象鼻嶺拱壩水墊塘結構布置優化設計

焦雪梅，陳毅峰，崔 進，聶源宏，劉 杰

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

象鼻嶺水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸引水系統和地下廠房等組成。拱壩壩頂高程1 409.50 m，最大壩高141.50 m，壩頂長434.46 m，壩頂寬8.00 m，拱冠梁壩底厚35 m。

泄水建筑物由3個溢流表孔和2個中孔組成，主要承擔宣泄洪水及沖沙任務。泄洪表孔堰面為實用堰，堰頂高程1 397.00 m，孔口尺寸12 m×8 m(寬×高)，出口采用異形鼻坎挑流消能。中孔進口底板高程1 335.00 m，孔口控制尺寸4 m×6 m(寬×高)，出口采用窄縫挑流消能。大壩下游設有混凝土消力塘作為防沖結構。

2 前期設計方案及水工模型試驗成果

在可行性研究階段，結合象鼻嶺拱壩挑流消能方式，采用“護坦+護坡”的下游岸坡保護方式，即為保護壩腳不被淘刷，在壩基下游設置長70 m、寬57.8～32.00 m、厚3 m的C25混凝土護坦，護坦底部設置梅花形布置、間排距3 m的固結灌漿孔、錨桿、排水孔，其中固結灌漿孔、錨桿孔深入基巖6 m，排水孔深入基巖3 m。考慮校核洪水對應的下游水位為1 300.57 m，兩岸設2 m厚護坡至1 301 m高程。

根據可行性研究階段的整體水力學模型試驗成果，對于消能區的主要結論為：①消能區河道狹窄，加上表孔挑射水流入水能量集中，致使下游河道沖刷嚴重、護坦安全受到威脅，且電站尾水渠處于河道淤積區。②根據水力學模型試驗及泄洪排沙要求，泄水建筑物開啟方式初擬為，一般情況下開啟中孔運行(單孔運行時可開右側孔)，當泄量較大時再開表孔；表孔開啟時宜對稱開啟，先開中孔，后開兩邊孔。

3 優化設計思路

隨著工程施工的深入及現場地質條件的進一步明朗，結合多個同類工程的設計、施工、運行實踐經驗，經綜合研究認為，在以下幾個方面開展優化設計：

(1)可研招標階段，下游消能采用護坦結合護坡的消能形式，根據可研階段水力學模型試驗成果，推薦的泄洪運行方式為先開兩中孔壅高下游水位，而后開啟三表孔直至滿足校核洪水宣泄要求。象鼻嶺中孔底板高程1 335 m，正常蓄水位時水頭為60 m，常遇洪水頻繁使用深孔進行宣泄洪水對運行操作帶了諸多不便；可結合實際運行要求，考慮先后開啟中、表孔靈活使用。

(2)根據現場揭露的實際地質條件及壩肩開挖情況，兩壩肩下游岸坡較為陡峻，裂隙較為發育，在中孔水舌區域形成沖坑后，邊坡穩定問題較為突出；原設計采用設置深槽深入沖坑以下，以防止沖坑對護坡基礎的破壞，但從施工實踐上看，該深槽施工難度大，需直立向下開挖，工序復雜，施工安全問題較為突出。由于河床本身較為狹窄，可以研究將兩岸深槽之間的覆蓋層及巖體適當清理，以使施工變得更為簡單方便。

(3)根據多個同等工程的實踐，下游消能區需要不定期、定期進行檢修，原設計無尾坎(二道壩)，每次檢修均需要填筑防滲圍堰及灌漿閉氣，形成封閉水墊塘后，檢修不方便；可以研究合適的檢修通道及方案，為后期的運行檢修提供方便。

(4)水力學模型試驗表明，水墊塘至尾水水流整體偏向右岸，較為紊亂，不利于平穩尾水、發電出力，應考慮盡量歸順水流。

考慮以上幾個方面因素，開展了下游消能區消能優化設計研究。總體思路將護坦+護坡方案調整為水墊塘方案，即通過水墊塘壅高下游水位，形成一定的水墊，為先開啟表孔作為主泄洪通道創造條件；利用水墊塘尾坎作為水墊塘檢修圍堰，為水墊塘檢修提供便利條件；通過水墊塘底板的全面防護，取消了施工難度大、施工安全風險高、工序復雜、工期較長的護坡底部深槽，同時考慮加高護坡頂高程以減少涌浪對岸坡的影響；通過水墊塘下游岸坡的整治使水墊塘出水水流至尾水出口更為平順。

結合可行性研究階段水力學模型試驗成果，對消力塘寬度、底部高程、下游水位條件，對消力塘總體結構尺寸進行初擬：消力塘寬度受控于表孔水舌寬度，結合表孔運行方式，按中表孔單開，并水舌擴散約1.5倍確定消力塘河床中心寬度。5年一遇下泄流量約1 240 m3/s，下游水位高程約1 292 m，按形成10 m水墊后邊表孔泄洪考慮，確定護坦臺階高程為1 282.00 m，并根據水舌寬度確定其寬度。護坡開挖部位根據中孔水舌擴散范圍確定，水舌不直接沖擊護坡及其基礎。護坦底高程開挖至1 271.00 m，局部覆蓋層清理回填。由于該調整導致與可研階段水力學模型試驗邊界條件發生變化，下游消能區河道縮窄，對河道的消能提出了更高的要求。

4 優化方案水力學模型試驗研究

為了確保象鼻嶺下游消能的可靠性，結合下游消能結構的調整，進一步開展了整體水力學模型試驗研究。由于象鼻嶺水電站拱壩下游河床消能空間狹小，在整體水力學模型試驗過程中發現了遠比預想更多的問題與難點。試驗在初擬的消能防護結構基礎上，由開始的僅延長護坦長度，維持“護坦+護坡”方案，到全防護底板，再到利用尾坎解決入水水流沖擊導致水墊過薄問題，隨著研究不斷地深入，需求最合理的解決方案，最后形成消力塘+尾坎的下游防沖結構。其主要工作內容為：首先采用動床鋪設模擬消力塘段“護坡不護底”的狀況，通過不同泄洪工況的沖刷試驗，充分了解表孔、中孔及其聯合泄洪對下游河床的沖淤情況，再根據試驗結果，進行消力塘底板防護范圍和高程的方案對比試驗，爾后再通過尾坎方案研究確定最終的消力塘防護結構尺寸參數。

4.1 泄洪沖刷試驗

采用動床研究中表孔全開、左中孔全開、兩中孔全開、三表孔全開、中表孔+兩中孔全開、三表孔+兩中孔全開這6個組次不同孔口組合的下游河道泄洪沖刷情況，試驗泄洪流量從533 m3/s至3 149 m3/s，洪水標準涵蓋了常遇至100年一遇洪水，試驗結果基本反映了象鼻嶺水電站泄水建筑物在目前體形及布置方案下的泄洪沖淤狀況。試驗表明：當表孔泄洪時，其水舌以橫向擴散為主，水舌入水區域在護坦段中下部，從表孔單孔全開泄洪到三孔全開泄洪，主要沖刷坑在護坦末端前后共約30～60 m范圍內，最大沖深7.8～14.5 m；當中孔泄洪時，其水舌呈縱向擴散，水舌上緣最遠入水斷面在護坦末端下游48 m處，主要沖刷坑在護坦末端至下游約100 m范圍內，最大沖深2.5～7.5 m，而護坦段河床沖刷輕微。中小洪水下游水深相對較淺，各孔口泄洪水舌的沖擊力相對較大，隨著泄洪流量的增大，下游水深也隨之增大，大流量泄洪對下游河床的沖刷程度并無大幅增加。

4.2 消力塘底板防護方案對比試驗

根據泄洪沖刷動床試驗結果，在消力塘兩岸岸坡防護保持不變的情況下，選擇消力塘底板不同的防護長度和高程進行方案對比試驗，主要比較各方案的下游泄洪沖淤狀況。試驗組次選取兩中孔全開泄洪、三表孔全開泄洪和三表孔+兩中孔全開泄洪，該3個組次代表了中孔泄洪、表孔泄洪以及表、中孔聯合泄洪的工況。

擬定3種消力塘底板防護方案：①方案1。底板長95.1 m，頂高程1 274.0 m。②方案2。在方案1的基礎上，將底板面高程降低3 m至1 271.0 m，長度不變。③方案3。根據主要泄洪沖刷坑的位置，消力塘底板防護方案3重點對消力塘后段35 m及消力塘下游20 m長度范圍進行防護，防護總長度55 m，底板面高程1 274.0 m。

通過泄洪沖刷試驗下游沖淤數據的比較得出：①與消力塘動床試驗(消力塘不護底試驗)結果相比，消力塘底部進行防護后，各工況其下游泄洪沖刷深度有了大幅度減小，在下游消能區河道非常狹窄的情況下，消力塘作底板防護是必要的；②消力塘底板頂高程分別設為1 274.0 m(方案1)和1 271.0 m(方案2)時，下游沖淤形態和沖刷程度區別不大；③方案3實際上是適當延長了底板防護長度，其下游沖坑深度進一步減小。因此，從下游泄洪沖刷方面考慮，認為適當延長底板防護長度對減輕下游沖刷更為有利。

4.3 防護底板延長方案試驗

通過對消力塘段動床試驗和底板防護方案的初步比選試驗結果的分析，考慮到下游消能區河道非常狹窄，一些泄洪工況下的消力塘末端及其下游附近的沖刷仍較為嚴重，對消能區河道岸坡的穩定有一定影響，因而考慮將消力塘底板防護長度延長至下游護坡末端，即底板防護長度從目前消力塘段的95.1 m再向下游延長58 m。防護底板延長方案試驗將底板高程設為1 271 m和1 274 m兩種情況分別進行了觀測，試驗觀測內容包括底板防護段水面線、底部及岸邊流速、底板壓力和下游沖淤地形。

(1)防護段底板高程為1 271.0 m和1 274.0 m 時的水面線對比分析表明：①各試驗組次底板防護段水深沿程逐漸增大。當底板頂高程為1 271.0 m 時，壩腳處水深為10.6～15.6 m，底板末端水深為21.8～26.6 m；當底板頂高程為1 274.0 m時，壩腳處水深為8.6～12.4 m(兩中孔泄洪除外)，底板末端水深為18.8～24.9 m。②各相同工況的防護段水面高程變化不大，兩者高差基本不超過1 m(兩中孔泄洪除外)。③當底板頂高程為1 274.0 m、兩中孔泄洪時，由于中孔水舌入水角度較小，在水舌向下游推力的作用下，底板防護段水深不穩定，間歇性出現水深為零即中孔水舌直接沖砸在防護底板上的現象，對泄洪消能和底板穩定極為不利。

(2)底板時均壓力觀測結果表明：①正常水位兩中孔全開泄洪時，無論底板高程為1 271.0 m或是1 274.0 m，僅在中孔水舌頭部落點處即底板延長段末端中部有沖擊壓力峰值，最大時均壓力為221.48～233.24 kPa，除此之外，整個防護底板壓力平穩。②正常水位三表孔全開泄洪時，表孔水舌上緣集中跌落區域的底板面上有明顯的沖擊壓力峰值，具體部位在原消力塘末端上游5～15 m范圍內。1 271 m 底板高程和1 274 m底板高程最大時均壓力峰值分別為241.08～278.32 kPa和252.84～303.80 kPa。③正常水位三表孔+兩中孔全開聯合泄洪時，隨著下泄流量的增加，防護段水墊深度隨之增大，并且在表孔與中孔水舌相互作用之下，表孔水舌對底板的沖擊壓力大幅減小，中孔水舌對底板的沖擊壓力峰值則基本消失。

(3)從流速分布可看出，各試驗組次消力塘前部約65 m范圍內兩岸基本為回流流態，流速一般為1～3 m/s；最大流速出現在消力塘中、后部，不同試驗工況最大流速達到6～12 m/s。由于消力塘內水流呈強烈紊動狀態，水流流向變化不定，并且不同的底板高程也會產生局部流態的不同，使流速分布的規律性較弱。

(4)消力塘防護底板向下游延長58 m后，三表孔和兩中孔水舌落點均在防護底板范圍內，從而使防護段下游河道沖刷范圍和深度大幅減小，電站尾水渠內也無沙石淤積。

圖1 優化后的水墊塘平面布置示意

4.4 全底板防護+尾坎方案試驗

防護段下游河道沖淤程度比消能塘原設計防護方案大幅度減輕，保證了河道兩岸岸坡的沖刷穩定性，基本達到了底板延長防護的目的。但主要還存在以下兩個問題有待進一步進行試驗研究：①防護底板高程為1 274.0 m、正常庫水位為1 405.0 m，兩中孔泄洪時，消力塘內的流態及水深極不穩定，間歇性出現水深為零而導致中孔水舌直接沖砸在防護底板上的現象，危及底板的穩定安全。②三表孔泄洪時，三孔水舌集中跌落部位的防護底板時均壓力峰值明顯，該部位底板受到的沖擊壓力較大。為此，考慮在消能塘底板延長段末端加設尾坎，其目的是通過尾坎的作用，穩定消力塘內的流態，維持消力塘內的有效水深，減小孔口泄洪水舌對防護底板的沖擊力。

在防護底板高程為1 274.0 m的條件下，試驗選取6、8、10 m 3個尾坎高度進行了消力塘水面線和底板壓力分布對比。考慮到中孔泄洪時，其水舌挑距遠且水舌上緣落點位置距尾坎很近，為了減輕尾坎所受的水流沖擊力，將尾坎上游面設為1∶1斜坡。

通過消力塘底板防護方案的系列試驗比較，“全底板防護+尾坎”方案具有消力塘水深穩定、防護底板所受沖擊力相對較小、防護段末端基礎以及下游河床不被沖刷的特點，是較優的消能防沖方案。從6、8、10 m 3個尾坎高度的試驗結果比較來看，在穩定消力塘水深和減小下泄水流對防護底板沖擊力方面，三者的功效差別不大，而低尾坎的抗水流沖擊穩定性和出塘水流與下游水位銜接的平穩性優于高尾坎；但從試驗中也反映出“全底板防護+6 m高尾坎”方案兩中孔高水位泄洪仍有水墊不足不穩的問題，如果中孔只在低水位排沙時單獨運行，那水墊塘流態也能保持穩定。綜合考慮，尾坎高度采用6 m，即尾坎頂高程設為1 280 m。

優化后的水墊塘平面布置示意圖見圖1。

5 結 語

象鼻嶺拱壩雖然總泄洪量不大，但相對于下游狹窄河谷而言，其泄洪消能空間極為有限，下泄水流在空中消能后進入河道，給河道的安全防護帶來了較大的難度。設計以工程實際條件為出發點，結合國內外同類工程的設計、施工、運行經驗，依托整體水力學模型試驗，開展優化設計研究，不斷根據試驗存在的問題采取相應的處理方案，逐步推進優化研究，最終將下游消能由可行性研究階段的護坦+護坡調整為消力塘。最終的方案減少了對下游岸坡的高陡邊坡開挖，有效保留了下游壩肩抗力體，有利于壩肩抗滑穩定，取消了護坡底部深槽施工，簡化了施工程序，提高了施工安全性，降低了施工難度；結合水力學模型專題試驗研究，進行多組試驗，充分論證了消力塘的各設計控制參數，為表孔宣泄常遇洪水提供可能性，提高了泄洪系統的運行方便性及可靠性；結合水力學模型試驗成果進一步分析了水流對尾水出口的影響，對消力塘至尾水出口河道進行清理保護，使水流更為平順通過尾水出口，最大限度地減少了后期堆渣對尾水出口的影響，為工程的后期運行提供了有利條件。

可行性研究階段下游采用長70 m、寬57.8～32.00 m、厚3 m的混凝土護坦+兩岸設厚2 m的長護坡至1301 m高程，根據研究調整為長160 m，寬26～40 m，厚3 m的混凝土水墊塘，兩岸護坡防護至1 305 m高程，1 274～1 282 m高程護坡厚2m，以上厚1.0m，同時在頂高程1280m設置尾坎，既實現了一定的水墊厚度，又與下游河道平順連接。消力塘寬度比可研階段的護坦寬度有所減小，節約較多的邊坡開挖工程量，現場揭露出的地質條件表明，護坦以下深槽比預想得好，回填混凝土工程量較小，即使考慮消力塘至尾水的混凝土貼坡及河道清理工程量，總體工程投資亦與上個階段基本持平。

設計優化不僅體現在工程投資上的優化，為現場的施工、為后期的運行提供更為有利的條件也是重要的優化目標，象鼻嶺通過設計優化，工程投資基本相當，工程施工、運行便利性及安全性明顯提高，成功解決了狹窄河谷、高拱壩多孔口聯合泄流下游防護問題，可以為同類工程提供參考。