瑪爾擋水電站泄洪消能試驗(yàn)研究

王 瑞，聶源宏

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

1 工程概況

瑪爾擋水電站位于黃河干流上，壩體為混凝土面板堆石壩，最大壩高為211 m，壩頂長(zhǎng)337.6 m，壩頂寬12 m，壩體最大斷面處底寬619.0 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.4～1∶1.5，工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型，多年平均發(fā)電量72.2 億kW 時(shí)。輸水發(fā)電建筑物主要包括電站進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、主變室、尾閘室、尾水隧洞、尾水明渠等，電站進(jìn)水口布置于泄槽堰閘段的右側(cè)，尾水出口布置于壩腳與下游圍堰之間，泄水建筑物集中布置于大壩右岸，由3 孔溢洪道和1 條泄洪洞組成。

2 模型制作與設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范及試驗(yàn)技術(shù)要求，采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作模型，模型長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)r=100。為確保模型水力條件與原型相似，下游動(dòng)床以天然散粒體沙石模擬河床基巖和覆蓋層。下游消能區(qū)(壩下游面末端～壩下1+000)動(dòng)床范圍鋪砂頂高程，天然河道以水下地形控制(覆蓋層、基巖分別模擬)～右岸預(yù)挖區(qū)域?yàn)?077 m（河床覆蓋層、基巖高程由地質(zhì)橫剖面圖確定)。根據(jù)伊茲巴什公式[1]，按設(shè)計(jì)提供的防沖區(qū)河床基巖抗沖流速V=4.5 m/s～5 m/s、覆蓋層抗沖流速V=1.5 m/s 進(jìn)行計(jì)算，可得出下游河道基巖模型沙當(dāng)量粒徑取5 mm～8 mm，覆蓋層模型沙當(dāng)量粒徑取0.5 mm～1.0 mm。

圖1 瑪爾擋水電站樞紐布置圖

為比較不同方案下的水舌形態(tài)、岸坡沖刷深度，模型試驗(yàn)制定的試驗(yàn)組次較多，典型試驗(yàn)組次及相應(yīng)庫(kù)水位等列見(jiàn)表1。

表1 典型工況及相應(yīng)下泄流量

3 泄洪建筑物優(yōu)化

3.1 泄洪洞挑坎體型優(yōu)化

泄洪洞出口緊靠下游右岸，左側(cè)又有溢洪道的出口岸坡，出口處空間比較狹窄，因此泄洪洞消能工優(yōu)化的目標(biāo)是將挑流水舌適當(dāng)導(dǎo)向河道中部，并盡量分散水舌，防止直接沖刷右岸坡腳，同時(shí)還要避免水舌沖擊左側(cè)岸坡。以庫(kù)水位3275 m 時(shí)泄洪洞全開(kāi)泄洪的水舌形態(tài)和右岸邊沖刷狀況作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，泄洪洞挑坎做了多個(gè)不同體型方案的比選。

試驗(yàn)首先進(jìn)行了直墻窄縫式、直墻加平面貼角窄縫式和圓弧邊墻收縮加曲面貼角窄縫式挑坎三種不同體型的窄縫式挑坎對(duì)比試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，窄縫式挑坎形成縱向拉開(kāi)橫向較為集中的水舌，易在右岸邊造成一縱向沖刷帶，右岸邊沖刷長(zhǎng)度超過(guò)200 m，坡腳最大沖深至3053.1 m～3061.8 m，不利于整體岸坡的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)又對(duì)泄洪洞挑坎進(jìn)行了不同體型的單側(cè)導(dǎo)向平底斜鼻坎、橫向擴(kuò)散式挑坎比選，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：調(diào)整單側(cè)導(dǎo)向平底斜鼻坎的右邊墻，可控制其水舌落水點(diǎn)，避免沖砸在溢洪道出口岸坡上，但其水舌形態(tài)與窄縫型接近，水舌擴(kuò)散有限，不能滿足泄洪抗沖的要求；采用橫向擴(kuò)散式挑坎具有起挑水位低、水舌易于跨越溢洪道出口岸坡、水舌可適當(dāng)導(dǎo)向不會(huì)使右岸邊受到嚴(yán)重沖刷等優(yōu)點(diǎn)。因此實(shí)驗(yàn)以水舌形態(tài)和沖刷效果為比選依據(jù)，著重對(duì)左側(cè)單邊擴(kuò)散式連續(xù)挑坎進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，泄洪洞挑坎推薦方案體型見(jiàn)圖2。

圖2 泄洪洞挑坎推薦方案體型圖

泄洪洞挑坎推薦方案為單邊擴(kuò)散連續(xù)挑坎，半徑R=28.0 m，挑坎挑角41.162°。挑坎左側(cè)邊墻為圓弧擴(kuò)散形式，圓弧半徑R=98.0 m，角度20.801°；為了使水舌右側(cè)落點(diǎn)距右岸邊保持一定的安全距離，挑坎段的右邊墻從樁號(hào)0+585.688 m 至0+604.117 m 以半徑R=155.0 m 半徑略作收縮。挑坎出口寬度14.288 m。

3.2 溢洪道結(jié)構(gòu)調(diào)整

溢洪道原設(shè)計(jì)方案引渠段底部高程3250 m，堰頂高程3261.00 m，堰閘段長(zhǎng)50.0 m，單孔凈寬13.0 m；孔口尺寸13 m×14 m，設(shè)計(jì)水頭14 m；閘室設(shè)檢修閘門(mén)和弧形工作閘門(mén)各一道。泄槽段為三孔布置，分為左、中、右三孔，寬13.0 m～15.0 m；底坡分別為i＝1%和50.0%。

按照設(shè)計(jì)要求，溢洪道需要在死水位（3265 m）全開(kāi)泄洪運(yùn)行。但原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果表明，死水位時(shí)溢洪道堰上水頭僅有4 m，至挑坎起始斷面時(shí)，溢洪道泄槽水深減小到約0.7 m，平均流速僅為16 m/s～17 m/s，溢洪道出口挑坎的挑舌長(zhǎng)度較短；同時(shí)從泄洪沖刷方面考慮，三孔溢洪道挑坎的樁號(hào)位置需要前后錯(cuò)開(kāi)，以分散水舌落點(diǎn)。這些水流和布置條件使得溢洪道在死水位泄洪時(shí)，三孔挑坎水舌難以同時(shí)完全跨越溢洪道出口岸坡，溢洪道在死水位的泄洪運(yùn)行受到制約。因此將溢洪道體型布置方案進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的體型布置見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)整后溢洪道體型布置圖

溢洪道調(diào)整方案將閘室段溢流堰堰頂高程由原設(shè)計(jì)方案的3261 m 降低為3258 m，溢洪道引渠段底板高程隨之由3250 m降低為3247 m。閘室段三孔泄流表孔孔口尺寸由13 m×14 m調(diào)整為10.5 m×17 m；泄槽上半部分為i=1%的緩坡段，下辦部分i=50%的陡坡段，緩坡段與陡坡段之間以渥奇面連接，泄槽陡坡段末端緊接鼻坎反弧段。溢洪道調(diào)整方案主要是降低了堰頂高程并縮窄了孔口和泄槽寬度，以增大溢洪道堰上水頭和水流流速，解決原方案死水位溢洪道三孔水舌不能同時(shí)跨岸的問(wèn)題。

3.3 溢洪道挑坎體型優(yōu)化

溢洪道三孔挑坎位置緊靠在一起，為使三孔挑坎下泄水舌協(xié)調(diào)統(tǒng)一，降低泄洪對(duì)下游河床的沖刷深度，對(duì)各挑坎體型、導(dǎo)向角度及下泄水舌的流態(tài)等進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析研究。

試驗(yàn)分別對(duì)三孔挑坎進(jìn)行了舌形挑坎、差動(dòng)式挑坎、斜挑坎以及不同體型組合的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：三孔挑坎位置緊靠在一起，位置錯(cuò)開(kāi)距離有限，常規(guī)挑坎很難使三孔挑坎水舌充分?jǐn)U散下泄入水，存在水舌相互疊加情況，導(dǎo)致下游河道沖刷嚴(yán)重，只有使三孔挑坎的泄水水舌橫向縱向空間充分?jǐn)U散，擴(kuò)大各水舌落入河床的面積，才能有效減輕電站泄洪時(shí)對(duì)下游河床的沖刷，有利于保證大壩的穩(wěn)定和泄洪時(shí)下游河道邊坡的安全。

根據(jù)其他工程實(shí)際施工情況及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，要達(dá)到上述目的，可采用窄縫式挑坎[2-6]。因此實(shí)驗(yàn)先后又選用了直墻收縮窄縫挑坎、圓弧收縮窄縫挑坎和曲面貼角窄縫挑坎，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：直墻和圓弧收縮式窄縫挑坎因體型瘦高，壓迫水舌急劇收縮導(dǎo)致水舌流態(tài)較為紊亂，曲面貼角窄縫挑坎可以調(diào)整兩側(cè)曲面貼角體的收縮曲率，保證水舌流態(tài)穩(wěn)定，另外，可于曲面貼角窄縫挑坎增設(shè)底槽，進(jìn)一步增大水舌的縱向擴(kuò)散，并可以通過(guò)調(diào)整底槽坡度，達(dá)到低水位三孔挑坎水舌不沖擊本岸的目的。綜上，三孔挑坎均采用曲面貼角窄縫挑坎，通過(guò)對(duì)曲面貼角挑坎結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到了能夠滿足要求的推薦方案，其體型見(jiàn)圖4。

推薦方案溢洪道三孔采用曲面貼角窄縫挑坎[7]，挑坎邊墻以圓弧收縮，圓弧半徑R=41.0 m，挑坎段長(zhǎng)度25 m，出口處寬度由11.8 m 縮窄為4.6 m。中孔挑坎為直線型無(wú)導(dǎo)向，左、右孔挑坎在平面上以中孔中線為對(duì)稱線，分別向左、向右偏轉(zhuǎn)4.5°。挑坎底板設(shè)置5°挑角的斜坡，斜坡段內(nèi)兩側(cè)設(shè)曲面貼角體，貼角底圓弧半徑R=15.0 m，底板加設(shè)底槽，長(zhǎng)度12.5 m，底槽凈尺寸由上游其實(shí)端3.5 m 漸變?yōu)橄掠文┒?.6 m。

圖4 推薦方案曲面貼角挑坎體型圖

4 推薦方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 泄洪洞和溢洪道的死水位跨岸情況

當(dāng)水庫(kù)水位為3197.5 m 時(shí)，泄洪洞挑坎恰好形成完整的挑流水舌，此時(shí)水舌的挑距較短，水舌左側(cè)少部分水體滴落于溢洪道出口岸坡上；當(dāng)水庫(kù)水位上升至3203.4 m 時(shí)，泄洪洞水舌便可跨越本岸，完全落入河床；當(dāng)水庫(kù)水位為死水位3265 m時(shí)，三孔溢流表孔全開(kāi)時(shí)，溢洪道三孔水舌均能跨越本岸，水舌上游側(cè)的入水點(diǎn)距離本岸坡腳約5 m～10 m。因此泄洪洞和溢洪道可滿足在死水位泄洪運(yùn)行的要求。

4.2 下游河道的沖刷

對(duì)推薦方案進(jìn)行了不同組次放水實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其泄洪消能效果。下游河道的沖刷情況見(jiàn)表2。

表2 典型工況沖刷情況 單位：m

由于對(duì)下游河道的泄洪消能區(qū)采取護(hù)岸不護(hù)中的措施，因此設(shè)計(jì)著重控制設(shè)計(jì)洪水下左右岸坡腳最大沖坑高程保證在3065 m 以上，百年一遇洪水下左右岸坡腳最大沖坑高程保證在3075 m 以上，以保證左右岸岸坡的防沖穩(wěn)定及安全。從表2可看出，下游河道在三種典型工況下，左右岸坡腳沖刷深度均能夠滿足要求。以上結(jié)果表明推薦方案泄洪洞挑坎及溢洪道三孔體挑坎體型及其布置合理，消能較為充分，可以滿足下游泄洪防沖的要求。

4.3 淤積體對(duì)電站尾水的影響

每個(gè)組次放水結(jié)束沖淤地形形成后，分別按3 臺(tái)機(jī)組和2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，記錄電站淤積前后尾水位抬高的幅值，比較分析下游河道沖淤地形對(duì)電站尾水的影響。典型組次下電站尾水抬高幅值見(jiàn)表3。

表3 典型組次下下游河床淤積體對(duì)電站尾水的抬高幅值

從表3 可以看出，電站尾水區(qū)水位抬高幅值受發(fā)電引水流量的影響而變化，各組次下下游河床淤積體對(duì)電站尾水區(qū)水位抬高幅值的影響程度隨著發(fā)電引水流量的增加而增大。由于100 年一遇洪水下游河道的泄洪淤積體分布范圍較大，對(duì)電站尾水抬高幅值影響也較大；而30 年一遇及其以下洪水沖於后淤積體未布滿河道，電站尾水位抬高幅度均不超過(guò)1.0 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常遇洪水下電站尾水位抬高幅度均較小，有利于保證發(fā)電水頭，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

瑪爾擋水電站壩高211 m，正常水頭達(dá)到了190 m，下游河道水深僅10 m 左右，而其3 孔溢洪道挑坎及1 孔泄洪洞挑坎集中布置于大壩右岸，挑坎位置無(wú)法充分錯(cuò)開(kāi)，導(dǎo)致水舌落入下游河道的位置相對(duì)集中，因而面臨嚴(yán)峻的消能防沖問(wèn)題。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行整體水工模型實(shí)驗(yàn)研究，提出的推薦方案可以較好地滿足泄洪防沖要求，結(jié)論如下：

1）泄洪洞采用橫向擴(kuò)散式挑坎，起挑水位低、水舌易于跨越溢洪道出口岸坡、水舌可適當(dāng)分散導(dǎo)向河道中部和左邊，減輕了右岸邊的沖刷。

2）將溢流堰堰頂高程由3261 m 降低為3258 m，溢洪道孔口尺寸由13 m×14 m 改為10.5 m×17 m，增大了溢洪道堰上水頭和水流流速，有利于解決原方案死水位溢洪道三孔水舌不能同時(shí)跨岸的問(wèn)題。

3）溢洪道挑坎均采用曲面貼角窄縫挑坎，挑坎兩側(cè)邊墻和貼角體可以將過(guò)流水體向中間導(dǎo)向形成水舌，通過(guò)自身的劇烈擠壓碰撞消能，水舌可以縱向拉伸、橫向擴(kuò)散，分散入水，泄洪消能效果較好，通過(guò)調(diào)整其底槽的坡度進(jìn)一步擴(kuò)大縱向拉伸水舌并可以控制水舌內(nèi)緣挑距，因此低水位小流量下水舌也可以滿足順利跨岸的要求。