韓鵬輝 張 浩

（中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司 陜西 西安 710065）

1 概述

瑪爾擋水電站是龍羊峽上游黃河干流湖口～爾多河段規(guī)劃的第十二個梯級水電站，是該河段規(guī)劃梯級電站中規(guī)模最大、經(jīng)濟效益較好的水電站，是“西電東送”北通道的骨干電源點。電站樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、右岸泄洪放空洞及溢洪道、右岸引水隧洞及地下廠房系統(tǒng)等組成。電站正常蓄水位以下庫容13.743億m3，可能最大洪水（PMF）8530m3/s，混凝土面板壩最大壩高211m，電站運行額定水頭182m，屬壩高、水頭高、洪水小、庫容小。對于電站樞紐布置經(jīng)歷了初期與可研深化兩個階段的研究設(shè)計。依據(jù)工程樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件，最終選定方案中泄水建筑物均布置在右岸，并與輸水發(fā)電建筑物同岸重疊布置；但其溢洪道泄槽段、泄洪洞無壓洞段大部分與右岸地下廠房洞室群布置立面上錯開，平面上交叉，使得溢洪道、泄洪洞設(shè)計水頭高、無壓段長，其高速水流造成消能區(qū)天然河道窄、水墊淺的消能問題十分突出。因此，深化設(shè)計階段將通過整體水力學(xué)模型試驗，重點解決其消能問題。通過鼻坎消能工的篩選與優(yōu)化，使挑流水舌小流量不砸本岸，大流量不頂沖對岸，沖刷區(qū)的沖坑位置及沖坑深度在合適的范圍內(nèi)。

2 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作

整體的水工模型試驗由西北農(nóng)林科技大學(xué)水工所承擔。模型比尺1∶100，上游庫區(qū)長度取壩軸線以上河道距離775m，岸坡地形頂高程模擬至3285m；下游河道從下游壩坡坡腳沿河道距離截取1200m，兩岸岸坡地形頂高程模擬至3120m。庫區(qū)地形為定床，下游混凝土護岸區(qū)及兩岸岸坡按定床模擬，下游河床從壩腳至左岸混凝土護岸末端下80m動床模擬（長度約920m），定床長度280m；溢洪道鼻坎末端以下游360m范圍內(nèi)基巖按變質(zhì)砂巖模擬，距溢洪道末端360m以下游基巖按粘土巖模擬；泄水建筑物及電站進水口用有機玻璃制作；庫區(qū)及下游河道定床用水泥砂漿抹面。試驗中模擬下游河道覆蓋層、粘土巖抗沖流速1.5m/s（模型沙當量粒徑范圍取0.5mm～1.0mm），基巖抗沖流速為 4.5m/s～5m/s（模型沙當量粒徑范圍取5mm～8mm）。

3 主要試驗成果

試驗依據(jù)樞紐布置深化方案，重點對泄水建筑物進行了對稱窄縫、不對稱窄縫、曲面貼角、不對稱擴散、對稱擴散等消能工體型的不同組合的試驗篩選和研究論證，最終提出的泄洪洞采用不對稱擴散鼻坎體型、溢洪道三孔采用對稱曲面窄縫鼻坎體型差動不對稱布置，解決了選定方案的泄水消能問題，鼻坎消能工優(yōu)化工作還在進行，相應(yīng)的對比試驗已委托中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司科研所展開。所選定方案的試驗成果及主要結(jié)論如下：

3.1 樞紐布置

泄水建筑物布置于大壩右側(cè)，軸線方向與下游河道流向的夾角不大，有利于下泄洪水歸順河道。電站正常發(fā)電運行時，引水建筑物進口和出口尾水渠流態(tài)平穩(wěn)，基本不受泄洪影響。在設(shè)計洪水標準內(nèi)，泄水建筑物泄洪運行未造成下游嚴重沖刷，沖坑不危及大壩、建筑物和下游兩岸岸坡的安全。所以樞紐的整體布置方案是合理可行的。

3.2 泄水建筑物體形

各運行工況下，溢洪道進口、堰面及泄槽流態(tài)均為平穩(wěn)（宣泄PMF時，左孔進口產(chǎn)生繞流流態(tài)），各部位壓力分布正常（宣泄PMF時，堰頂2#～4#測點范圍存在較小的負壓（-0.25×9.8kPa～-1.2×9.8kPa））。溢洪道緩坡段沿程平均流速變化不大，在20m/s～22m/s之間；陡坡段流速沿程逐漸增大，至陡坡下反弧末斷面（溢0+410.361m）時，設(shè)計和校核兩工況的平均流速分別為42.50m/s和44.23m/s。

各運行水位泄洪洞進口水面平靜、無漩渦，洞身流態(tài)平穩(wěn)；泄洪洞有壓圓洞各斷面洞壁基本呈靜壓分布，沿程壓力逐漸降低，符合有壓洞壓力分布規(guī)律；有壓洞渥奇面段無負壓，洞身底板壓力分布正常。運行庫水位為3220.0m時，有壓洞內(nèi)不會發(fā)生明滿流交替的不利流態(tài)。泄洪洞無壓洞緩坡段流速沿程略有減小，該段斷面平均流速在33m/s～36m/s之間；從渥奇面以下，流速沿程逐漸增大，至反弧起始斷面（泄0+550.946m）時，設(shè)計和校核兩工況的平均流速分別為39.14m/s和40.88m/s。

泄水建筑物溢洪道和泄洪洞的結(jié)構(gòu)布置方案是合理的。

3.3 泄流能力

溢洪道、泄洪洞的泄流能力率定結(jié)果表明：校核（PMF）、設(shè)計（0.1%）工況下，溢洪道全開時，試驗率定的泄量分別為6712m3/s、4375m3/s， 較 相 應(yīng) 的 設(shè) 計 值 6506m3/s、4193m3/s，分別大3.17%、4.33%；泄洪洞率定的泄量分別為2268m3/s、2193m3/s，比相應(yīng)的設(shè)計值 2100m3/s、2021m3/s，分別大 8.0%、8.5%，泄流能力滿足設(shè)計要求。

3.4 下游河道沖淤

泄水建筑物正常蓄水位泄洪時，泄洪水頭接近190m，出挑流速超過40m/s，相應(yīng)下游水深僅有12m左右。溢洪道、泄洪洞出口位置前后錯開的幅度有限，消能區(qū)沖淤問題突出；因而溢洪道和泄洪洞挑流消能工體型的選擇與優(yōu)化是本次試驗的重點和難點。本著盡量分散水舌，控制各水舌落點，增大水舌入水區(qū)域，避免集中沖刷的原則，并兼顧水舌形態(tài)、死水位水舌跨岸及挑坎結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素，通過幾十組挑坎體型與不同組合方案的試驗對比，提出了目前試驗階段的消能工選定方案，即溢洪道三孔采用體型相同的曲面貼角窄縫式挑坎（見圖1），泄洪洞采用左邊墻擴散連續(xù)挑坎（見圖 2）。

圖1 溢洪道選定方案鼻坎消能工體形

圖2 泄洪洞選定方案鼻坎消能工體形

溢洪道和泄洪洞消能工選定方案主要泄洪工況的沖刷試驗結(jié)果表明：①各泄洪工況下，溢洪道和泄洪洞初步推薦挑坎均能形成縱、橫向擴散比較充分的水舌形態(tài)，各孔水舌導(dǎo)向落點適宜。溢洪道挑坎也能實現(xiàn)在死水位（3265m）泄洪時，水舌跨越本岸的設(shè)計要求。②當下泄100一遇（總泄量4390m3/s）及其以下洪水時，消能區(qū)左護岸坡腳最大沖深高程在3072m以上，右護岸坡腳最大沖深高程在3070m以上，滿足設(shè)計試驗要求；當下泄洪水超過100年一遇至設(shè)計洪水時，右護岸坡腳最大沖深高程仍能達到3070m，但左護岸坡腳沖刷深度增大，沖刷最深點高程降低至3065m左右，未能滿足設(shè)計試驗要求。

3.5 消能區(qū)左右岸混凝土防護范圍

試驗表明溢洪道、泄洪洞宣泄設(shè)計及設(shè)計以下洪水時，水舌落入河槽后，左右兩岸邊均產(chǎn)生了回流；大洪水左岸邊回流流速較大；泄洪洞泄洪時右岸流速較大。為確保消能沖刷區(qū)兩岸邊坡的安全，兩岸邊坡進行混凝土防護是必要的。下游河道防護按100年一遇洪水設(shè)計，目前右岸的護岸設(shè)計范圍是適宜的；左岸從左護岸坡腳點ZX5與右護岸坡腳點YX8相連斷面（消能區(qū)河道最窄斷面）以上，岸坡是必須防護的，該斷面以下河道擴寬，流速減小，左岸邊流速一般在1.0m/s～2.5m/s之間，設(shè)計可根據(jù)此段左岸坡的抗沖強度確定護岸長度和形式。

3.6 下游河道淤積對電站尾水位的影響程度

從下游淤積體對電站尾水的影響的試驗結(jié)果來看，泄洪后電站單獨運行時，由于下游河道淤積的影響，電站尾水位有所壅高。100年一遇洪水溢洪道泄洪所形成的下游淤積體橫跨河床，對電站尾水的影響較大，當2臺、3臺機組發(fā)電時，淤積體使電站尾水位分別抬高2.66m和2.85m；30年一遇洪水的下游淤積體靠左岸，右岸邊有30m～40m的通道，當2臺、3臺機組發(fā)電時，尾水分別抬高0.46m和0.72m。初步分析認為：通過進一步優(yōu)化消能方案和泄洪運行方式，可減輕下游淤積，但要完全消除對電站尾水影響的難度較大；建議采用消能區(qū)天然河道覆蓋層預(yù)挖或100年一遇洪水后消能區(qū)清淤疏浚工程措施，使電站尾水位壅高問題可以合理解決。

4 結(jié)論

經(jīng)過針對此次工程泄水建筑物消能問題所進行的水工模型試驗，已在原有可研深化階段選定的樞紐布置方案的基礎(chǔ)上，驗證了泄水建筑物位于大壩右側(cè)的樞紐整體布置以及溢洪道和泄洪洞的結(jié)構(gòu)布置等方案的合理性與可行性。但通過試驗發(fā)現(xiàn)，工程當中仍存在一些問題：按照可研深化布置方案運行時，工程下游河道沖淤問題依舊突出；由于下游河道淤積的影響，使得電站尾水位有所壅高等。要徹底解決這些問題，還有待于進一步的研究與探討。陜西水利

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