猴子巖電站溢洪洞挑坎體型研究

索 慧 敏， 竇 向 賢， 呂 海 艷

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

挑流消能的關(guān)鍵是挑流鼻坎體型的選擇，挑坎體型對(duì)消能防沖的效果有重要影響，隨著大型水電站建設(shè)的蓬勃發(fā)展，各具特色的挑坎型式陸續(xù)產(chǎn)生并被工程采用，如：連續(xù)坎、差動(dòng)坎、斜挑坎、扭曲坎、窄縫坎等[1]。為了達(dá)到理想消能效果，挑坎體型設(shè)計(jì)中一般要求常用流量能順利起挑，水舌挑距變化小，水舌入水時(shí)橫向拉開盡量充分，入水單寬流量小，對(duì)河床和岸坡沖刷較小等。本文以具有代表性的猴子巖水電站溢洪洞為例，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，從水力學(xué)角度對(duì)比分析不同體型挑坎消能效果，并優(yōu)選挑坎體型。

1 工程概況及特點(diǎn)

1.1 工程概況

本工程樞紐主要由混凝土面板堆石壩、兩岸泄洪系統(tǒng)，右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。樞紐主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水(PMF)校核，下游護(hù)岸工程、泄洪霧化區(qū)防護(hù)工程等次要建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，百年一遇洪水泄量、設(shè)計(jì)洪水流量和校核洪水流量分別為6 060 m3/s 、7 750 m3/s和9 940 m3/s。溢洪洞由進(jìn)口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成，總長度約1 147 m，泄槽過水凈寬15 m，最大泄量4 036 m3/s，最大泄洪水頭約135 m，單寬流量269 m3/s。

1.2 工程特點(diǎn)

圖1 工程樞紐布置圖

本工程泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點(diǎn)。溢洪洞出口覆蓋層深厚，挑坎基礎(chǔ)遠(yuǎn)離河心后靠置于巖基，歸槽條件較差，出口下游邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，出口正對(duì)左岸邊坡分布有一大型堆積體，右岸邊坡存在較厚覆蓋層，所以下游泄洪霧化及兩岸沖刷問題較為復(fù)雜，其泄洪消能和岸坡保護(hù)問題是泄洪建筑物設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 挑坎體型研究

由于本工程溢洪洞挑坎出口覆蓋層深厚，挑坎在方案布置上不得不后退，水流歸槽問題突出，且由此帶來了在小流量情況下砸本岸和開挖量大的問題；溢洪洞為樞紐的主要泄洪建筑物，泄量變化大、出流挑射水舌變幅寬，入水變化范圍大，兩岸防沖問題突出。溢洪洞挑坎體型直接影響到水舌的入水點(diǎn)、河床沖刷范圍及沖坑深度，所以挑坎體型設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮水流順利歸槽及減輕挑射水流對(duì)兩岸岸坡沖刷等因素。借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮便于施工等因素，初擬挑坎體型為“連續(xù)斜切挑坎”，見圖2。

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在百年一遇洪水工況下，該方案最大流速在河道左岸下游側(cè)，左岸上游形成較大回流，在水舌入水處和左岸回流上端之間形成深槽，河床最大沖深約23 m，右岸坡腳最大沖深約22 m。該方案沖刷范圍較大且對(duì)右岸坡腳沖刷嚴(yán)重，威脅右岸邊坡穩(wěn)定，究其原因，主要是溢洪洞挑流水舌在右邊墻約束下，水舌向左偏移，雖然水舌一定程度遠(yuǎn)離右岸，但由于左側(cè)邊墻的約束，出口水流比較集中，水舌入水后下潛水流頂沖對(duì)岸，回流與上游來流匯合后流向右岸形成沖刷。

圖2 連續(xù)斜切挑坎體型

基于“連續(xù)斜切挑坎方案”存在的水流集中、頂沖對(duì)岸、沖刷嚴(yán)重等問題，說明經(jīng)過下泄水流的能量消散有限，所以基于進(jìn)一步提高挑射水流空中消能率、減輕對(duì)下游沖刷的思路，提出類似于窄縫挑坎的“扭曲斜切窄縫式挑坎”方案，見圖3。該方案下游河床沖刷形態(tài)類似“連續(xù)斜切挑坎”方案，水舌更靠近右岸，故對(duì)左岸頂沖不明顯，但最大沖深和右岸坡腳沖深進(jìn)一步加劇。究其原因，主要是挑坎與河道水面高差較小，水舌沒有足夠的空間沿縱向拉開，空中消耗能量有限，說明本工程溢洪洞挑坎出口條件不宜采用窄縫式挑坎。

在充分分析上述兩方案存在的問題基礎(chǔ)上，提出“扭曲斜切挑坎”，具體布置見圖4。該方案的主要思路是，考慮到右岸邊坡抗沖刷能力較弱，水舌應(yīng)盡量遠(yuǎn)離右岸，水舌向左側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)散，使水舌入水時(shí)橫向拉開盡量充分，并使底板出口高程由左至右逐步抬高，以利于水流向河心翻轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離右岸坡腳，從而減輕對(duì)河床和右岸的沖刷。從試驗(yàn)結(jié)果看，本方案取得了較好的消能效果，對(duì)左岸頂沖較弱，最大沖深和右岸坡腳沖刷減輕，在百年一遇洪水工況下，河床最大沖深24 m，右岸坡腳最大沖深約8 m。

圖3 扭曲斜切窄縫式挑坎體型

圖4 扭曲斜切挑坎體型

三個(gè)方案對(duì)應(yīng)的特征值見表1，水舌形態(tài)及下游沖刷形態(tài)見表2，從表中數(shù)據(jù)和圖片可以看出，“扭曲斜切挑坎”較其他兩個(gè)方案水舌充分?jǐn)U散，下游沖刷明顯坦化，特別是對(duì)右岸沖刷明顯減輕，很好解決了下游岸坡防護(hù)困難的難題。

表1 消能洪水(P=1%)各方案下游沖刷特征值

表2 消能洪水(P=1%)各方案水舌形態(tài)及下游沖刷形態(tài)

3 推薦挑坎體型

通過上述對(duì)比分析，本工程溢洪洞挑坎體型最終選擇“扭曲斜切挑坎”，挑坎左、右側(cè)邊墻為朝向河心的圓弧邊墻，左、右側(cè)邊墻半徑分別為200 m和300 m；挑坎底板前段為反弧段，反弧半徑90 m；后段底板在左、右側(cè)采用在溢洪洞軸線方向的投影分別為半徑200 m和90 m的圓弧與邊墻相接，底板中部為扭曲面，挑射角8°4′59″～34°3′7″。

為了便于現(xiàn)場施工放線，根據(jù)上述設(shè)計(jì)要素對(duì)底板扭曲面進(jìn)行擬合，以底板前段尾部和溢洪洞軸線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，擬合后段底板扭曲面方程見表3，扭面中的任意一點(diǎn)可根據(jù)表中方程式聯(lián)立求解求得。

表3 推薦挑坎平面圖及底板扭面方程

4 結(jié) 語

在窄河谷高水頭大泄量溢洪洞的挑流消能防沖設(shè)計(jì)中，挑坎體型的選擇對(duì)消能防沖的效果有重要影響，如何解決挑射水流歸槽、提高消能效果、減輕下游沖刷等均有很大難度。猴子巖水電站溢洪洞出口挑坎，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，從水力學(xué)角度對(duì)比分析不同體型挑坎消能效果，最終選擇“扭曲斜切挑坎”方案目前該工程已完建，并在低水位小流量情況下運(yùn)行，運(yùn)行后狀況良好。