殷 亮，徐建軍，魏海寧，黃熠輝

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

楊房溝水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，為一等大(1)型工程。壩址控制流域面積8.088萬km2，多年平均流量896 m3/s。工程開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，電站總裝機容量1 500 MW(4×375 MW)，多年平均年發(fā)電量68.557億kW·h。水庫總庫容5.125億m3，正常蓄水位2 094 m，死水位2 088 m，調(diào)節(jié)庫容0.538 5億m3。

楊房溝水電站樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水、泄洪建筑物按500年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)流量為9 320 m3/s；5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)流量為11 200 m3/s；消能防沖建筑物按100年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)流量為7 930 m3/s。

對于具有大落差、窄河谷、泄洪流量大的高拱壩，壩身泄洪消能多采用表深孔挑跌流水舌空中碰撞+下游水墊塘的泄洪消能方式，如二灘拱壩[1]、小灣拱壩[2]和溪洛渡拱壩[3]等，在這些工程中得到了成功應(yīng)用。但也存在一些問題，比如水舌橫向擴散與河谷狹窄矛盾、水舌空中碰撞增加泄洪霧化程度等。為解決這些問題，在吸收碰撞泄洪消能優(yōu)點的基礎(chǔ)上，逐漸摸索出無(弱)碰撞泄洪消能技術(shù)，即拱壩泄洪孔口采用收縮式消能工，使表孔、中(底)孔出口水舌豎向擴散，縱向拉長，以減小入射水流在水墊塘單位面積上的集中強度，增加消能率，減輕對下游的沖刷[4- 6]。無(弱)碰撞泄洪消能技術(shù)在錦屏一級拱壩壩身得到了成功應(yīng)用[7]。

寬尾墩是我國學(xué)者林秉南院士和龔振贏[8，9]在20世紀(jì)70年代首創(chuàng)的一種新型消能工，常用于混凝土壩表孔，以實現(xiàn)射流水股的縱向分散和摻氣。但楊房溝水電站工程表孔位置高，水頭低，出射水流流速相對要小，僅通過在表孔出口設(shè)置寬尾墩不能使入水水舌沿縱向擴散，還會引起表孔水面線過高、降低泄流能力等問題。

楊房溝水電站工程泄洪消能具有“河谷狹窄、岸坡陡峻，流量大、水頭高，水墊塘兩岸地形不對稱且長度受限”等特點，尤其是“水墊塘兩岸地形不對稱且長度受限”問題突出，給泄洪消能建筑物布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力學(xué)指標(biāo)控制、岸坡防護設(shè)計和下游防沖帶來了較大的技術(shù)難度[10]。為此，對于該工程泄洪消能建筑物設(shè)計原則及要求如下[11]：①結(jié)合水庫調(diào)節(jié)庫容小等特點，應(yīng)采取靈活可靠的泄洪方式，并具有一定的超泄能力；②盡量充分利用混凝土壩和下游水位較高的有利條件，采用壩身泄洪、壩后消能；③壩后消能區(qū)盡量減少對兩岸邊坡開挖為宜，控制消能區(qū)沖擊壓力，同時避免干砸岸坡；④盡量減輕壩身分層孔口出流空中碰撞，控制泄洪霧化影響范圍；⑤應(yīng)協(xié)調(diào)好泄洪消能與樞紐建筑物之間關(guān)系，避免對尾水出流造成不利影響。

1 可研及招標(biāo)階段泄洪消能建筑物布置

可研階段，綜合考慮壩高、泄流量、壩后消能區(qū)地形地質(zhì)條件、壩身開孔對壩體結(jié)構(gòu)的影響、壩后水位情況等因素，對“3表+4中”、“4表+5中”、“5表+4中”3種方案從水力計算、泄洪孔口布置、工程量及工程可比投資等方面進行了技術(shù)經(jīng)濟綜合比較分析，推薦采用3個表孔(12 m×14 m)+4個中孔(5.5 m×7 m)。通過1∶60比尺整體水力學(xué)模型試驗，對表、中孔“碰撞消能”和“無(弱)碰撞消能”兩種形式從泄流能力、水流流態(tài)、水墊塘沖擊壓強和脈動壓強、下游河道流態(tài)及流速分布、孔口運行方式等進行了的模型試驗研究。

由于“碰撞消能”方案存在水舌沖擊水墊塘兩岸邊墻的情況，塘內(nèi)水流流態(tài)較差，泄洪水舌散裂及激濺區(qū)范圍大大增加；中孔單獨泄洪時，存在頂沖二道壩的情況；二道壩后水面跌落最大約11 m，存在二次消能問題。因此，推薦采用表、中孔“無(弱)碰撞消能”形式。設(shè)計洪水位工況下，“碰撞消能”和“無(弱)碰撞消能”兩種形式表中孔聯(lián)合運行泄洪水舌形態(tài)見圖1。

圖1 設(shè)計洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運行泄洪水舌形態(tài)

3個表孔溢流面采用WES堰，堰頂高程2 080 m。表孔堰頂控制線圓弧半徑為210 m。表孔平面呈上游等寬(12 m)、下游收縮(分別收縮到8.7 m和10 m)，收縮角分別為5.27°、4.4°和2.94°。表孔出口采用30°俯角出流。

4個中孔分別布置在表孔閘墩下部。進出口底高程均為2 029 m，進口尺寸為5.5 m×8 m，出口尺寸5.5 m×7 m。為避免水舌搭接，將2號、3號中孔中心線分別向兩側(cè)岸坡方向偏轉(zhuǎn)1°。中孔出口采用窄縫出流，出口寬度由5.5 m收縮到3.3 m，收縮段長為7 m。

水墊塘采用底部為平底的復(fù)式梯形斷面，長約199.97 m。水墊塘頂高程2 002 m，底高程1 953～1 949～1 953 m，底寬為75～45～67 m不等，兩岸邊墻坡比為1∶0.3，在高程1 988.5 m和1 968 m分別設(shè)有3 m寬馬道。二道壩采用混凝土重力壩，壩頂高程為1 988.5 m，壩高38.5 m，上游壩坡為1∶0.3，下游壩坡為1∶0.5。二道壩后設(shè)有護坦，長20 m。

校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布見圖2，底板沖擊壓強最大值為14.1×9.8 kPa。

圖2 校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布

2 施工圖階段泄洪消能深化研究

根據(jù)可研階段水力學(xué)模型試驗成果及歷次咨詢評審意見，為進一步改善下游消能條件、提高工程泄洪消能安全性和運行靈活性，通過1∶50比尺水工模型，施工圖階段泄洪消能設(shè)計深化研究分兩階段開展，第一階段在可研階段“3表孔+4中孔”方案的基礎(chǔ)上進行深化研究，第二階段研究工作針對“4表孔+3中孔”方案進行深化研究，綜合兩階段成果進行技術(shù)經(jīng)濟比選后，提出施工圖階段的泄洪消能建筑物布置推薦方案。

2.1 “3表孔+4中孔”方案深化研究

可研階段整體水力學(xué)模型試驗成果表明：表孔水面線均在閘門支鉸以下，不會沖擊閘門支鉸。中孔有壓段后沿程水面線升高明顯，但均低于閘門支鉸和兩側(cè)牛腿最低點高程。實際運行過程中，受波浪等因素的影響，表孔水面線可能會波及到大梁底部，可能會對泄流能力及大梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。中孔出口受水面線影響亦較大，不僅影響弧門支鉸和大梁的布置，而且影響尾部收縮段的結(jié)構(gòu)。此外，水墊塘底板最大附加時均動水壓強(14.10×9.81 kPa)和脈動壓強均方根值(10.03×9.81 kPa)相對于楊房溝工程規(guī)模而言有些偏大，二道壩后河道主流明顯偏于右側(cè)，下游河道流速相對偏大(12.3 m/s)。

因此，第一階段研究工作，除了對可研階段模型試驗成果進行復(fù)核外，擬通過模型試驗對局部結(jié)構(gòu)體型進行優(yōu)化調(diào)整，重點解決以下幾個問題：①表、中孔出口段水面線偏高；②水墊塘底板最大附加時均動水壓強和脈動壓強均方根值偏大；③下游河道流速偏大；④泄洪霧化降水影響范圍預(yù)測。

“3表孔+4中孔”方案設(shè)計深化研究主要工作包括以下幾方面：①調(diào)整表孔寬尾墩收縮比(0.4和0.5)，優(yōu)化表孔尺寸和出口俯角(32°～35°)，創(chuàng)新性地提出了楔形體+底板鏤空的新型組合體形(見圖3)；②調(diào)整中孔出口窄縫收縮比(0.6和0.8)，優(yōu)化中孔軸線偏轉(zhuǎn)角度(0.75°和1°)和出口角度(-10°～0°)；③調(diào)整水墊塘體形，增設(shè)阻水墩；④優(yōu)化二道壩擋水?dāng)嗝?，適當(dāng)下移二道壩增加水墊塘長度(15～25 m)。

圖3 “楔形體+底板鏤空”新型表孔結(jié)構(gòu)體形示意

通過上述設(shè)計方案及模型試驗研究，“3表孔+4中孔”深化方案布置為：表中孔尺寸與可研及招標(biāo)階段保持一致。表孔出口采用35°俯角出流，設(shè)有楔形體(水平長11 m、高15.5 m)+底板鏤空5 m，出口寬6.09～12 m。2、3號中孔中心線在控制點后分別向外側(cè)偏轉(zhuǎn)0.75°，中孔出口寬度由5.5 m收縮到4.4 m，收縮段長為7 m，中孔弧門半徑由14 m減小為12 m，支鉸高程由2 040.5 m相應(yīng)調(diào)整為2 039 m，中孔閘墩下游懸挑長度減小1.57 m。二道壩沿溢流中心線向下游移動15 m。

校核洪水位工況，表中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布見圖4，底板沖擊壓強最大值為11.8×9.8 kPa。

圖4 校核洪水位工況，表中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布

2.2 “4表孔+3中孔”方案深化研究

根據(jù)第一階段深化研究成果，各項主要水力學(xué)指標(biāo)雖然得到了明顯改善，但中孔單獨泄洪時消能效果仍不理想。結(jié)合專家咨詢評審意見，為充分利用表孔泄洪消能效果較好的條件，提高常遇洪水的泄洪消能安全性及運行靈活性，第二階段深化研究工作重點解決以下幾個問題：①“4表孔+3中孔”方案的泄流能力及消能效果；②優(yōu)化表孔體形，增加挑距，保證表孔水舌跡線與中孔啟閉房、中孔閘墩的安全距離，保證表孔水舌落點與壩趾的安全距離；③優(yōu)化中孔體形，改善中孔單獨泄流時的流態(tài)和消能效果，保證中孔水面線與中孔弧門支鉸及大梁的安全距離。

“4表孔+3中孔”方案設(shè)計深化研究主要工作包括以下幾方面：①調(diào)整表、中孔整體布置(整體向下游平移1.65 m)，盡可能減小壩外懸挑長度；②調(diào)整表孔堰頂軌跡線圓弧半徑(210、190、150 m)和出口俯角(32°和35°)；③調(diào)整1號和4號表孔末端楔形體體形，研究對稱布置的可行性；④調(diào)整中孔出口收縮比(0.8和1.0)，研究不收縮的可行性。

通過上述設(shè)計方案及模型試驗研究，“4表孔+3中孔”方案布置為：表孔尺寸為寬10 m、高14 m，中孔尺寸為寬5.5 m、高7 m。表孔布置整體向下游平移1.65 m，中孔進口結(jié)構(gòu)向下游平移0.95 m。表孔堰頂軌跡線圓弧半徑由210 m調(diào)整為190 m，相鄰表孔中心線夾角由6.546°調(diào)整為7°。表孔出口俯角由35°調(diào)整為32°，設(shè)有楔形體(水平長11.48 m、高15.67 m)+底板鏤空4 m，出口寬6.09～12 m。相鄰中孔中心線夾角為7°，平面上不進行偏轉(zhuǎn)。1、3號中孔出口俯角10°、頂部壓坡12°，2號中孔出口俯角3°、頂部壓坡7°。中孔出口收縮體形、弧門半徑、支鉸高程、二道壩位置等與“3表+4中”方案一致。

“4表孔+3中孔”方案平面布置見圖5。校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布見圖6，底板沖擊壓強最大值為10.47×9.8 kPa。

圖5 “4表孔+3中孔”方案平面布置

圖6 校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強分布

2.3 泄洪消能布置方案比選

(1)“3表孔+4中孔”和“4表孔+3中孔”兩種泄洪孔口布置方案泄流能力均可以滿足設(shè)計要求，且略有余度。

(2)校核(P=0.02%)、設(shè)計(P=0.2%)、消能防沖(P=1%)洪水工況下，可研階段 “3表4中”布置方案、施工圖階段“3表4中”布置方案和施工圖階段“4表3中”布置方案整體水力學(xué)模型試驗關(guān)于水墊塘底板沖擊壓強、脈動壓強均方根的試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，施工圖階段“4表3中”布置方案在校核、設(shè)計、消能防沖洪水工況下水墊塘底板沖擊壓強最大值和脈動壓強均方根總體比可研階段“3表4中”、施工圖階段“3表4中”布置方案有所降低，對保證水墊塘安全運行更加有利。

表1 不同階段典型工況下，水墊塘底板壓強試驗成果對比

(3)施工圖階段“4表3中”布置方案在校核、設(shè)計洪水工況下二道壩下游河道流速比可研階段“3表4中”布置方案總體上有所降低，與施工圖階段“3表4中” 布置方案基本相當(dāng)。兩種布置方案表、中孔水舌空中形態(tài)基本類似，表孔水舌與中孔水舌相互穿插下落，實現(xiàn)了表中孔出流水舌的無碰撞消能。水墊塘內(nèi)水流流態(tài)也基本相似。兩種布置方案表、中孔水面線均與弧門支鉸保持一定的安全距離，泄洪水舌均不會沖擊弧門支鉸。相對而言，“4表3中”布置方案中孔水面線的安全裕度更大。

(4)施工圖階段“4表3中”方案由于表孔數(shù)量多，其超泄能力更強，表孔全開+兩臺機組發(fā)電可以滿足宣泄常年洪水(P=20%)，運行調(diào)度更加靈活。兩種布置方案均對大壩施工影響不大，對施工導(dǎo)流程序和蓄水規(guī)劃影響很小。兩種布置方案工程投資基本相當(dāng)。

3 主要結(jié)論

楊房溝水電站工程泄洪消能問題突出，在可研階段審定的泄洪消能建筑物“3表孔+4中孔”布置的基礎(chǔ)上，施工圖階段開展了大量的設(shè)計優(yōu)化和模型試驗論證工作，優(yōu)化了“3表4中”布置、改善了泄洪消能水力學(xué)指標(biāo)，并進一步對“4表3中”和“3表4中”布置方案進行了深化比選研究。推薦的“4表孔+3中孔”布置方案水力學(xué)條件相對較優(yōu)，超泄能力強，運行調(diào)度更加靈活，可進一步提高楊房溝水電站工程泄洪安全性。

通過設(shè)計深化研究，創(chuàng)新性地提出了一種“楔形體+底板鏤空”新型導(dǎo)控表孔水舌的結(jié)構(gòu)，避免了采用寬尾墩收縮引起表孔水面線過高、降低泄流能力的問題，可為后續(xù)窄河谷、高水頭、大泄量、壩后消能區(qū)受限的水利水電工程提供借鑒和參考。