.0m高程仍有13m/s的流速，水流余能还较大，表明实际冲坑还会进一步刷深，泄槽出口左侧船闸下游为引航道导墙，如此大的冲坑严重威胁导墙基础的安全。
3.2宽尾墩方案
Q10%=17500m3/s时，由于墩后大片无水区的存在，水流经宽尾墩的挤压和竖向拉伸作用后直冲厂房顶板，激起的水浪直接冲击进厂楼的上游墙并被反弹翻越两侧边墙，水流对进厂楼排架的冲击力强度很大。在Q1%=24300 m3/s时，水体满槽，宽尾墩后未出现无水区，水流较为平顺。对下游河床的冲刷与无宽尾墩差异不大。
由于实际工程中要拆除钢筋混凝土制作的宽尾墩相当困难，设计主要考虑不拆除宽尾墩的可行性。上述试验情况表明，原布置方案有宽尾墩时还须解决以下问题：
① 水流翻越两侧边墙影响升船机结构安全。
② 10年一遇洪水时，水流经宽尾墩后激起水浪直接冲击进厂楼排架，对排架结构安全不利。
③解决泄槽末端抛物线水流对船闸下游引航道导墙基础的冲刷。
4优化方案
为解决原布置方案的水力学问题，模型作以下修改：
①加高7＃孔兩侧边墙及进厂楼排架底板至215.0m高程，加高原下游引航道导墙（187.0m高程段）至194.70m高程，防止水流没顶、外溢、冲击进厂楼排架、尾水启闭机排架及船闸升船机，边墙实际高度再根据最终选定方案试验水面线进行调整。
②延长厂房顶板泄流槽长度及加设水流导向体。根据原有周边结构以厂房顶板末端作为延长抛物线泄槽起点，采用底坡连接曲线，将厂房顶板泄槽向下游分别延伸至下0+172.00m及下0+182.00m，并对比增设水流导向体对水力要素的影响，通过延长泄槽长度及增加水流导向体试验，解决高速水流对船闸下游引航道导墙基础冲刷的影响。修改方案平面图见附图5。
模型修改后分别进行了洪峰流量为Q10%=17500m3/s、Q1%=24300m3/s有无宽尾墩情况的水力要素对比试验，延长泄槽对比试验方案见表4-1：
表4-1岩滩保安电源电站水工模型延长泄槽对比试验方案
4.1修改方案一
修改方案一在泄槽水平段后采用抛物线曲面连接，将泄槽向下游延伸至0+172m。试验成果表明：无宽尾墩时，厂房顶板水流平顺，波动小。有宽尾墩时，在Q10%=17500m3/s时，水流经宽尾墩的挤压和竖向拉伸作用后直冲厂房顶板，激起很高的水浪，涌浪最高点达到204.08m，水面波动较大；在Q1%=24300m3/s时，水体满槽，水流则较为平顺。使得水舌入水角度减小，下游河床冲刷明显改善，但主流潜底，河床冲刷仍然严重，在100年标准防冲流量Q1%=24300m3/s时，冲坑深度为16.16m。
4.2修改方案二
修改方案二是在修改方案一基础上设水流导向体，把主流导向右侧，以减轻左侧导航墙基础的淘刷。试验成果表明：修改方案二有无宽尾墩情况下泄槽内水流态与方案一相比变化不大，增设水流导向体对减少下游冲刷有一定改善，但水流偏右仍然不够，对导航墙基础的冲刷仍然严重，在Q1%=24300m3/s时最深点深度为13.51m。
4.3修改方案三
修改方案三在修改方案二的基础上将泄槽末端延长到下0+182m，坝顶高程降低5.43m，为17.17m，将出口窄缝放在泄槽的右侧。试验结果表明：受导向体的导向作用，入水角度减小，主流偏右，左侧下游引航道导墙基础受冲刷的程度明显减轻，但由于水舌太厚，由左侧入流潜底强度仍然很大，在Q1%=24300m3/s时，导航墙基础冲刷深度仍有5.6m，尚未满足要求，还需要进一步完善。修改方案三流态及冲刷效果见照片1。
照片1、修改方案三下游流态(Q=17500m3/s)
修改方案一、二、三下游河床冲刷试验成果见表4-2。
表4-2 下游河床冲刷试验成果表
说明：“左”即为导航墙右侧边；“中”为玻璃水槽的中央，距导航墙边约15m。
4.4修改方案四（宽尾墩修改方案）
在Q10%=17500m3/s时受宽尾墩影响而激起的水浪高达204.08m，使得边墙过高。为解决此问题，在修改方案三的基础上，模型作以下修改：即在宽尾墩后（沿Q10%=17500m3/s时水流边线）将墩后的无水区进行填筑，形成一个新增块体，尾部逐渐收缩直至下0+70m，见图2。
（1）流速、流态
宽尾墩作修改后，新增块体填充了宽尾墩后的无水区，试验表明，在Q10%=17500m3/s时，水流满槽，水流平顺，无涌浪现象；在Q1%=24300m3/s时水流也较为平顺。由此解决了由于水面线过高，冲击进厂楼排架，及需要加高导墙等问题，建议设计采用。Q1%=24300m3/s时，左边墙下0+137.60m以下局部有水面线高于墙顶设计高程▽194.70m，水流翻越墙顶进入引航道内，影响导航墙的安全，建议设计参考试验数据适当加高此段导墙并延长至下0+182.00m。
（2）泄流能力
在10年一遇以上洪水时，7#溢流孔敞开泄流，试验实测数据表明：10年一遇及100年一遇洪水流量时，试验实测7#孔泄流能力与设计推算单孔泄流能力较为接近。而1000年及5000年洪水时实测泄流量比设计略小，其中1000年洪水时实测上0+300m水位227.70m，比设计库水位高0.33m，5000年洪水时高0.43m。试验成果见图3。
（3）时均及脉動压力
为了解厂房顶板与两侧边墙的时均以及脉动水压力，根据泄槽内布置特点，在槽内共布置了8个时均及脉动压力测点，时均及脉动压力分别采用测压管及传感器量测。观测资料表明，各测点时均水压力均为正压，其值随水头的大小而增减，压力值在3.73 kPa ~264.77 kPa。脉动压力幅值均较小，其均方根值为3.46 kPa ~6.43 kPa ；功率谱分析图表明，各测点压力脉动能量较分散、主频集中度不高，主频在0.35 Hz ~17.43Hz之间，除个别测点外能量都比较低，个别能量集中的测点主频均在2.3 Hz以下，对建筑物结构不会构成危害。
5结语
（1）原布置方案：无宽尾墩在100年一遇洪水时，局部有水面线略高于两侧边墙顶高程▽196.0m，水流未冲击进房楼排架。有宽尾墩在10年一遇洪水时，水流在宽尾墩后撞击厂房顶板激起水浪，水面线较高，水流对进厂楼排架的冲击力强度很大。原布置方案下泄水流对下游导航墙基础造成较为严重的冲刷。
（2）优化方案中宽尾墩后设置新增块体后， 7#孔泄槽内水力特性好较好，设计可参考试验实测水面线确定边墙高度；延长厂房顶板泄流槽长度及加设水流导向体，下游河床防冲刷得到了明显改善，但还需要进一步完善，以解决下游导航墙基础受冲刷的问题，由于断面模型受玻璃水槽边界条件的限制，影响了下游河床冲刷试验成果的准确性，因此建议下游河床冲刷的问题通过整体水工模型试验研究解决。
表4-3 7#孔泄槽内脉动压力试验成果表
参考文献：
[1]广西水电科学研究院.岩滩电厂保安电源电站工程泄水建筑物断面水工模型试验研究报告.南宁：广西水电科学研究院，2007.
作者简介： 江明新（1981-），男，广西陆川人，工程师，主要从事水工模型试验研究工作