云南大丫口水電站水工模型試驗(yàn)研究

韓 爽，楊 英，胡曉霖

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院吉林長(zhǎng)春130061；2.水利部綜合事業(yè)局，北京100053）

1 工程概況

大丫口水電站位于云南省臨滄市鎮(zhèn)康縣南汀河流域，是南捧河上的龍頭電站，為引水式電站。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂長(zhǎng)307.00 m、寬5.00 m、最大壩高92.00 m。

壩中部設(shè)3個(gè)凈寬為10.00 m的溢流表孔（如圖），堰面為WES曲線，堰頂高程643.50 m；壩身設(shè)1個(gè)沖沙底孔，進(jìn)口尺寸為2.5 m×5.0 m，孔底高程605.00 m，出口尺寸為2.5 m×4.0 m；在拱壩下游布置頂高程為577.00 m的二道壩，形成長(zhǎng)230 m的人工水墊塘。河床基巖為灰?guī)r，具有較強(qiáng)的抗沖能力。

設(shè)計(jì)、校核洪水P=0.5%、Q0.5%=1015 m3/s；P=0.05%、Q0.05%=1372 m3/s。消能工設(shè)計(jì)洪水P=2%、Q2%=800 m3/s。水庫(kù)正常高蓄水位650 m。

圖1 設(shè)計(jì)方案

2 研究成果

試驗(yàn)研究在比尺為50的正態(tài)模型并采用整體定床和局部動(dòng)床相結(jié)合的布置方式進(jìn)行。

2.1 設(shè)計(jì)方案研究

溢流孔敞泄施放洪水，水流行進(jìn)方向與閘口布置相對(duì)順暢，溢流孔流速分布較均勻，使下泄水舌落點(diǎn)趨于一條直線，相對(duì)集中的下泄能量在水墊塘中得到了有效的削減，對(duì)二道壩下河床基本無(wú)不利沖刷影響。但因下泄水舌橫向拉深寬度較大，水舌兩側(cè)邊緣直接砸擊在陡峻的山體兩岸，并受溢流孔出口與下游河道的相所限，對(duì)右岸山體的砸擊強(qiáng)度偏大，既不利于山坡的穩(wěn)定又危及水墊塘的正常運(yùn)用。

2.2 修改方案研究

鑒于設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果，修改研究試圖將溢流孔尾坎挑起的水舌在橫向范圍內(nèi)彼此錯(cuò)開、在縱向空間上盡量延展，以增大下泄水流的散落面積，達(dá)到減輕對(duì)下游河床沖刷的同時(shí)又減弱對(duì)兩岸山體砸擊的雙重目的。

2.2.1 修改方案一

將左、右溢流孔邊墩的左、右一側(cè)各設(shè)置了寬為1.0 m的寬尾墩，意在縮減水舌寬度。但水流被集中后，勢(shì)必加大對(duì)河床的沖擊能力，因此沿溢流孔的尾坎末端增設(shè)了高程不同的小尺度差動(dòng)坎，利用不同的挑射角將水股分層，以其分散水舌的落點(diǎn)。

修改方案一：差動(dòng)坎的齒高 0.9 m，1.4 m，槽高保持原高程634.50 m；兩側(cè)邊孔因齒、槽的設(shè)置被分割成四部分，中孔被齒、槽分割成五部分。此外為使水流在橫向范圍內(nèi)可以沿展的更充分，將齒的兩側(cè)邊緣設(shè)置成1∶1的斜坡形狀（如圖2）。

泄放P=0.5%洪水時(shí)，差動(dòng)坎上齒、槽特別是寬尾墩的作用使水舌的橫向?qū)挾扔?2 m變成33 m，但差動(dòng)坎的齒高使水舌分層不明顯，有進(jìn)一步修改的必要。

2.2.2 修改方案二

將溢流壩邊孔兩側(cè)的寬尾墩寬度由1.0 m增至1.5 m，齒高設(shè)為1.50 m、槽高程634.50 m，同時(shí)將方案一的小尺度差動(dòng)改成了大尺度差動(dòng)，即齒、槽把兩側(cè)邊孔分割成兩部分，將中孔分割成三部分，如圖3所示。

泄放P=0.5%洪水時(shí)，寬尾墩墩厚的增加再次縮減了下泄水舌的橫向?qū)挾?，由方案一?3 m變?yōu)?0 m，水舌縱向厚度為13 m，加大了對(duì)河床的沖刷強(qiáng)度。

2.2.3 修改方案三

圖2 修改方案一

圖3 修改方案二

圖4 修改方案三

由修改方案一、二研究：其一寬尾墩厚取1.5 m對(duì)下泄水舌的縮減作用更加明顯；其二大、小尺度差動(dòng)對(duì)下泄水舌的縱向拉伸沒有明顯區(qū)別。進(jìn)一步對(duì)齒、槽進(jìn)行調(diào)整時(shí)，為方便施工選擇在大尺度差動(dòng)上開展。

方案三將右孔邊墩上的寬尾墩厚度由1.5 m增加到2.0 m，兩側(cè)邊孔的齒高分別調(diào)整為1.68 m和2.94 m，中孔齒高為2.5 m，如圖4。

泄放P=0.5%洪水時(shí)，從3個(gè)溢流孔宣泄的水流經(jīng)差動(dòng)坎不同的齒高挑射后，水舌被分層，其水股厚度明顯變薄，跌入到下游河道的水舌落點(diǎn)呈分散的狀態(tài)。最大和最小的水舌挑距分別為53 m、63 m，水舌橫向?qū)挾?7 m。

2.2.4 小 結(jié)

1）各修改方案泄放洪水時(shí)，對(duì)泄流能力沒有影響。修改方案三水舌的挑距最遠(yuǎn)，水舌的橫向?qū)挾茸钫ㄒ姳?）。

表1 各方案施放洪水P=0.5%水舌的挑距及橫向?qū)挾?/p>

2）修改方案三無(wú)論從下泄水舌對(duì)河床的沖淤（見表2）還是對(duì)山體的砸擊均優(yōu)于其它方案。

3）二道壩保證了下游河床在水舌下落區(qū)域內(nèi)有足夠的水墊厚度，以緩解下泄水流對(duì)河床的沖擊。但設(shè)計(jì)將二道壩堰頂?shù)倪^流寬度由原45.0 m調(diào)整成30.0 m，受右岸山體走勢(shì)的限制，即在二道壩的尾坎斷面其橫向?qū)挾缺豢s減到僅有7.0 m，增加了下行水流的流速。為減輕從二道壩宣泄而下的水流對(duì)其河床的沖刷：一是降低二道壩的堰頂高程；二是增加尾坎斷面的過流寬度。而增大過流寬度必須對(duì)右岸山體進(jìn)行開挖，增加工程的投資。由修改方案三的研究結(jié)果，將二道壩的堰頂高程由577.0 m降低到575.0 m，此方案作為研究的最終推薦方案。

表2 各方案施放洪水P=0.5%沖坑最低、淤積最大高程

2.3 推薦方案運(yùn)用

大丫口水電站泄洪為敞泄、控泄兩種，即小頻率洪水保證正常高水位650.00 m調(diào)度運(yùn)用。試驗(yàn)研究給出兩種具有代表性組合：1）均勻調(diào)度3個(gè)溢流孔開啟，該組合是下泄水舌在橫向沿展寬度最大的運(yùn)行方式，便于觀察水舌的兩側(cè)邊緣對(duì)山體的砸擊；2）是采用兩孔敞泄，余下的泄量附加第三孔的小開度聯(lián)合調(diào)度，該組合是下泄流量比較集中，對(duì)河床的沖擊力度相對(duì)較大。

運(yùn)用成果如下：

1）推薦方案滿足泄量要求，且堰面沒有負(fù)壓產(chǎn)生。

2）左、右孔兩側(cè)寬尾墩頂高程643 m，施放泄洪時(shí)，無(wú)淹沒弧門鉸的現(xiàn)象。

3）施放消能設(shè)計(jì)頻率洪水，拱壩下游至二道壩區(qū)域，在動(dòng)床試驗(yàn)中岸邊最大流速為4.99 m/s、在定床試驗(yàn)中岸邊最大流速為7.06 m/s。

4）宣泄各級(jí)流量時(shí)，壩下的沖刷都不危及建筑物的安全運(yùn)行（見表3、表4）。

表3 推薦方案施放各級(jí)頻率洪水下泄水舌的挑距及橫向?qū)挾?/p>

5）二道壩尾坎斷面受山體的限制突然收縮，使尾坎下右岸一側(cè)水面起伏劇烈，導(dǎo)致在兩側(cè)岸邊產(chǎn)生的流速差異很大，宣泄消能頻率洪水時(shí)，尾坎后20 m斷面右岸最大流速可達(dá)13.15 m/s，應(yīng)給予適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

表4 推薦方案各泄量下游最大沖深及堆積高程

3 研究結(jié)論

高壩消能采用適合的差動(dòng)坎形式及輔以邊孔寬尾墩的聯(lián)合布置，能有效地削弱下泄水流的動(dòng)能，從而達(dá)到縮減水墊塘范圍及降低二道壩設(shè)置的高程、節(jié)約工程投資的目的。