猴子巖電站溢洪洞挑坎體型研究

索 慧 敏， 竇 向 賢， 呂 海 艷

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

挑流消能的關鍵是挑流鼻坎體型的選擇，挑坎體型對消能防沖的效果有重要影響，隨著大型水電站建設的蓬勃發展，各具特色的挑坎型式陸續產生并被工程采用，如：連續坎、差動坎、斜挑坎、扭曲坎、窄縫坎等[1]。為了達到理想消能效果，挑坎體型設計中一般要求常用流量能順利起挑，水舌挑距變化小，水舌入水時橫向拉開盡量充分，入水單寬流量小，對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，結合水工模型試驗，從水力學角度對比分析不同體型挑坎消能效果，并優選挑坎體型。

1 工程概況及特點

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，右岸引水發電系統等組成。樞紐主要建筑物防洪標準按1000年一遇洪水設計，可能最大洪水(PMF)校核，下游護岸工程、泄洪霧化區防護工程等次要建筑物按100年一遇洪水設計，百年一遇洪水泄量、設計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

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。溢洪洞出口覆蓋層深厚，挑坎基礎遠離河心后靠置于巖基，歸槽條件較差，出口下游邊坡地質條件復雜，出口正對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雜，其泄洪消能和岸坡保護問題是泄洪建筑物設計的重點和難點。

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、河床沖刷范圍及沖坑深度，所以挑坎體型設計中應充分考慮水流順利歸槽及減輕挑射水流對兩岸岸坡沖刷等因素。借鑒類似工程經驗，并考慮便于施工等因素，初擬挑坎體型為“連續斜切挑坎”，見圖2。

模型試驗結果表明，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，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右岸坡腳沖刷嚴重，威脅右岸邊坡穩定，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離右岸，但由于左側邊墻的約束，出口水流比較集中，水舌入水后下潛水流頂沖對岸，回流與上游來流匯合后流向右岸形成沖刷。

圖2 連續斜切挑坎體型

基于“連續斜切挑坎方案”存在的水流集中、頂沖對岸、沖刷嚴重等問題，說明經過下泄水流的能量消散有限，所以基于進一步提高挑射水流空中消能率、減輕對下游沖刷的思路，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類似“連續斜切挑坎”方案，水舌更靠近右岸，故對左岸頂沖不明顯，但最大沖深和右岸坡腳沖深進一步加劇。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，水舌應盡量遠離右岸，水舌向左側進一步擴散，使水舌入水時橫向拉開盡量充分，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遠離右岸坡腳，從而減輕對河床和右岸的沖刷。從試驗結果看，本方案取得了較好的消能效果，對左岸頂沖較弱，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

三個方案對應的特征值見表1，水舌形態及下游沖刷形態見表2，從表中數據和圖片可以看出，“扭曲斜切挑坎”較其他兩個方案水舌充分擴散，下游沖刷明顯坦化，特別是對右岸沖刷明顯減輕，很好解決了下游岸坡防護困難的難題。

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%)各方案水舌形態及下游沖刷形態

3 推薦挑坎體型

通過上述對比分析，本工程溢洪洞挑坎體型最終選擇“扭曲斜切挑坎”，挑坎左、右側邊墻為朝向河心的圓弧邊墻，左、右側邊墻半徑分別為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″。

為了便于現場施工放線，根據上述設計要素對底板扭曲面進行擬合，以底板前段尾部和溢洪洞軸線交點為坐標原點，擬合后段底板扭曲面方程見表3，扭面中的任意一點可根據表中方程式聯立求解求得。

表3 推薦挑坎平面圖及底板扭面方程

4 結 語

在窄河谷高水頭大泄量溢洪洞的挑流消能防沖設計中，挑坎體型的選擇對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，結合水工模型試驗，從水力學角度對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行，運行后狀況良好。