象鼻岭拱坝水垫塘结构布置优化设计

焦雪梅，陈毅峰，崔 进，聂源宏，刘 杰

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；3.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

象鼻岭水电站枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、右岸引水系统和地下厂房等组成。拱坝坝顶高程1 409.50 m，最大坝高141.50 m，坝顶长434.46 m，坝顶宽8.00 m，拱冠梁坝底厚35 m。

泄水建筑物由3个溢流表孔和2个中孔组成，主要承担宣泄洪水及冲沙任务。泄洪表孔堰面为实用堰，堰顶高程1 397.00 m，孔口尺寸12 m×8 m(宽×高)，出口采用异形鼻坎挑流消能。中孔进口底板高程1 335.00 m，孔口控制尺寸4 m×6 m(宽×高)，出口采用窄缝挑流消能。大坝下游设有混凝土消力塘作为防冲结构。

2 前期设计方案及水工模型试验成果

在可行性研究阶段，结合象鼻岭拱坝挑流消能方式，采用“护坦+护坡”的下游岸坡保护方式，即为保护坝脚不被淘刷，在坝基下游设置长70 m、宽57.8～32.00 m、厚3 m的C25混凝土护坦，护坦底部设置梅花形布置、间排距3 m的固结灌浆孔、锚杆、排水孔，其中固结灌浆孔、锚杆孔深入基岩6 m，排水孔深入基岩3 m。考虑校核洪水对应的下游水位为1 300.57 m，两岸设2 m厚护坡至1 301 m高程。

根据可行性研究阶段的整体水力学模型试验成果，对于消能区的主要结论为：①消能区河道狭窄，加上表孔挑射水流入水能量集中，致使下游河道冲刷严重、护坦安全受到威胁，且电站尾水渠处于河道淤积区。②根据水力学模型试验及泄洪排沙要求，泄水建筑物开启方式初拟为，一般情况下开启中孔运行(单孔运行时可开右侧孔)，当泄量较大时再开表孔；表孔开启时宜对称开启，先开中孔，后开两边孔。

3 优化设计思路

随着工程施工的深入及现场地质条件的进一步明朗，结合多个同类工程的设计、施工、运行实践经验，经综合研究认为，在以下几个方面开展优化设计：

(1)可研招标阶段，下游消能采用护坦结合护坡的消能形式，根据可研阶段水力学模型试验成果，推荐的泄洪运行方式为先开两中孔壅高下游水位，而后开启三表孔直至满足校核洪水宣泄要求。象鼻岭中孔底板高程1 335 m，正常蓄水位时水头为60 m，常遇洪水频繁使用深孔进行宣泄洪水对运行操作带了诸多不便；可结合实际运行要求，考虑先后开启中、表孔灵活使用。

(2)根据现场揭露的实际地质条件及坝肩开挖情况，两坝肩下游岸坡较为陡峻，裂隙较为发育，在中孔水舌区域形成冲坑后，边坡稳定问题较为突出；原设计采用设置深槽深入冲坑以下，以防止冲坑对护坡基础的破坏，但从施工实践上看，该深槽施工难度大，需直立向下开挖，工序复杂，施工安全问题较为突出。由于河床本身较为狭窄，可以研究将两岸深槽之间的覆盖层及岩体适当清理，以使施工变得更为简单方便。

(3)根据多个同等工程的实践，下游消能区需要不定期、定期进行检修，原设计无尾坎(二道坝)，每次检修均需要填筑防渗围堰及灌浆闭气，形成封闭水垫塘后，检修不方便；可以研究合适的检修通道及方案，为后期的运行检修提供方便。

(4)水力学模型试验表明，水垫塘至尾水水流整体偏向右岸，较为紊乱，不利于平稳尾水、发电出力，应考虑尽量归顺水流。

考虑以上几个方面因素，开展了下游消能区消能优化设计研究。总体思路将护坦+护坡方案调整为水垫塘方案，即通过水垫塘壅高下游水位，形成一定的水垫，为先开启表孔作为主泄洪通道创造条件；利用水垫塘尾坎作为水垫塘检修围堰，为水垫塘检修提供便利条件；通过水垫塘底板的全面防护，取消了施工难度大、施工安全风险高、工序复杂、工期较长的护坡底部深槽，同时考虑加高护坡顶高程以减少涌浪对岸坡的影响；通过水垫塘下游岸坡的整治使水垫塘出水水流至尾水出口更为平顺。

结合可行性研究阶段水力学模型试验成果，对消力塘宽度、底部高程、下游水位条件，对消力塘总体结构尺寸进行初拟：消力塘宽度受控于表孔水舌宽度，结合表孔运行方式，按中表孔单开，并水舌扩散约1.5倍确定消力塘河床中心宽度。5年一遇下泄流量约1 240 m3/s，下游水位高程约1 292 m，按形成10 m水垫后边表孔泄洪考虑，确定护坦台阶高程为1 282.00 m，并根据水舌宽度确定其宽度。护坡开挖部位根据中孔水舌扩散范围确定，水舌不直接冲击护坡及其基础。护坦底高程开挖至1 271.00 m，局部覆盖层清理回填。由于该调整导致与可研阶段水力学模型试验边界条件发生变化，下游消能区河道缩窄，对河道的消能提出了更高的要求。

4 优化方案水力学模型试验研究

为了确保象鼻岭下游消能的可靠性，结合下游消能结构的调整，进一步开展了整体水力学模型试验研究。由于象鼻岭水电站拱坝下游河床消能空间狭小，在整体水力学模型试验过程中发现了远比预想更多的问题与难点。试验在初拟的消能防护结构基础上，由开始的仅延长护坦长度，维持“护坦+护坡”方案，到全防护底板，再到利用尾坎解决入水水流冲击导致水垫过薄问题，随着研究不断地深入，需求最合理的解决方案，最后形成消力塘+尾坎的下游防冲结构。其主要工作内容为：首先采用动床铺设模拟消力塘段“护坡不护底”的状况，通过不同泄洪工况的冲刷试验，充分了解表孔、中孔及其联合泄洪对下游河床的冲淤情况，再根据试验结果，进行消力塘底板防护范围和高程的方案对比试验，尔后再通过尾坎方案研究确定最终的消力塘防护结构尺寸参数。

4.1 泄洪冲刷试验

采用动床研究中表孔全开、左中孔全开、两中孔全开、三表孔全开、中表孔+两中孔全开、三表孔+两中孔全开这6个组次不同孔口组合的下游河道泄洪冲刷情况，试验泄洪流量从533 m3/s至3 149 m3/s，洪水标准涵盖了常遇至100年一遇洪水，试验结果基本反映了象鼻岭水电站泄水建筑物在目前体形及布置方案下的泄洪冲淤状况。试验表明：当表孔泄洪时，其水舌以横向扩散为主，水舌入水区域在护坦段中下部，从表孔单孔全开泄洪到三孔全开泄洪，主要冲刷坑在护坦末端前后共约30～60 m范围内，最大冲深7.8～14.5 m；当中孔泄洪时，其水舌呈纵向扩散，水舌上缘最远入水断面在护坦末端下游48 m处，主要冲刷坑在护坦末端至下游约100 m范围内，最大冲深2.5～7.5 m，而护坦段河床冲刷轻微。中小洪水下游水深相对较浅，各孔口泄洪水舌的冲击力相对较大，随着泄洪流量的增大，下游水深也随之增大，大流量泄洪对下游河床的冲刷程度并无大幅增加。

4.2 消力塘底板防护方案对比试验

根据泄洪冲刷动床试验结果，在消力塘两岸岸坡防护保持不变的情况下，选择消力塘底板不同的防护长度和高程进行方案对比试验，主要比较各方案的下游泄洪冲淤状况。试验组次选取两中孔全开泄洪、三表孔全开泄洪和三表孔+两中孔全开泄洪，该3个组次代表了中孔泄洪、表孔泄洪以及表、中孔联合泄洪的工况。

拟定3种消力塘底板防护方案：①方案1。底板长95.1 m，顶高程1 274.0 m。②方案2。在方案1的基础上，将底板面高程降低3 m至1 271.0 m，长度不变。③方案3。根据主要泄洪冲刷坑的位置，消力塘底板防护方案3重点对消力塘后段35 m及消力塘下游20 m长度范围进行防护，防护总长度55 m，底板面高程1 274.0 m。

通过泄洪冲刷试验下游冲淤数据的比较得出：①与消力塘动床试验(消力塘不护底试验)结果相比，消力塘底部进行防护后，各工况其下游泄洪冲刷深度有了大幅度减小，在下游消能区河道非常狭窄的情况下，消力塘作底板防护是必要的；②消力塘底板顶高程分别设为1 274.0 m(方案1)和1 271.0 m(方案2)时，下游冲淤形态和冲刷程度区别不大；③方案3实际上是适当延长了底板防护长度，其下游冲坑深度进一步减小。因此，从下游泄洪冲刷方面考虑，认为适当延长底板防护长度对减轻下游冲刷更为有利。

4.3 防护底板延长方案试验

通过对消力塘段动床试验和底板防护方案的初步比选试验结果的分析，考虑到下游消能区河道非常狭窄，一些泄洪工况下的消力塘末端及其下游附近的冲刷仍较为严重，对消能区河道岸坡的稳定有一定影响，因而考虑将消力塘底板防护长度延长至下游护坡末端，即底板防护长度从目前消力塘段的95.1 m再向下游延长58 m。防护底板延长方案试验将底板高程设为1 271 m和1 274 m两种情况分别进行了观测，试验观测内容包括底板防护段水面线、底部及岸边流速、底板压力和下游冲淤地形。

(1)防护段底板高程为1 271.0 m和1 274.0 m 时的水面线对比分析表明：①各试验组次底板防护段水深沿程逐渐增大。当底板顶高程为1 271.0 m 时，坝脚处水深为10.6～15.6 m，底板末端水深为21.8～26.6 m；当底板顶高程为1 274.0 m时，坝脚处水深为8.6～12.4 m(两中孔泄洪除外)，底板末端水深为18.8～24.9 m。②各相同工况的防护段水面高程变化不大，两者高差基本不超过1 m(两中孔泄洪除外)。③当底板顶高程为1 274.0 m、两中孔泄洪时，由于中孔水舌入水角度较小，在水舌向下游推力的作用下，底板防护段水深不稳定，间歇性出现水深为零即中孔水舌直接冲砸在防护底板上的现象，对泄洪消能和底板稳定极为不利。

(2)底板时均压力观测结果表明：①正常水位两中孔全开泄洪时，无论底板高程为1 271.0 m或是1 274.0 m，仅在中孔水舌头部落点处即底板延长段末端中部有冲击压力峰值，最大时均压力为221.48～233.24 kPa，除此之外，整个防护底板压力平稳。②正常水位三表孔全开泄洪时，表孔水舌上缘集中跌落区域的底板面上有明显的冲击压力峰值，具体部位在原消力塘末端上游5～15 m范围内。1 271 m 底板高程和1 274 m底板高程最大时均压力峰值分别为241.08～278.32 kPa和252.84～303.80 kPa。③正常水位三表孔+两中孔全开联合泄洪时，随着下泄流量的增加，防护段水垫深度随之增大，并且在表孔与中孔水舌相互作用之下，表孔水舌对底板的冲击压力大幅减小，中孔水舌对底板的冲击压力峰值则基本消失。

(3)从流速分布可看出，各试验组次消力塘前部约65 m范围内两岸基本为回流流态，流速一般为1～3 m/s；最大流速出现在消力塘中、后部，不同试验工况最大流速达到6～12 m/s。由于消力塘内水流呈强烈紊动状态，水流流向变化不定，并且不同的底板高程也会产生局部流态的不同，使流速分布的规律性较弱。

(4)消力塘防护底板向下游延长58 m后，三表孔和两中孔水舌落点均在防护底板范围内，从而使防护段下游河道冲刷范围和深度大幅减小，电站尾水渠内也无沙石淤积。

图1 优化后的水垫塘平面布置示意

4.4 全底板防护+尾坎方案试验

防护段下游河道冲淤程度比消能塘原设计防护方案大幅度减轻，保证了河道两岸岸坡的冲刷稳定性，基本达到了底板延长防护的目的。但主要还存在以下两个问题有待进一步进行试验研究：①防护底板高程为1 274.0 m、正常库水位为1 405.0 m，两中孔泄洪时，消力塘内的流态及水深极不稳定，间歇性出现水深为零而导致中孔水舌直接冲砸在防护底板上的现象，危及底板的稳定安全。②三表孔泄洪时，三孔水舌集中跌落部位的防护底板时均压力峰值明显，该部位底板受到的冲击压力较大。为此，考虑在消能塘底板延长段末端加设尾坎，其目的是通过尾坎的作用，稳定消力塘内的流态，维持消力塘内的有效水深，减小孔口泄洪水舌对防护底板的冲击力。

在防护底板高程为1 274.0 m的条件下，试验选取6、8、10 m 3个尾坎高度进行了消力塘水面线和底板压力分布对比。考虑到中孔泄洪时，其水舌挑距远且水舌上缘落点位置距尾坎很近，为了减轻尾坎所受的水流冲击力，将尾坎上游面设为1∶1斜坡。

通过消力塘底板防护方案的系列试验比较，“全底板防护+尾坎”方案具有消力塘水深稳定、防护底板所受冲击力相对较小、防护段末端基础以及下游河床不被冲刷的特点，是较优的消能防冲方案。从6、8、10 m 3个尾坎高度的试验结果比较来看，在稳定消力塘水深和减小下泄水流对防护底板冲击力方面，三者的功效差别不大，而低尾坎的抗水流冲击稳定性和出塘水流与下游水位衔接的平稳性优于高尾坎；但从试验中也反映出“全底板防护+6 m高尾坎”方案两中孔高水位泄洪仍有水垫不足不稳的问题，如果中孔只在低水位排沙时单独运行，那水垫塘流态也能保持稳定。综合考虑，尾坎高度采用6 m，即尾坎顶高程设为1 280 m。

优化后的水垫塘平面布置示意图见图1。

5 结 语

象鼻岭拱坝虽然总泄洪量不大，但相对于下游狭窄河谷而言，其泄洪消能空间极为有限，下泄水流在空中消能后进入河道，给河道的安全防护带来了较大的难度。设计以工程实际条件为出发点，结合国内外同类工程的设计、施工、运行经验，依托整体水力学模型试验，开展优化设计研究，不断根据试验存在的问题采取相应的处理方案，逐步推进优化研究，最终将下游消能由可行性研究阶段的护坦+护坡调整为消力塘。最终的方案减少了对下游岸坡的高陡边坡开挖，有效保留了下游坝肩抗力体，有利于坝肩抗滑稳定，取消了护坡底部深槽施工，简化了施工程序，提高了施工安全性，降低了施工难度；结合水力学模型专题试验研究，进行多组试验，充分论证了消力塘的各设计控制参数，为表孔宣泄常遇洪水提供可能性，提高了泄洪系统的运行方便性及可靠性；结合水力学模型试验成果进一步分析了水流对尾水出口的影响，对消力塘至尾水出口河道进行清理保护，使水流更为平顺通过尾水出口，最大限度地减少了后期堆渣对尾水出口的影响，为工程的后期运行提供了有利条件。

可行性研究阶段下游采用长70 m、宽57.8～32.00 m、厚3 m的混凝土护坦+两岸设厚2 m的长护坡至1301 m高程，根据研究调整为长160 m，宽26～40 m，厚3 m的混凝土水垫塘，两岸护坡防护至1 305 m高程，1 274～1 282 m高程护坡厚2m，以上厚1.0m，同时在顶高程1280m设置尾坎，既实现了一定的水垫厚度，又与下游河道平顺连接。消力塘宽度比可研阶段的护坦宽度有所减小，节约较多的边坡开挖工程量，现场揭露出的地质条件表明，护坦以下深槽比预想得好，回填混凝土工程量较小，即使考虑消力塘至尾水的混凝土贴坡及河道清理工程量，总体工程投资亦与上个阶段基本持平。

设计优化不仅体现在工程投资上的优化，为现场的施工、为后期的运行提供更为有利的条件也是重要的优化目标，象鼻岭通过设计优化，工程投资基本相当，工程施工、运行便利性及安全性明显提高，成功解决了狭窄河谷、高拱坝多孔口联合泄流下游防护问题，可以为同类工程提供参考。