兩河口水電站超高流速洞式溢洪道出口挑坎型式研究

朱先文，謝金元，王 川，侯冬梅，鄧 軍

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.長江科學院，湖北 武漢 430015；3.四川大學，四川 成都 610065)

1 工程概況

工程永久泄洪建筑物均布置在大壩左岸，由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞組成。洞式溢洪道布置于左岸臨河側(cè)與壩肩相鄰，軸線方位角為N7°E，由進水渠段、控制閘段、無壓洞段、明槽段和挑坎段組成。進口段設(shè)1孔為16.0 m×21.0 m(寬×高)開敞式泄洪閘，溢流堰采用WES型實用堰型，堰頂高程為2 844.00 m。隧洞斷面型式為圓拱直墻型，斷面尺寸為16.0 m×22.0 m(寬×高)，頂拱高5.0 m，底坡為i=0.015。明渠泄槽段斷面為16.0 m×16.5 m(寬×高)，漸變?yōu)?6.0 m×9.5 m(寬×高)的矩形明渠，前段底坡i=0.015，后段底坡i=0.323 3，兩段底坡由拋物線連接。洞式溢洪道最大泄量為4 076 m3/s，最大單寬流量254.8 m3/s·m，出口最高計算流速54 m/s，為本工程規(guī)模最大的泄洪設(shè)施。

2 研究思路

兩河口工程泄洪具有“高土石壩、泄洪水頭高、泄量大、泄洪流速超高、運行工況復雜、泄洪出口集中于左岸、出流歸槽條件差、河谷狹窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。

鑒于下游河道狹窄，且洞式溢洪道泄洪規(guī)模最大，出流能量集中，為利于出流歸槽，洞式溢洪道出口布置在壩腳下游河道彎道頂點附近，其下游左岸依次布置有豎井泄洪洞出口挑坎、放空洞出口挑坎和深孔泄洪洞出口挑坎，四個挑坎間凈間距分別為100 m、100 m和280 m；因此需高度重視溢洪道出流對下游臨近挑坎的影響。受實際地形地質(zhì)條件限制，洞式溢洪道出口挑坎距下游河道水面高度達70 m左右，且在校核水位時水面寬度僅為90～110 m，因此出流水舌空中姿態(tài)及落點控制難度極大，霧化影響大。因此，兩河口洞式溢洪道出口鼻坎的體型必須兼顧水舌歸槽、減小泄洪沖刷、減輕泄洪霧化三個主要方面。

鑒于兩河口洞式溢洪道出口地形地質(zhì)條件，通過模型試驗進行方案比選。結(jié)合類似工程消能防沖工程經(jīng)驗，如何使水流能沿河縱向拉伸，減少對兩岸的沖擊是本工程挑坎研究的目標。

3 挑坎比選方案

鑒于下游河谷狹窄，窄縫挑坎有利于水流的縱向拉伸，使水流歸槽于河心，減輕對岸坡的影響，因此前期重點對窄縫挑坎進行了研究，體型詳見圖1。深化設(shè)計過程中，考慮到窄縫挑坎結(jié)構(gòu)受力復雜，流激振動劇烈，且霧化范圍大，根據(jù)近年來水力學研究的最新成果，開展了燕尾挑坎的對比研究，體型詳見圖2。在燕尾挑坎的體型優(yōu)化研究過程中，發(fā)現(xiàn)斜切挑坎的適應性較好，因此同深度對三種挑坎進行了比選，體型詳見圖3。

圖1 窄縫挑坎體型(單位：m)

圖2 燕尾挑坎體型(單位：m)

圖3 斜切挑坎體型(單位：m)

3.1 窄縫挑坎試驗成果

窄縫挑坎推薦方案水舌形態(tài)及下游河道水流流態(tài)見圖4。窄縫挑坎水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，實測消能洪水工況，挑坎水舌縱向落水長度約為248 m，落水寬度約20～30 m，下游河道最大沖深點高程為2 585.5 m，位于水舌落點外緣，靠近河道左岸區(qū)域。由于窄縫挑坎收縮比較小，出口寬度較窄，洞式溢洪道下泄流量較大時，挑坎出口水翅嚴重，側(cè)墻上動水壓力較大，實測正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄工況下，窄縫挑坎出口水翅高度約30～40 m，收縮段側(cè)墻上最大動水壓力達38.7×9.81 kPa。

通過物理模型和數(shù)值分析可知，霧化降雨在水舌風的帶動下，在消能區(qū)及其下游區(qū)域形成大面積的霧雨或霧流。泄洪霧化雨強分布表現(xiàn)出局部強大、雨強變化快、兩岸分布不對稱等。由于溢洪道出口軸線偏左岸，左岸邊坡霧化降雨明顯大于右岸。豎井泄洪洞出口最大雨強達20 000 mm/h，放空洞出口最大雨強為600～5 000 mm/h，其余范圍小于50 mm/h。

圖4 窄縫挑坎水流形態(tài)

3.2 燕尾挑坎試驗成果

燕尾挑坎是在常規(guī)連續(xù)挑坎基礎(chǔ)上，在挑坎出口段底板上中間開口，缺口前端開口寬度小，后端及挑坎末端處開口寬度大，使挑坎在平面上成“燕尾”形狀的一種挑坎型式。燕尾挑坎方案水舌形態(tài)及下游河道水流流態(tài)見圖5。燕尾挑坎水舌縱橫向拉伸較為充分，實測消能洪水工況，挑坎水舌縱向落水長度約為170 m，落水寬度約20～30 m，下游河道最大沖深點高程2 579.0 m，下游河道左岸最大沖深點高程2 581.4 m。燕尾挑坎的縱向擴散水舌是由于兩側(cè)水流往中間臨空面射出形成，因此，挑坎兩側(cè)邊墻基本不受高速水流的沖擊作用，邊墻受到的壓力較小。

阿里的聲音打碎了阿東的空白。上面開始有字浮出。這字便是：家里再也不會有母親了。阿東的眼淚開始在眶里打轉(zhuǎn)。

燕尾挑坎的霧化情況與窄縫挑坎相差不大。規(guī)律基本一致，不再贅述。

圖5 燕尾挑坎水流形態(tài)

3.3 斜切挑坎試驗成果

斜切挑坎水舌形態(tài)及下游河道水流流態(tài)見圖6，各級流量下，挑坎水舌內(nèi)緣較高，水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，挑射水流基本落于河道中心，對下游河道沖刷較輕，對左右岸岸坡影響較小。實測消能工況下，挑坎水舌縱向落水長度約為190 m，落水寬度約20～30 m，下游河道最大沖刷點高程為2 584.4 m。

圖6 斜切挑坎水流形態(tài)

斜切挑坎的泄洪霧化降雨主要位于溢洪道出口左側(cè)2 625 m平臺、外緣落點左側(cè)山坡、水舌主體落點右側(cè)山坡以及外緣落點右側(cè)山坡。其中右岸降雨強度明顯強于左岸，而整體降雨強度低于窄縫挑坎。左右岸降雨最強均集中在高程2 625 m之下，高程2 625 m以上雨強小于50 mm/h。

3.4 挑坎比選

3.4.1 消能防沖比較

(1)窄縫挑坎，水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，但挑坎上水翅嚴重。落水水流靠近左岸岸坡，水舌內(nèi)緣落于左岸岸坡底部。最低沖刷高程為2 585.5 m，位于深孔泄洪洞明渠段對應的河道左岸。左岸最大岸邊流速達8 m/s，右岸最大流速為7 m/s。

(2)燕尾挑坎，水舌拉伸程度較窄縫差，下游河道最大沖深點高程2 579.0 m，下游河道左岸最大沖深點高程2 581.4 m。但與窄縫挑坎類似，水舌內(nèi)緣落點靠近左岸，小流量工況下尤為突出。左岸最大岸邊流速達9 m/s，右岸最大流速為8 m/s。

(3)斜切挑坎，各級流量下，斜切挑坎水舌形態(tài)良好，水舌落點較為分散，水舌落點遠離左岸，對左岸岸坡穩(wěn)定及其它泄水建筑物挑坎影響較小。下游河道最大沖刷點高程為2 584.4 m，位于河道右岸。左岸最大流速8 m/s，右岸最大流速為10 m/s。

從消能防沖方面比較，燕尾挑坎沖刷最為嚴重，窄縫挑坎與斜切挑坎沖刷程度相當；但窄縫挑坎沖刷最深區(qū)域位于左岸，斜切挑坎位于右岸。由于左岸有眾多泄洪建筑物出口，因此在消能防沖方面，斜切挑坎優(yōu)于窄縫挑坎。

3.4.2 泄洪霧化比較

泄洪霧化重點研究了窄縫挑坎和斜切挑坎。窄縫挑坎下的泄洪霧化降雨左岸明顯大于右岸，且豎井泄洪洞和放空洞出口處雨強達600～5 000 mm/h；斜切挑坎下的泄洪霧化降雨左岸明顯小于右岸，左右岸降雨最強均集中在高程2 625 m之下，高程2 625 m以上雨強小于50 mm/h。

由于左岸下游分布眾多泄水建筑物出口，霧化對工程影響更大，因此從泄洪霧化方面比較，斜切挑坎優(yōu)于窄縫挑坎。

3.4.3 結(jié)構(gòu)適應性比較

窄縫挑坎收縮比為0.31，最大動水壓力達38.7×9.81 kPa。水布埡水電站溢洪道工程窄縫挑坎收縮比為0.2，兩者收縮程度均較大，收縮段承受較大壓力。參考水布埡水電站溢洪道窄縫挑坎結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，本工程若采用窄縫挑坎，挑坎配筋難度大，需采用預應力筋、預應力錨索、結(jié)構(gòu)縫灌漿等措施，將帶來復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、高難度的施工條件。而燕尾挑坎和斜切挑坎邊墻起的主要作用為導向，燕尾挑坎和斜切挑坎側(cè)墻上最大動水壓力為18.9×9.81 kPa。因此邊墻受力遠低于窄縫挑坎。從挑坎結(jié)構(gòu)受力方面看，燕尾挑坎和斜切挑坎方案較優(yōu)。

3.4.4 比選結(jié)論

各挑坎方案試驗結(jié)果綜合對比見表1，挑坎水舌落水區(qū)域?qū)Ρ纫妶D7。綜合以上分析，在消能防沖及霧化影響方面，斜切挑坎相對最優(yōu)；在結(jié)構(gòu)受力方面，斜切挑坎和燕尾挑坎優(yōu)于窄縫挑坎；因此推薦斜切挑坎作為最終推薦挑坎型式。

表1 各挑坎方案試驗結(jié)果

圖7 消能工況下各挑坎方案水舌落水區(qū)域?qū)Ρ?/p>

4 結(jié) 論

兩河口水電站洞式溢洪道泄洪流速超高、出口挑流鼻坎設(shè)計技術(shù)難度大，為滿足洞式溢洪道的泄洪消能，對挑坎結(jié)構(gòu)型式的選擇和設(shè)計進行了大量的研究。模型試驗對比和研究了窄縫、燕尾和斜切挑坎，并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特征，綜合選定了歸槽較好、沖刷和霧化影響較輕、結(jié)構(gòu)受力較好的斜切挑坎。研究成果為兩河口工程洞式溢洪道設(shè)計提供了試驗依據(jù)，已應用于工程。