新疆塔日勒嘎水电站岸边台阶式新型溢洪道设计

林 飞

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

塔日勒嘎水电站位于新疆柯尔克孜自治州乌恰县吾合沙鲁乡的克孜勒苏河中游河段上，为克孜河规划2 库6 级方案中的第二个梯级。坝址距乌恰县58 km，距喀什150 km。由拦河大坝（粘土心墙砂砾石坝）、左岸导流兼泄洪冲沙隧洞、发电引水隧洞、电站厂房、右岸溢洪道等主要建筑物组成，为Ⅲ等中型工程，地震设防烈度为Ⅸ度。

坝轴线位于吾合沙鲁铁桥上游约640 m 处的峡谷河段，水库正常蓄水位2 250.0 m，死水位为2 245.0 m，总库容0.418 亿m3，最大坝高43.6 m。右岸岸边开敞式溢洪道孔口选用2 孔10 m×7 m 的驼峰堰。左岸利用导流洞改建成泄洪冲沙隧洞，全长507.576 m，洞径D=8.0 m，圆形有压洞。发电引水洞布置在导流洞里侧，全长1 412.258 m，圆形有压洞，洞径6.8 m。厂房布置在大坝下游约1 220 m 的山谷出口，设计水头44 m，装机容量4×12.5 MW。

2 溢洪道可研方案

坝址位于中低山峡谷河段，两岸地形不对称。右岸洪积扇地形开阔，在临河一线形成（24～27）m 高的近直立陡坎，洪积扇地形较平坦，略向河床倾斜，其坡度约10°左右，地面高程（2 243～2 360）m，宽约2.5 km，扇面小冲沟较发育，洪积扇厚（33～55）m，下部掩埋有古河床及阶地。当设计蓄水位2 250 m 时，河谷宽约230 m。

2.1 方案比选

（1）溢洪道布置方案。溢洪道为岸边正槽溢洪道，地质条件相对简单，建筑物全部坐落在洪积扇的碎石土层上，该层结构密实，其中碎块石成分主要为新鲜至弱风化状砂岩，磨圆度差，厚（30～60）m。根据地形条件和布置要求，共考虑了2个布置方案。

方案1：正向布置，溢洪道进水口及控制段轴线垂直坝轴线，水流经消能后转向回归河床，轴线长度741.9 m。

方案2：斜向布置，溢洪道控制段轴线与坝轴线成70°夹角直线布置，进水口通过弯道进入控制段，轴线长度475.9 m。

方案1 进流条件好，进水渠工程量小，但泄槽段及出水渠长度增加约240 m，其走向与河流近平行，消力池后高程较低，开挖防护工程量增加较多。方案2 控制段后为直线布置，水流条件较好，其轴线与河流斜交且长度较短，工程量较省，但进水渠需平面转弯，因进口为水库，水流条件影响较小。故选定方案2 为推荐方案。

（2）堰型方案。溢洪道为低堰，其可选堰型有宽顶堰、WES 实用堰、驼峰堰等，宽顶堰因流量系数低影响特征水位，本次未考虑。经泄流能力计算，WES实用堰和驼峰堰结果相差不大，不影响大坝工程量，考虑基础为软基，同时为节省工程量，采用b 型驼峰堰。

2.2 溢洪道布置

可研阶段溢洪道为岸边正槽溢洪道，布置在大坝右坝头洪积扇阶地，由引渠段、控制段、泄槽段和消能设施组成。

图1 原溢洪道结构布置图

引渠段布置在坝轴线上游，长292.12 m，底宽22.0 m，渠底高程2 240.5 m，为开挖的梯形断面渠道，坡比1∶1.25。控制段长22.0 m，采用2 孔驼峰堰，每孔净宽10.0 m，堰顶高程2 243.0 m；堰身为钢筋混凝土结构，堰身轴线与大坝轴线成70°的夹角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土挡墙与大坝及岸坡相接，挡墙最大高度17.5 m。泄槽全长375.0 m，纵坡8.257%，宽度（22～30）m，过水断面为钢筋混凝土矩形断面，边墙高度6.5 m。出口采用底流消能，消力池长60.0 m,宽度30.0 m，池深6.0 m，泄槽末端设有高1.24 m 的趾墩，池内设有高2.1 m 的消力墩。见图1。

2.3 溢洪道一级泄槽方案试验成果

模型进行了在导流泄洪洞全开后，溢洪道两孔同步渐开1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全开及30年一遇、设计、校核洪水试验。试验观测到，由于消力池边墙较矮，水流通过扩散段向两边扩散，在消力池右侧坝下游455 m 处与右岸交汇后产生较大范围的回流，回流范围至扩散段起点，流速为（1.23～4.29）m/s，而消力池左边扩散水流受导流洞来流的压迫趋于顺直，未产生回流。基于上游来流不均与消力池左右流态不对称及下游水位不对称顶托等因素的影响，溢洪道出口流态较紊乱，水跃发生在陡槽上（坡底向上游50 m～60 m 处），且为不对称（左短右长）斜向水跃。消力池内呈面流流态，主流在表面，流速为（1.91～7.24）m/s，底部流速为（1.57～3.18）m/s；同时观测到消力池太深，消力墩和址墩都不起作用。池后河床最大流速在（4～7）m/s 之间，冲坑上游坡比为1/4.31～1/7.38，虽为稳定边坡，但对于底流消能来说，冲刷范围及深度都太大。

为解决消力池不利流态，模型采取了加高消力池两边墙，封堵右岸回流及挡住左侧导流洞来流的干扰以达到使消力池流态对称的目的，但试验结果表明流态并没有得到大的改善。模型又采取了抬高消力池底板高程、在陡槽上加分流墩（调节来流不均）等措施，都不能从根本上解决问题，因此，溢洪道设计有必要进行优化。

3 溢洪道优化设计方案

3.1 溢洪道布置

溢洪道轴线基本不变，主要将泄槽由一坡到底修改为2 级泄槽，第一级泄槽坡度根据地形和水力学条件确定，坡度为5%，尽量减少开挖；第二级泄槽采用陡坡扩散型式，坡度1∶4，由陡坡首部开始设置12 级4.0×1.0 台阶，陡坡尾部接消力池。

进水口引渠段长度适当压缩，长120 m，底宽22.0 m，渠底高程2 240.5 m，为开挖的梯形断面渠道，坡比1∶1.25。控制段长27.0 m，采用2 孔驼峰堰，每孔净宽10.0 m，堰顶高程2 243.0 m，堰身为钢筋混凝土结构，堰身轴线与大坝轴线成70°的夹角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土挡墙与大坝及岸坡相接，挡墙最大高度17.5 m。泄槽全长278.658 m，底板厚0.6 m，纵坡分二级，第一级泄槽长200.0 m，纵坡5.0%，宽度22 m，过水断面为钢筋混凝土矩形断面，边墙最大高度5.5 m；第二级泄槽长78.658 m，纵坡25.0%，前40.0 m 为矩形断面，宽度22 m，后38.658 m 为矩形扩散断面，宽度（22～30）m，扩散角5.9°。出口采用底流消能，消力池长46.5 m,宽度30.0 m，池深3.5 m。

经计算，泄槽最大流速23.8 m/s，不会空蚀破坏。泄槽底板及挡墙过流表层0.3 m 厚混凝土考虑抗冲耐磨因素采用C35F200W6 纤维混凝土。

3.2 溢洪道修改后水力学试验

水工模型试验主要成果如下：

（1）泄流能力。试验中观测了溢洪道敞泄时及局部开启时的过流能力，在不同上游水位时的流量见附表。

附表 溢洪道各级库水位下泄流量试验值

由试验结果可见，溢洪道试验泄量比理论计算值均偏大，主要是进口水流侧收缩影响较难精确计算，但其变化在合理范围内。导流泄洪洞与溢洪道联合全开泄洪，设计洪水，试验泄量为1 378.52 m3/s，比计算值1 426 m3/s 减小3.33%；校核洪水，试验泄量与计算值基本吻合。综合可见，枢纽总的泄流能力比计算值稍偏小，但在允许范围内。

（2）消能及冲刷情况。模型进行了在导流泄洪洞全开后，溢洪道两孔同步渐开1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全开及30年一遇、设计、校核洪水试验，观测到各级流量下陡槽缓坡段流速分布基本均匀，在边墙的作用下形成对称的折冲水流，槽内流态平顺，流速在（11.0～17.0）m/s 之间。泄槽陡坡段水流在每级台阶的阻截下消能效果明显，台阶上流速在（13.0～22.0）m/s 之间，陡坡台阶消能效果明显。各级流量下溢洪道出口消力池无论是单独泄洪还是和导流泄洪洞联合泄洪，均能形成稳定水跃（仅校核洪水接近临界水跃，跃首发生在坡脚上游5 m～12m 处），消力池后波浪较小，平顺与下游水面衔接，出池水流底部流速在（1.24～3.84）m/s，池后冲刷较轻，大多数情况无明显的冲坑，只有局部冲刷（最大冲深在2 m以下，仅校核洪水为4.52 m），均发生在格宾防护以后，消能工能安全稳定运行。

溢洪道在消能、设计、校核工况下，尾坎底部流速为（1.68～4.06）m/s，格宾防护末底部流速为（2.03～3.84）m/s；尾坎水位比跃首雍高（1.58～1.81）m，水流进入河道水面比较平稳，水面波动在（0.1～0.73）m 之间。仅在格宾防护后发生轻微冲刷，P=3.33%、P=2%两工况最大冲深为1.25 m 和1.75 m，P=1%校核洪水时最大冲刷为4.52 m，冲坑上游边坡坡比分别为1/44.09、1/25.71 和1/10.06，完全满足消能防冲要求。

坝下游（312～525）m 之间，河道中底部流速为（1.8～4.4）m/s；右岸边坝下游（350～525）m 之间，流速为（1.68～5.9）m/s，最大流速发生在坝下游525 m 附近（该处为河道卡口），坝下游525 m 以后流速基本在3.0 m/s 以内；左岸边坝下游（312～420）m 之间为回流，流速为（0.55～2.25）m/s 之间，（420～560）m 之间流速为（1.23～3.85）m/s，设计根据流速、地质情况采取岸坡防护措施。

（3）辅助消能工效果。为减小入池流速，原设计方案在陡坡段共设39 级0.5×2.0 m 台阶，以利沿程掺气消能。但试验观测到陡坡台阶太密太矮消能效果不理想，消力池后波浪较大，同时人为在消力池内放入少量泥沙，观察到泥沙在池内旋转很难被水流带出池外，这样将会长时间对消力池底板造成磨损。在30年一遇洪水工况下，模型将陡坡段所有台阶取消，观察到消力池内右侧水流出现顺时针方向旋转的不利流态，表明台阶还是起到了一定的效果。鉴于上述问题，模型经反复试验，将陡坡台阶高度加高至1.0 m，宽度改为4.0 m，试验以Q=700 m3/s 对应的下游水位2 217.01 m 为基准取消水下部分台阶，共设台阶12 级，同时将消力池尾坎修改成坡比为1∶1.5的差动式尾坎。观测到陡坡台阶消能效果明显提高，各级流量下消力池后波浪减小，平顺与下游水面衔接，池内泥沙基本能被带出池外。见图2。

（4）溢洪道优化方案确定。经理论计算和水力学模型试验，将原设计方案调整为：泄槽由一坡到底修改为二级坡度，在陡坡段共设12 级1.0×4.0 m掺气台阶，消力池末设置差动尾坎，坡比1∶1.5。见图3。

图2 修改后水力学模型试验照片

4 结语

土石坝为增加泄洪安全度，在地形、地质条件允许时应优先考虑设置开敞式溢洪道，但溢洪道往往工程投资所占比重较高，同时因泄槽流速较大，水力学条件要求较严格，采用合适的结构体型和消能方式非常关键，也是溢洪道设计的难点。通过塔日勒嘎水电站的溢洪道设计过程，特提出如下建议供类似工程参考：

（1）充分利用好地形、地质条件，合理布置，节省工程量和投资。

（2）底流消能效率较低，消力池规模大，池内辅助消能工效果不甚理想且易气蚀破坏，出池水流余能较大，在入池前采取陡槽扩散+台阶掺气加糙措施，较好地调整了消力池内和出池水流流态，效果较好。

图3 修改后溢洪道结构布置图

（3）对水力学问题，应理论计算和模型试验结合，相互验证，确保安全可靠。