王 媛 張東明

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 四川 成都 610000)(2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 四川 成都 610000)

兩河口水電站溢洪道不同體型出口挑坎的比較研究

王 媛1張東明2

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 四川 成都 610000)(2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 四川 成都 610000)

兩河口水電站屬于控制性水庫(kù)梯級(jí)電站，電站的開發(fā)任務(wù)為以發(fā)電為主，兼顧防洪。作為重要泄洪設(shè)施的溢洪道對(duì)下游河道的沖刷和霧化起至關(guān)重要的作用，因此對(duì)洞式溢洪道的出口挑坎型式進(jìn)行深入研究十分必要。通過試驗(yàn)對(duì)窄縫挑坎，燕尾挑坎，斜切挑坎的結(jié)構(gòu)受力和消能防沖進(jìn)行比對(duì)，最終確定采用斜切挑坎作為該工程溢洪道的出口挑坎體型。

窄縫挑坎;燕尾挑坎;斜切挑坎結(jié)構(gòu)受力消能防沖

一、工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流中游河段，為我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的第二大水電基地—雅礱江水電基地之中上游的控制性水庫(kù)梯級(jí)電站。

兩河口水電站為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫(kù)，對(duì)其下游的雅礱江梯級(jí)電站以及金沙江、長(zhǎng)江干流電站的梯級(jí)補(bǔ)償作用顯著。電站的開發(fā)任務(wù)為以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站采用壩式開發(fā)，最大壩高295m，水庫(kù)正常蓄水位2865m，相應(yīng)庫(kù)容101.5億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.

6億m3，消落深度為80m，有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量3000MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h。

兩河口水電站樞紐建筑物采用“攔河堆石壩+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左岸泄洪、放空系統(tǒng)+左、右導(dǎo)流洞”的工程樞紐總體布置格局。按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201－2014并結(jié)合本工程特點(diǎn)，確定各主要建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下:擋水、泄水建筑物按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水 (PMF)校核;電站廠房按200年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核;消能防沖建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)。

二、出口挑坎體型研究

因兩河口泄洪消能及霧化區(qū)河谷狹窄，洞式溢洪道下游左岸布置眾多泄洪建筑物出口，作為出口流速最高，泄洪功率最大的建筑物，溢洪道對(duì)下游河道的沖刷和霧化起至關(guān)重要的作用，因此有必要對(duì)洞式溢洪道出口挑坎型式進(jìn)行深化研究。洞式溢洪道出口挑坎比較了窄縫挑坎、燕尾挑坎和斜切挑坎三種體型。

(一)窄縫挑坎方案

經(jīng)過各階段窄縫挑坎的比選，推薦體型詳見圖1。挑坎收縮段長(zhǎng)度為30m，底板挑角減小至－8°，邊墻收縮角為10.39°，將左邊墻延長(zhǎng)6m，右邊墻延長(zhǎng)5m，底板不延長(zhǎng)，底板出口高程為2679.11m，挑坎出口寬度為3.15m。

圖1 窄縫挑坎體型

通過1:40水工模型試驗(yàn)表明窄縫挑坎推薦體型水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，下泄水流對(duì)下游河道沖刷明顯減輕，實(shí)測(cè)消能洪水工況，挑坎水舌縱向落水長(zhǎng)度約為248m，落水寬度約20～30m，下游河道最大沖深點(diǎn)高程為2585.5m，位于水舌落點(diǎn)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(shí)，挑坎出口水翅嚴(yán)重，側(cè)墻上動(dòng)水壓力較大，實(shí)測(cè)正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄工況下，窄縫挑坎上階段推薦方案挑坎出口水翅高度約30～40m，收縮段側(cè)墻上最大動(dòng)水壓力 (正常蓄水閘門全開工況)達(dá)38.7×9.81kPa及42.3×9.81kPa(基于兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@取的不同數(shù)據(jù))。

(二)燕尾挑坎方案

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;燕尾挑坎的出挑水流首先從缺口前端射出，缺口兩側(cè)底板上沒有出射的水流沿著挑坎底板繼續(xù)向前流動(dòng)，缺口前端處水流射出后，對(duì)兩側(cè)的水流而言在中間形成一個(gè)臨空面，因此兩側(cè)水流在前進(jìn)過程中，不斷從缺口處射出，從而形成與窄縫挑坎類似的縱向拉伸片狀水舌，大大加大水流的縱向擴(kuò)散度，提高消能率，降低單位面積的入水量，降低水舌的沖刷能力;燕尾挑坎的縱向擴(kuò)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，并且，燕尾挑坎由于內(nèi)部缺口靠近挑坎最低點(diǎn)，挑坎的起挑流量較低，可適應(yīng)低水頭情況下挑流泄洪。推薦的燕尾挑坎如圖2所示。

圖2 燕尾挑坎體型

試驗(yàn)證明該燕尾挑坎水舌內(nèi)外緣落水樁號(hào)分別為 (溢)1+055m、(溢)1+225m，距左岸2605m平臺(tái)距離較近，僅2.4m，下游河道最大沖深點(diǎn)高程2579.0m，下游河道左岸最大沖深點(diǎn)高程2581.4m。

(三)斜切挑坎方案

如前所述，窄縫挑坎和燕尾挑坎均存在水舌落點(diǎn)距左岸較近、左岸沖刷較嚴(yán)重的缺點(diǎn)。因此有必要對(duì)挑坎型式進(jìn)行進(jìn)一步研究，研究的目標(biāo)方向?yàn)樗髀潼c(diǎn)盡量遠(yuǎn)離左岸。通過燕尾型挑坎的試驗(yàn)摸索，提出采用斜切挑坎方案。經(jīng)過多方案比較，斜切挑坎推薦體型見圖3。

圖3 斜切挑坎體型

斜切挑坎推薦方案試驗(yàn)結(jié)果表明各級(jí)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(duì)下游河道沖刷較輕，對(duì)左、右岸岸坡影響較小。實(shí)測(cè)正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄 (消能工況、Q=3120m3/s)工況下，下游河道最大沖刷點(diǎn)高程為2584.4m。

三、挑坎比選意見

(一)挑坎結(jié)構(gòu)受力比較

推薦體型窄縫收縮比為0.31，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(jì)情況，兩河口工程若采用窄縫挑坎，挑坎配筋難度大，需采用預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)應(yīng)力錨索、結(jié)構(gòu)縫灌漿等措施，將帶來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(dǎo)向，燕尾挑坎和斜切挑坎側(cè)墻上最大動(dòng)水壓力為18.9×9.81Kpa。因此邊墻受力遠(yuǎn)低于窄縫挑坎。從結(jié)構(gòu)挑坎受力方面看，燕尾挑坎和斜切挑坎方案較優(yōu)。

(二)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(yán)重。落水水流靠近左岸岸坡，水舌內(nèi)緣距左岸2625平臺(tái)約12m。最低沖刷高程為2584m，位于深孔泄洪洞明渠段對(duì)應(yīng)的河道左岸。

2.燕尾挑坎

水舌拉伸程度較窄縫差，下游河道最大沖深點(diǎn)高程2579.0m，下游河道左岸最大沖深點(diǎn)高程2581.4m。但與窄縫挑坎一樣，水舌內(nèi)緣靠近左岸，且小流量工況尤為突出。

3.斜切挑坎

各級(jí)流量下，斜切挑坎水舌形態(tài)良好，水舌落點(diǎn)較為分散，水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離左岸，對(duì)左岸岸坡穩(wěn)定及左岸其他設(shè)施影響較小。下游河道最大沖刷點(diǎn)高程為2584.4m，位于河道右岸。

從消能防沖方面比較，燕尾挑坎沖刷最為嚴(yán)重，窄縫挑坎與斜切挑坎沖刷程度相當(dāng)。就嚴(yán)重沖刷區(qū)域而言，窄縫挑坎位于左岸，斜切挑坎位于右岸。由于左岸有眾多泄洪建筑物出口，因此就消能防沖難度及泄洪消能安全性而言，斜切挑坎優(yōu)于窄縫挑坎。

(三)綜合比較

各挑坎方案試驗(yàn)結(jié)果綜合對(duì)比分析可知，斜切挑坎從結(jié)構(gòu)受力方面優(yōu)于窄縫挑坎，從消能防沖方面優(yōu)于燕尾挑坎。因此推薦斜切挑坎作為最終推薦挑坎型式。

王媛 (1980－)，女，漢，陜西銅川，講師，碩士研究生，成都大學(xué)建工學(xué)院，研究方向:項(xiàng)目管理與投融資。