林 飛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

塔日勒嘎水電站位于新疆柯爾克孜自治州烏恰縣吾合沙魯鄉(xiāng)的克孜勒蘇河中游河段上，為克孜河規(guī)劃2 庫6 級方案中的第二個梯級。壩址距烏恰縣58 km，距喀什150 km。由攔河大壩（粘土心墻砂礫石壩）、左岸導(dǎo)流兼泄洪沖沙隧洞、發(fā)電引水隧洞、電站廠房、右岸溢洪道等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程，地震設(shè)防烈度為Ⅸ度。

壩軸線位于吾合沙魯鐵橋上游約640 m 處的峽谷河段，水庫正常蓄水位2 250.0 m，死水位為2 245.0 m，總庫容0.418 億m3，最大壩高43.6 m。右岸岸邊開敞式溢洪道孔口選用2 孔10 m×7 m 的駝峰堰。左岸利用導(dǎo)流洞改建成泄洪沖沙隧洞，全長507.576 m，洞徑D=8.0 m，圓形有壓洞。發(fā)電引水洞布置在導(dǎo)流洞里側(cè)，全長1 412.258 m，圓形有壓洞，洞徑6.8 m。廠房布置在大壩下游約1 220 m 的山谷出口，設(shè)計水頭44 m，裝機(jī)容量4×12.5 MW。

2 溢洪道可研方案

壩址位于中低山峽谷河段，兩岸地形不對稱。右岸洪積扇地形開闊，在臨河一線形成（24～27）m 高的近直立陡坎，洪積扇地形較平坦，略向河床傾斜，其坡度約10°左右，地面高程（2 243～2 360）m，寬約2.5 km，扇面小沖溝較發(fā)育，洪積扇厚（33～55）m，下部掩埋有古河床及階地。當(dāng)設(shè)計蓄水位2 250 m 時，河谷寬約230 m。

2.1 方案比選

（1）溢洪道布置方案。溢洪道為岸邊正槽溢洪道，地質(zhì)條件相對簡單，建筑物全部坐落在洪積扇的碎石土層上，該層結(jié)構(gòu)密實，其中碎塊石成分主要為新鮮至弱風(fēng)化狀砂巖，磨圓度差，厚（30～60）m。根據(jù)地形條件和布置要求，共考慮了2個布置方案。

方案1：正向布置，溢洪道進(jìn)水口及控制段軸線垂直壩軸線，水流經(jīng)消能后轉(zhuǎn)向回歸河床，軸線長度741.9 m。

方案2：斜向布置，溢洪道控制段軸線與壩軸線成70°夾角直線布置，進(jìn)水口通過彎道進(jìn)入控制段，軸線長度475.9 m。

方案1 進(jìn)流條件好，進(jìn)水渠工程量小，但泄槽段及出水渠長度增加約240 m，其走向與河流近平行，消力池后高程較低，開挖防護(hù)工程量增加較多。方案2 控制段后為直線布置，水流條件較好，其軸線與河流斜交且長度較短，工程量較省，但進(jìn)水渠需平面轉(zhuǎn)彎，因進(jìn)口為水庫，水流條件影響較小。故選定方案2 為推薦方案。

（2）堰型方案。溢洪道為低堰，其可選堰型有寬頂堰、WES 實用堰、駝峰堰等，寬頂堰因流量系數(shù)低影響特征水位，本次未考慮。經(jīng)泄流能力計算，WES實用堰和駝峰堰結(jié)果相差不大，不影響大壩工程量，考慮基礎(chǔ)為軟基，同時為節(jié)省工程量，采用b 型駝峰堰。

2.2 溢洪道布置

可研階段溢洪道為岸邊正槽溢洪道，布置在大壩右壩頭洪積扇階地，由引渠段、控制段、泄槽段和消能設(shè)施組成。

圖1 原溢洪道結(jié)構(gòu)布置圖

引渠段布置在壩軸線上游，長292.12 m，底寬22.0 m，渠底高程2 240.5 m，為開挖的梯形斷面渠道，坡比1∶1.25?？刂贫伍L22.0 m，采用2 孔駝峰堰，每孔凈寬10.0 m，堰頂高程2 243.0 m；堰身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，堰身軸線與大壩軸線成70°的夾角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土擋墻與大壩及岸坡相接，擋墻最大高度17.5 m。泄槽全長375.0 m，縱坡8.257%，寬度（22～30）m，過水?dāng)嗝鏋殇摻罨炷辆匦螖嗝妫厜Ω叨?.5 m。出口采用底流消能，消力池長60.0 m,寬度30.0 m，池深6.0 m，泄槽末端設(shè)有高1.24 m 的趾墩，池內(nèi)設(shè)有高2.1 m 的消力墩。見圖1。

2.3 溢洪道一級泄槽方案試驗成果

模型進(jìn)行了在導(dǎo)流泄洪洞全開后，溢洪道兩孔同步漸開1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全開及30年一遇、設(shè)計、校核洪水試驗。試驗觀測到，由于消力池邊墻較矮，水流通過擴(kuò)散段向兩邊擴(kuò)散，在消力池右側(cè)壩下游455 m 處與右岸交匯后產(chǎn)生較大范圍的回流，回流范圍至擴(kuò)散段起點，流速為（1.23～4.29）m/s，而消力池左邊擴(kuò)散水流受導(dǎo)流洞來流的壓迫趨于順直，未產(chǎn)生回流。基于上游來流不均與消力池左右流態(tài)不對稱及下游水位不對稱頂托等因素的影響，溢洪道出口流態(tài)較紊亂，水躍發(fā)生在陡槽上（坡底向上游50 m～60 m 處），且為不對稱（左短右長）斜向水躍。消力池內(nèi)呈面流流態(tài)，主流在表面，流速為（1.91～7.24）m/s，底部流速為（1.57～3.18）m/s；同時觀測到消力池太深，消力墩和址墩都不起作用。池后河床最大流速在（4～7）m/s 之間，沖坑上游坡比為1/4.31～1/7.38，雖為穩(wěn)定邊坡，但對于底流消能來說，沖刷范圍及深度都太大。

為解決消力池不利流態(tài)，模型采取了加高消力池兩邊墻，封堵右岸回流及擋住左側(cè)導(dǎo)流洞來流的干擾以達(dá)到使消力池流態(tài)對稱的目的，但試驗結(jié)果表明流態(tài)并沒有得到大的改善。模型又采取了抬高消力池底板高程、在陡槽上加分流墩（調(diào)節(jié)來流不均）等措施，都不能從根本上解決問題，因此，溢洪道設(shè)計有必要進(jìn)行優(yōu)化。

3 溢洪道優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 溢洪道布置

溢洪道軸線基本不變，主要將泄槽由一坡到底修改為2 級泄槽，第一級泄槽坡度根據(jù)地形和水力學(xué)條件確定，坡度為5%，盡量減少開挖；第二級泄槽采用陡坡擴(kuò)散型式，坡度1∶4，由陡坡首部開始設(shè)置12 級4.0×1.0 臺階，陡坡尾部接消力池。

進(jìn)水口引渠段長度適當(dāng)壓縮，長120 m，底寬22.0 m，渠底高程2 240.5 m，為開挖的梯形斷面渠道，坡比1∶1.25?？刂贫伍L27.0 m，采用2 孔駝峰堰，每孔凈寬10.0 m，堰頂高程2 243.0 m，堰身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，堰身軸線與大壩軸線成70°的夾角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土擋墻與大壩及岸坡相接，擋墻最大高度17.5 m。泄槽全長278.658 m，底板厚0.6 m，縱坡分二級，第一級泄槽長200.0 m，縱坡5.0%，寬度22 m，過水?dāng)嗝鏋殇摻罨炷辆匦螖嗝妫厜ψ畲蟾叨?.5 m；第二級泄槽長78.658 m，縱坡25.0%，前40.0 m 為矩形斷面，寬度22 m，后38.658 m 為矩形擴(kuò)散斷面，寬度（22～30）m，擴(kuò)散角5.9°。出口采用底流消能，消力池長46.5 m,寬度30.0 m，池深3.5 m。

經(jīng)計算，泄槽最大流速23.8 m/s，不會空蝕破壞。泄槽底板及擋墻過流表層0.3 m 厚混凝土考慮抗沖耐磨因素采用C35F200W6 纖維混凝土。

3.2 溢洪道修改后水力學(xué)試驗

水工模型試驗主要成果如下：

（1）泄流能力。試驗中觀測了溢洪道敞泄時及局部開啟時的過流能力，在不同上游水位時的流量見附表。

附表 溢洪道各級庫水位下泄流量試驗值

由試驗結(jié)果可見，溢洪道試驗泄量比理論計算值均偏大，主要是進(jìn)口水流側(cè)收縮影響較難精確計算，但其變化在合理范圍內(nèi)。導(dǎo)流泄洪洞與溢洪道聯(lián)合全開泄洪，設(shè)計洪水，試驗泄量為1 378.52 m3/s，比計算值1 426 m3/s 減小3.33%；校核洪水，試驗泄量與計算值基本吻合。綜合可見，樞紐總的泄流能力比計算值稍偏小，但在允許范圍內(nèi)。

（2）消能及沖刷情況。模型進(jìn)行了在導(dǎo)流泄洪洞全開后，溢洪道兩孔同步漸開1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全開及30年一遇、設(shè)計、校核洪水試驗，觀測到各級流量下陡槽緩坡段流速分布基本均勻，在邊墻的作用下形成對稱的折沖水流，槽內(nèi)流態(tài)平順，流速在（11.0～17.0）m/s 之間。泄槽陡坡段水流在每級臺階的阻截下消能效果明顯，臺階上流速在（13.0～22.0）m/s 之間，陡坡臺階消能效果明顯。各級流量下溢洪道出口消力池?zé)o論是單獨泄洪還是和導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪，均能形成穩(wěn)定水躍（僅校核洪水接近臨界水躍，躍首發(fā)生在坡腳上游5 m～12m 處），消力池后波浪較小，平順與下游水面銜接，出池水流底部流速在（1.24～3.84）m/s，池后沖刷較輕，大多數(shù)情況無明顯的沖坑，只有局部沖刷（最大沖深在2 m以下，僅校核洪水為4.52 m），均發(fā)生在格賓防護(hù)以后，消能工能安全穩(wěn)定運行。

溢洪道在消能、設(shè)計、校核工況下，尾坎底部流速為（1.68～4.06）m/s，格賓防護(hù)末底部流速為（2.03～3.84）m/s；尾坎水位比躍首雍高（1.58～1.81）m，水流進(jìn)入河道水面比較平穩(wěn)，水面波動在（0.1～0.73）m 之間。僅在格賓防護(hù)后發(fā)生輕微沖刷，P=3.33%、P=2%兩工況最大沖深為1.25 m 和1.75 m，P=1%校核洪水時最大沖刷為4.52 m，沖坑上游邊坡坡比分別為1/44.09、1/25.71 和1/10.06，完全滿足消能防沖要求。

壩下游（312～525）m 之間，河道中底部流速為（1.8～4.4）m/s；右岸邊壩下游（350～525）m 之間，流速為（1.68～5.9）m/s，最大流速發(fā)生在壩下游525 m 附近（該處為河道卡口），壩下游525 m 以后流速基本在3.0 m/s 以內(nèi)；左岸邊壩下游（312～420）m 之間為回流，流速為（0.55～2.25）m/s 之間，（420～560）m 之間流速為（1.23～3.85）m/s，設(shè)計根據(jù)流速、地質(zhì)情況采取岸坡防護(hù)措施。

（3）輔助消能工效果。為減小入池流速，原設(shè)計方案在陡坡段共設(shè)39 級0.5×2.0 m 臺階，以利沿程摻氣消能。但試驗觀測到陡坡臺階太密太矮消能效果不理想，消力池后波浪較大，同時人為在消力池內(nèi)放入少量泥沙，觀察到泥沙在池內(nèi)旋轉(zhuǎn)很難被水流帶出池外，這樣將會長時間對消力池底板造成磨損。在30年一遇洪水工況下，模型將陡坡段所有臺階取消，觀察到消力池內(nèi)右側(cè)水流出現(xiàn)順時針方向旋轉(zhuǎn)的不利流態(tài)，表明臺階還是起到了一定的效果。鑒于上述問題，模型經(jīng)反復(fù)試驗，將陡坡臺階高度加高至1.0 m，寬度改為4.0 m，試驗以Q=700 m3/s 對應(yīng)的下游水位2 217.01 m 為基準(zhǔn)取消水下部分臺階，共設(shè)臺階12 級，同時將消力池尾坎修改成坡比為1∶1.5的差動式尾坎。觀測到陡坡臺階消能效果明顯提高，各級流量下消力池后波浪減小，平順與下游水面銜接，池內(nèi)泥沙基本能被帶出池外。見圖2。

（4）溢洪道優(yōu)化方案確定。經(jīng)理論計算和水力學(xué)模型試驗，將原設(shè)計方案調(diào)整為：泄槽由一坡到底修改為二級坡度，在陡坡段共設(shè)12 級1.0×4.0 m摻氣臺階，消力池末設(shè)置差動尾坎，坡比1∶1.5。見圖3。

圖2 修改后水力學(xué)模型試驗照片

4 結(jié)語

土石壩為增加泄洪安全度，在地形、地質(zhì)條件允許時應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置開敞式溢洪道，但溢洪道往往工程投資所占比重較高，同時因泄槽流速較大，水力學(xué)條件要求較嚴(yán)格，采用合適的結(jié)構(gòu)體型和消能方式非常關(guān)鍵，也是溢洪道設(shè)計的難點。通過塔日勒嘎水電站的溢洪道設(shè)計過程，特提出如下建議供類似工程參考：

（1）充分利用好地形、地質(zhì)條件，合理布置，節(jié)省工程量和投資。

（2）底流消能效率較低，消力池規(guī)模大，池內(nèi)輔助消能工效果不甚理想且易氣蝕破壞，出池水流余能較大，在入池前采取陡槽擴(kuò)散+臺階摻氣加糙措施，較好地調(diào)整了消力池內(nèi)和出池水流流態(tài)，效果較好。

圖3 修改后溢洪道結(jié)構(gòu)布置圖

（3）對水力學(xué)問題，應(yīng)理論計算和模型試驗結(jié)合，相互驗證，確保安全可靠。