李元杰，婁作興

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

水利水電工程樞紐中，必須設(shè)置泄水建筑物，用于宣泄庫(kù)容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。對(duì)于土石壩，一般不容許從壩身溢流或大量溢流；當(dāng)河谷狹窄而泄量較大，難于經(jīng)混凝土壩泄放全部洪水時(shí)，則需在岸邊或天然埡口位置建造岸邊溢洪道或開(kāi)挖泄水隧洞。泄水建筑物除了應(yīng)有足夠的泄流能力，還應(yīng)保證其自身的安全和下泄水流與河道水流獲得妥善的銜接[1]。消能方式的選擇與泄水建筑物的布置、下游的水流條件、河道的地形地質(zhì)條件以及工程的運(yùn)行條件等有關(guān)[6]。泄洪消能是水利水電建設(shè)中的重要技術(shù)問(wèn)題，如果不采取有效措施，將會(huì)沖刷下游岸坡與河床，危及樞紐的安全[8]。隨著壩工建設(shè)的快速發(fā)展，泄洪消能技術(shù)有不少新的進(jìn)展，其中挑流消能發(fā)展很快，已成為中高水頭、大單寬流量泄水建筑物的消能措施，它工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要修建大量的河床防護(hù)工程[7]。對(duì)于高水頭泄水建筑物采用挑流消能應(yīng)注意各級(jí)流量下泄時(shí)的消能效果，因小流量下泄對(duì)鼻坎下游的岸坡淘刷不可避免，可能威脅到工程的安全[9]。由于下泄水流往往具有水頭高、流速大且水股集中的特點(diǎn)，能量較大，若不進(jìn)行妥善處理并采取有效措施，將會(huì)導(dǎo)致下游河床和岸坡被嚴(yán)重沖刷，甚至造成岸坡坍塌，進(jìn)而危及大壩和泄水等建筑物的穩(wěn)定和安全。因此，泄水建筑物采用挑流消能方式的關(guān)鍵在于選擇適宜的挑坎體型，利用高速水流流向的可導(dǎo)性以及水股形狀的可變性，使之對(duì)高速水股進(jìn)行定向拋射[10]，使射流部分能量盡可能在空中消除，并有效控制射流落入下游河床的位置、范圍和流量分布[5]。近年來(lái)新型挑流消能工不斷出現(xiàn)，目前挑流消能工主要有連續(xù)坎、差動(dòng)坎、窄縫坎、扭曲坎、擴(kuò)散坎、斜挑坎、高低坎等[3]，其他已在某些工程成功應(yīng)用的如復(fù)式挑坎[10]、分條復(fù)式扭曲挑坎[11]等。由于水利水電工程建設(shè)中，不同工程樞紐布置、地形地質(zhì)條件、泄水建筑物布置、水文和運(yùn)用等條件千變?nèi)f化，上述挑坎體型適用范圍和效果均有一定的局限性，有時(shí)還不能達(dá)到理想的要求和消能效果，解決某些工程泄水遇到的實(shí)際問(wèn)題。為此，本工程提出了一種非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎,并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，力求達(dá)到工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)和建設(shè)要求[7]。

1 工程概述

黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市南部紫云縣境內(nèi)，壩址在紅水河的一級(jí)支流格凸河中游河段上。黃家灣水利樞紐是綜合利用的水利工程，工程任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并結(jié)合發(fā)電。水庫(kù)多年平均供水量為9321萬(wàn)m3，壩后電站裝機(jī)容量為2.4萬(wàn)kW。工程主要由首部樞紐工程和供水工程、灌溉工程組成。水庫(kù)總庫(kù)容15720萬(wàn)m3，為Ⅱ等大(2)型工程。首部樞紐工程主要由大壩、左岸溢洪道、泄洪放空隧洞、右岸供水灌溉取水系統(tǒng)、壩后電站及副壩組成。大壩按100年一遇(P=1%)洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇(P=0.05%)洪水校核，下游消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%)。溢洪道為本工程主要的泄洪建筑物。

圖1 岸邊式溢洪道布置示意圖

2 溢洪道地質(zhì)條件及其布置

2.1 溢洪道地質(zhì)條件

溢洪道沿線第四系覆蓋層廣布，主要為殘坡積粘土夾碎石，厚0.5～3.3m。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)邊陽(yáng)組第二段第四層的薄至中厚層泥巖與砂巖互層，第五層的薄至中厚層泥巖夾少量砂巖，垂直強(qiáng)風(fēng)化層厚6～13m。溢洪道邊坡工程區(qū)主要為泥巖，局部位置砂巖與泥巖相間分布或呈互層狀分布，砂巖厚0～1.5m，厚度不均勻，砂巖層間夾極薄層頁(yè)巖。局部裂隙較發(fā)育，穩(wěn)定性較差。溢洪道出口下游河床較窄，常年水位水面寬度約40m，河床砂卵石層厚2～4m，下伏基巖為砂泥巖，屬軟質(zhì)巖，抗沖能力較差。

2.2 溢洪道布置

本工程溢洪道布置時(shí)綜合考慮地形地質(zhì)條件、樞紐布置、水力條件、泄水建筑物運(yùn)行要求、工程量和投資等因素，溢洪道控制段緊挨左壩肩布置，軸線為直線布置，方位角N66.92°W，與河道走向呈小角度相交，溢洪道軸線水平長(zhǎng)度419.353m，出口距離下游壩腳約150m。溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、挑流消能段等組成，進(jìn)水渠采用C25混凝土襯砌，控制段溢流面為C30混凝土結(jié)構(gòu)，泄槽和挑流段為C35HF混凝土結(jié)構(gòu)。溢洪道校核工況下最大泄量為1598m3/s，控制段溢流堰頂高程1045m，共設(shè)置3孔弧形閘門(mén)控制泄洪，并設(shè)1扇檢修門(mén)3孔共用。泄槽段凈寬為20.0m，泄槽末端采用挑流消能方式，挑坎下游設(shè)置護(hù)坦。溢洪道布置如圖1所示。

3 消能方式選擇

溢洪道出口距離下游壩腳位置約150m，距離下游永久交通橋約245m，距離右岸壩后電站尾水渠出口約60m，距集魚(yú)系統(tǒng)約45m，集魚(yú)系統(tǒng)布置于廠房尾水渠下游，位于溢洪道出口正對(duì)岸略偏下游。溢洪道出口下游河床砂卵石層厚2～4m，下伏基巖為砂泥巖，屬軟質(zhì)巖，抗沖能力較差。消能方式的選擇兼顧地形地質(zhì)條件、水力條件、溢洪道布置和運(yùn)行要求、工程量和投資等進(jìn)行綜合分析選定。結(jié)合本工程特點(diǎn)，溢洪道出口消能方式可采用底流消能和挑流消能。由于溢洪道上、下游水位差達(dá)63m，泄槽單寬流量大，校核工況下最大單寬泄量為79.9m3/s，泄槽末端流速達(dá)30m/s，若采用底流消能，因岸坡及河床地質(zhì)條件較差，消力池結(jié)構(gòu)尺寸大，工程量和投資較大，對(duì)左岸坡的影響也較大。同時(shí)，若采用底流消能則消能工距離右岸電站尾水渠和集魚(yú)系統(tǒng)較近，泄洪時(shí)對(duì)電站尾水和集魚(yú)系統(tǒng)影響較大。另外，底流消能受外界條件影響大，水力學(xué)邊界條件難以準(zhǔn)確確定，消能工設(shè)計(jì)不確定因素多。綜上所述，本工程采用底流消能方式不合適。溢洪道軸線與河道走向斜交，下游河道較為順直，采用挑流消能可節(jié)省投資，泄洪時(shí)對(duì)大壩安全無(wú)影響，對(duì)廠房尾水和集魚(yú)系統(tǒng)及下游岸坡的影響也較小，故本工程采用挑流消能方式。

4 挑流消能工設(shè)計(jì)

4.1 挑流消能工體型選擇

水利水電工程中，往往因地形地質(zhì)條件、樞紐布置、下泄洪量較大、岸邊式泄水建筑物出口對(duì)岸布置有建筑物、下游河道較窄等原因，泄水建筑物出口軸線與下游岸坡只能呈較小角度相交，但下游岸坡及河床抗沖刷能力較差的條件下，采用目前已有的挑流消能工型式達(dá)不到理想的效果，在空中消能不夠充分，不能有效控制射流落入下游河床的位置、范圍，不能較好的保護(hù)下游靠山側(cè)岸坡以及減輕對(duì)河床的沖刷。因此，采用挑流消能的關(guān)鍵在于選擇適宜的挑坎體型。

目前，已有的挑坎體型各有優(yōu)缺點(diǎn)，連續(xù)坎構(gòu)造簡(jiǎn)單，坎上水流平順，不易發(fā)生空蝕破壞，水股挑距遠(yuǎn)；差動(dòng)坎消能效果較連續(xù)坎好，但易發(fā)生空蝕破壞；斜挑坎、扭曲坎挑射水流能改變方向，差動(dòng)坎和斜挑坎、扭曲坎挑距較連續(xù)坎小。本工程若采用連續(xù)坎，消能效果不夠理想；若采用常規(guī)差動(dòng)坎，消能效果較好，但這兩種挑坎的挑射水舌均距離左岸坡較近，對(duì)岸坡的沖刷影響較大；若采用傳統(tǒng)斜挑坎、扭曲坎可使出坎水流轉(zhuǎn)向，對(duì)靠山側(cè)的沖刷影響較小，但消能效果不夠理想。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，溢洪道挑流消能工經(jīng)分析研究后采用一種新型非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。挑坎體型如圖2所示。

4.2 非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎設(shè)計(jì)

本工程溢洪道消能工采用一種非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行挑坎布置、高坎和低坎挑角、鼻坎高程、坎高、反弧半徑及收縮轉(zhuǎn)向等設(shè)計(jì)[1- 4]，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)多方案成果比較后確定挑坎體型，挑坎段平面布置及縱、橫向剖面如圖3—圖5所示。

圖2 非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎體型

挑流消能段進(jìn)口凈寬20.0m，出口凈寬18.435m。挑坎段結(jié)構(gòu)包括挑坎基礎(chǔ)、挑坎坎體和挑坎邊墻。挑坎起始端和上游泄槽末端銜接，挑坎基礎(chǔ)為C20混凝土，挑坎為非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，挑坎坎體與左、右側(cè)邊墻均為C35HF鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，挑坎最小厚度為1.0m，左、右側(cè)邊墻厚度為1.5m。挑坎總體轉(zhuǎn)向收縮，在挑坎段泄槽軸線未轉(zhuǎn)向，軸線左側(cè)(靠山側(cè))挑坎總體向河床方向轉(zhuǎn)向并收縮，軸線右側(cè)挑坎總體向河床方向略有轉(zhuǎn)向并適當(dāng)擴(kuò)散。挑坎左、右側(cè)邊墻非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向，各自與其相鄰的高(低)坎相同程度轉(zhuǎn)向，邊墻厚度不變。

挑坎共計(jì)2個(gè)高坎和2個(gè)低坎。高坎(齒)、低坎(槽)相間布置，為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。高、低坎的起始斷面寬度比均為1.5，高坎起始斷面寬為6.0m，低坎起始斷面寬為4.0m。高坎末端坎頂高程為996.632m，挑流鼻坎的反弧半徑為20m，挑角為29°。低坎末端坎頂高程為994.912m，挑流鼻坎的反弧半徑為22m，挑角為23.673°。

挑流段軸線左側(cè)的高、低坎均為不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮，高坎、低坎的轉(zhuǎn)向收縮程度不一。高坎左側(cè)轉(zhuǎn)向角度為8.5°，右側(cè)轉(zhuǎn)向角度為4.0°，高坎起始斷面寬為6.0m，末端斷面寬為4.435m；低坎左側(cè)轉(zhuǎn)向角度為4.0°，低坎右側(cè)未轉(zhuǎn)向，低坎起始斷面寬為4.0m，末端斷面寬為2.624m。

圖3 挑坎段平面布置示意圖

圖4 挑坎段縱剖面示意圖

圖5 挑坎段橫剖面示意圖

挑流段軸線右側(cè)的高坎(梯形坎)沿軸線方向不轉(zhuǎn)向，橫剖面兩側(cè)坡比為1∶0.3，斷面底寬為6.0m；低坎靠河床側(cè)向河床方向略有轉(zhuǎn)向適當(dāng)擴(kuò)散，向河床方向轉(zhuǎn)向角度為4.0°，低坎起始斷面寬為4.0m，末端斷面寬為5.376m。

該非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，體型較為簡(jiǎn)單，突破了常規(guī)的斜挑坎、扭曲坎、差動(dòng)式挑坎體型，集上述挑坎優(yōu)點(diǎn)于一體，挑坎沿流程非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮，使射流挑離鼻坎后發(fā)生一定的轉(zhuǎn)向，在空中摻氣、擴(kuò)散、水質(zhì)點(diǎn)相互混摻碰撞加強(qiáng)，射流的部分能量能較好的在空中得以消減，并能有效控制射流落入下游河床的位置、范圍及流量分布，達(dá)到保護(hù)下游靠山側(cè)岸坡和減輕對(duì)河道沖刷的目的，減小了下游河床和岸坡防護(hù)的工程量，節(jié)省了工程投資。

4.3 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

4.3.1各泄洪工況挑射水舌形態(tài)、入水情況

溢洪道各泄洪工況下的挑流參數(shù)見(jiàn)表1，各工況下的挑流水舌形態(tài)、與左岸坡的距離及入水情況如圖6所示。各工況下挑流水舌均偏離左岸坡，挑射水流的主入水區(qū)均基本位于河床中心位置，避免了挑流水舌對(duì)左岸坡的直接沖刷，并減輕了對(duì)河床的沖刷。挑流水舌的最大挑距為103.2～105.6m，落水最遠(yuǎn)點(diǎn)距離下游永久交通橋約140m。因此，各工況下泄洪對(duì)左岸坡的影響較小，對(duì)大壩下游壩腳、挑流段基礎(chǔ)、右岸發(fā)電廠房及集魚(yú)系統(tǒng)的安全無(wú)影響，對(duì)下游永久交通橋的影響也較小。

圖6 各泄洪工況挑流水舌形態(tài)、入水情況示意圖

表1 溢洪道各泄洪工況挑流參數(shù)

表2 挑坎段壓力分布

4.3.2各泄洪工況下挑坎沿程壓力分布

在溢洪道挑坎段共布設(shè)了6個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，左側(cè)高坎側(cè)壁和右側(cè)高坎側(cè)壁各布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，右側(cè)高坎和低坎的中段和后端各布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)具體布置如圖7所示。

圖7 挑流段壓力測(cè)點(diǎn)布置

各泄洪工況挑坎段的壓力分布見(jiàn)表2，在5個(gè)工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)負(fù)壓情況，3號(hào)測(cè)點(diǎn)(溢0+278.385m，995.009m高程)各工況下的壓力較低，范圍在3.11～7.03m水柱。因此，各工況下挑坎段沿程未出現(xiàn)負(fù)壓，挑坎結(jié)構(gòu)不易發(fā)生空蝕破壞。

4.3.3各泄洪工況下挑坎段流速分布

在挑坎上布置了3個(gè)斷面測(cè)量挑流段的流速分布，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。流速具體分布見(jiàn)表3。各工況下，左右兩個(gè)高坎的流速相對(duì)于低坎要低，但是相差不大，比較均勻，且三個(gè)斷面平均流速相差不大，因此挑坎段流速分布較為均勻，水流流態(tài)較好。

圖8 挑坎段流速測(cè)點(diǎn)示意圖

4.3.4各泄洪工況下壩腳下游回流

模型試驗(yàn)分別在左岸布設(shè)了3個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，在右岸集魚(yú)系統(tǒng)位置布設(shè)了4個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)具體布置如圖9所示，回流流速見(jiàn)表4、表5。左岸最大回流流速5.13m/s，右岸最大回流流速5.04m/s。右岸回流流速較小，對(duì)電站尾水的影響較小，在集魚(yú)設(shè)施岸邊側(cè)設(shè)置一定高度的擋墻可減小回流對(duì)電站尾水的影響。

表4 左岸回流流速

圖9 左、右兩岸回流流速測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)點(diǎn)右岸回流流速(m/s)工況1工況2工況3工況4工況513.433.353.513.312.8924.013.764.673.603.7633.563.183.563.473.2743.352.602.893.062.36

4.3.5各泄洪工況下挑射水流對(duì)河道的沖刷

挑坎下游河道沖刷試驗(yàn)，在相當(dāng)于原型0.6～0.7m的動(dòng)床粒料條件下，各泄洪工況下的挑射水舌入水范圍基本在河床中部，沖坑沖刷形態(tài)比較均勻，沖坑最低點(diǎn)均基本位于下游河道的中央，沖坑最低點(diǎn)距離尾坎為72.08～106.00m，沖坑深度9.86～12.06m，具體沖刷情況見(jiàn)表6。根據(jù)分析可知：挑射水流入水時(shí)能量較小，對(duì)河道的沖刷不嚴(yán)重，沖坑后坡滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)泄水建筑物采用挑流消能方式的關(guān)鍵在于選擇適宜的挑坎體型，充分消能并有效控制射流落入下游河床的位置、范圍和流量分布。

(2)水利水電工程建設(shè)中，不同工程條件千變?nèi)f化，常規(guī)的挑坎體型適用范圍和效果有一定的局限性，應(yīng)根據(jù)工程情況選擇具有適應(yīng)性好、高效、安全等特點(diǎn)的挑坎體型。

(3)文中的非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，消能效果較好，并能有效控制射流落入下游河床的位置、范圍，達(dá)到了保護(hù)下游岸坡和減輕對(duì)河床沖刷的目的，并節(jié)省了工程投資。

表6 各泄洪工況下河道的沖刷情況