倪健博，田 忠，劉 文，張巨翼，譚 亮，王亞朦

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

泄水建筑物的設(shè)計必須適應(yīng)水文及地形地質(zhì)等條件，才能確保工程安全并發(fā)揮功效[1]。在重力壩設(shè)置表孔、中孔等多個泄水建筑物，有利于靈活運行調(diào)度，降低泄洪風(fēng)險。但是，在狹窄河谷中，如何控制多個泄水建筑物的水舌落點，讓其適應(yīng)窄河谷的地形特點，有效避免沖刷破壞是工程設(shè)計的重點及難點問題。針對單一挑坎的水舌落點問題，孫穎、薛宏程、張家明、馬飛、穆亮等分別對扭曲坎[2]、斜切坎[3]、窄縫坎[4]、燕尾坎[5]和差動坎[6]等展開了研究，并提出了相應(yīng)的解決思路。但是，利用不同挑坎形式的特點，控制窄河谷多泄水建筑物水舌落點的案列相對缺乏。鑒于此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合某抽水蓄能電站泄水建筑物水舌落點的控制問題，利用燕尾坎和斜切坎的特性，有效控制了窄河谷多個泄水建筑物的水舌落點，并總結(jié)了相應(yīng)設(shè)計經(jīng)驗。

1 工程概況及試驗設(shè)計

某水電站裝機容量為1 500 MW，水庫總庫容為1 580萬m3，正常蓄水位為1 389.00 m，死水位為1 364.00 m，攔河壩為混凝土重力壩，壩身設(shè)置了1個表孔和2個底孔，壩頂高程1 392.00 m。表孔孔口尺寸為9.00 m×7.00 m(寬×高)，堰頂高程1 382.00 m，2個底孔的孔口尺寸為5.00 m×6.00 m(寬×高)，底孔進口底板高程1 340.00 m。表孔、底孔均采用挑流消能。大壩下游河谷平均寬度僅30.00 m，如何控制表孔及底孔的水舌落點，讓其適應(yīng)窄河谷的地形條件是工程設(shè)計的重點及難點問題。

圖1 工程樞紐布置示意(單位：m)

試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計，模型比尺為1∶50，其中表孔、底孔等泄水建筑物采用有機玻璃加工制作而成，模型流量采用矩形薄壁堰測量。模型庫區(qū)和下游河道按照原始地形采用砂胚成形，水泥砂漿刮制，模型糙率通過比尺換算得到。工程樞紐布置見圖1，表孔、底孔各挑坎細部結(jié)構(gòu)分別見圖2、3。

圖2 初始體形表孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖3 初始體形中底孔和側(cè)底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

2 水舌落點試驗結(jié)果及分析

2.1 初始體形水舌落點分析

對結(jié)構(gòu)初始體形進行試驗，校核工況(流量2 910.00 m3/s、庫水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)下的水舌流態(tài)照片見圖4，水舌落點數(shù)據(jù)見表1，相應(yīng)水舌落點示意見圖5。由于初始體形采用連續(xù)挑坎，挑射水流橫向擴散充分，表孔、中底孔、側(cè)底孔水舌最大寬度分別為27.12、14.30、13.59 m，水舌總寬度超過50 m，大于河谷寬度(30 m)，導(dǎo)致水舌遠端落點直接沖砸河道右岸(樁號0+180.510處)。

圖4 結(jié)構(gòu)初始體形水舌流態(tài)照片

表1 結(jié)構(gòu)初始體形水舌落點測量結(jié)果(校核工況) m

圖5 初始體形各泄流孔口的水舌落點示意(單位：m)

2.2 水舌落點控制思路

針對結(jié)構(gòu)初始體形存在的問題，結(jié)合周鐘[7]對窄河谷中泄水消能系統(tǒng)布置的研究經(jīng)驗，將控制思路確定為“分區(qū)消能+分散入水”，即通過優(yōu)化挑坎體形，將表孔、底孔水舌的落點盡量錯開，到達“分區(qū)消能”的目的；同時調(diào)整挑坎體形，將水舌在縱向上充分?jǐn)U散，到達“分散入水”的目的。具體做法為：①表孔采用斜切坎的形式使水舌在橫向與縱向上拉伸擴散，同時將表孔挑坎的右邊墻倒圓，將水舌適當(dāng)向左岸調(diào)整，以避免對右岸邊坡的沖刷；②底孔采用燕尾坎體形，使水舌縱向分散。

2.3 挑坎優(yōu)化方案試驗成果

2.3.1表孔、底孔挑坎的優(yōu)化體形

徐敏等[8]通過泄洪洞挑坎對比研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整后的斜切坎結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)了水舌良好的分散入水，進而減弱了對河床的沖刷破壞，同時該挑坎結(jié)構(gòu)能夠較大角度地實現(xiàn)出挑水舌的偏轉(zhuǎn)。針對表孔及所在位置離河谷岸邊較近、初始體形水舌沖砸右岸岸坡的問題，考慮將表孔的挑坎形式由連續(xù)坎調(diào)整為斜切坎。對于表孔，在初始設(shè)計體形(保持設(shè)計體形各挑坎出口挑角不變)的基礎(chǔ)上，在樁號壩0+048.830位置對挑坎右邊墻進行倒圓處理，圓弧半徑為90.00 m，圓心角為12.63°，反弧末端相對于泄槽側(cè)墻橫向收縮為2.22 m；在樁號0+053.710位置開始將挑坎左邊墻取消，使之形成斜切挑坎。

程文磊等[9]通過對燕尾坎與連續(xù)坎的對比研究，發(fā)現(xiàn)燕尾形挑坎相比連續(xù)坎水舌的橫向擴散明顯減弱，且沿水流方向充分拉伸，整個水舌落點范圍呈狹長形，從而避免了對狹窄形水墊塘或河道兩側(cè)岸坡的沖刷，燕尾形挑坎更加適用于狹窄形河谷。針對窄河谷中多個泄水建筑物的落點可控制范圍受有限空間限制的情況，結(jié)合攔河壩下游河道條件及泄水孔口布置形式，考慮將中底孔和側(cè)底孔的挑坎形式調(diào)整為燕尾坎。對于側(cè)底孔，在初始設(shè)計體形的基礎(chǔ)上，在樁號壩0+058.650位置將挑坎底板進行局部開口，起始端開口寬度為2.5 m，末端開口寬度為4.0 m；將中間底孔底板圓弧半徑調(diào)整為R=30 m，圓心角為34.75°，出挑點高程為1 345.35 m。對于中底孔，在側(cè)底孔修改的基礎(chǔ)上，將燕尾坎起始端開口從樁號0+058.65移動至樁號0+052.90處，燕尾坎起始端開口寬度與末端開口寬度不變；同時，為了將水舌整體往上游位置調(diào)整，將底孔明流段截斷15 m，使調(diào)整后的燕尾坎起始端開口從樁號0+052.90移動至樁號0+037.90處。

優(yōu)化后的表孔、側(cè)底孔和側(cè)底孔挑坎細部結(jié)構(gòu)分別見圖6～8。

圖6 優(yōu)化方案表孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖7 優(yōu)化方案側(cè)底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖8 優(yōu)化方案中底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖9 優(yōu)化方案下水舌流態(tài)照片

2.3.2優(yōu)化方案的水舌落點分析

優(yōu)化方案后，校核工況(流量2 910.00 m3/s、庫水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)、消能防沖工況(洪峰流量624.20 m3/s、庫水位1 364.00 m、下游控制水位1 288.00 m)下挑流水舌流態(tài)照片見圖9，水舌落點數(shù)據(jù)測量結(jié)果見表2，繪制水舌落點示意見圖10。對試驗水舌落點進行分析，可知經(jīng)過優(yōu)化后的攔河壩各泄水建筑物出挑水舌均勻，水舌落點位于河道中部，水舌歸槽良好，能夠與窄河谷的地形特點相適應(yīng)，優(yōu)化方案可以滿足泄洪消能要求。

表2 優(yōu)化方案下水舌落點測量結(jié)果 m

圖10 優(yōu)化方案各泄流孔口的水舌落點示意(單位：m)

3 結(jié) 論

本文結(jié)合某山區(qū)窄河谷水電工程，在整體水工模型試驗的基礎(chǔ)上，研究了窄河谷下多個泄水建筑物水舌落點的控制問題。研究結(jié)果表明，窄河谷中，多個泄水建筑物的中孔位置可優(yōu)先考慮設(shè)置燕尾坎；斜切坎應(yīng)用于邊孔位置時，宜對靠岸坡的邊墻進行適當(dāng)?shù)牡箞A處理，有利于彌補孔口位置離岸坡較近的缺陷，防止沖刷岸坡；連續(xù)坎挑射水流橫向擴散充分，不宜應(yīng)用于窄河谷。