两河口水电站超高流速洞式溢洪道出口挑坎型式研究

朱先文，谢金元，王 川，侯冬梅，邓 军

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.长江科学院，湖北 武汉 430015；3.四川大学，四川 成都 610065)

1 工程概况

工程永久泄洪建筑物均布置在大坝左岸，由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、竖井泄洪洞和放空洞组成。洞式溢洪道布置于左岸临河侧与坝肩相邻，轴线方位角为N7°E，由进水渠段、控制闸段、无压洞段、明槽段和挑坎段组成。进口段设1孔为16.0 m×21.0 m(宽×高)开敞式泄洪闸，溢流堰采用WES型实用堰型，堰顶高程为2 844.00 m。隧洞断面型式为圆拱直墙型，断面尺寸为16.0 m×22.0 m(宽×高)，顶拱高5.0 m，底坡为i=0.015。明渠泄槽段断面为16.0 m×16.5 m(宽×高)，渐变为16.0 m×9.5 m(宽×高)的矩形明渠，前段底坡i=0.015，后段底坡i=0.323 3，两段底坡由抛物线连接。洞式溢洪道最大泄量为4 076 m3/s，最大单宽流量254.8 m3/s·m，出口最高计算流速54 m/s，为本工程规模最大的泄洪设施。

2 研究思路

两河口工程泄洪具有“高土石坝、泄洪水头高、泄量大、泄洪流速超高、运行工况复杂、泄洪出口集中于左岸、出流归槽条件差、河谷狭窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。

鉴于下游河道狭窄，且洞式溢洪道泄洪规模最大，出流能量集中，为利于出流归槽，洞式溢洪道出口布置在坝脚下游河道弯道顶点附近，其下游左岸依次布置有竖井泄洪洞出口挑坎、放空洞出口挑坎和深孔泄洪洞出口挑坎，四个挑坎间净间距分别为100 m、100 m和280 m；因此需高度重视溢洪道出流对下游临近挑坎的影响。受实际地形地质条件限制，洞式溢洪道出口挑坎距下游河道水面高度达70 m左右，且在校核水位时水面宽度仅为90～110 m，因此出流水舌空中姿态及落点控制难度极大，雾化影响大。因此，两河口洞式溢洪道出口鼻坎的体型必须兼顾水舌归槽、减小泄洪冲刷、减轻泄洪雾化三个主要方面。

鉴于两河口洞式溢洪道出口地形地质条件，通过模型试验进行方案比选。结合类似工程消能防冲工程经验，如何使水流能沿河纵向拉伸，减少对两岸的冲击是本工程挑坎研究的目标。

3 挑坎比选方案

鉴于下游河谷狭窄，窄缝挑坎有利于水流的纵向拉伸，使水流归槽于河心，减轻对岸坡的影响，因此前期重点对窄缝挑坎进行了研究，体型详见图1。深化设计过程中，考虑到窄缝挑坎结构受力复杂，流激振动剧烈，且雾化范围大，根据近年来水力学研究的最新成果，开展了燕尾挑坎的对比研究，体型详见图2。在燕尾挑坎的体型优化研究过程中，发现斜切挑坎的适应性较好，因此同深度对三种挑坎进行了比选，体型详见图3。

图1 窄缝挑坎体型(单位：m)

图2 燕尾挑坎体型(单位：m)

图3 斜切挑坎体型(单位：m)

3.1 窄缝挑坎试验成果

窄缝挑坎推荐方案水舌形态及下游河道水流流态见图4。窄缝挑坎水舌纵向拉伸充分，水量分布均匀，实测消能洪水工况，挑坎水舌纵向落水长度约为248 m，落水宽度约20～30 m，下游河道最大冲深点高程为2 585.5 m，位于水舌落点外缘，靠近河道左岸区域。由于窄缝挑坎收缩比较小，出口宽度较窄，洞式溢洪道下泄流量较大时，挑坎出口水翅严重，侧墙上动水压力较大，实测正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄工况下，窄缝挑坎出口水翅高度约30～40 m，收缩段侧墙上最大动水压力达38.7×9.81 kPa。

通过物理模型和数值分析可知，雾化降雨在水舌风的带动下，在消能区及其下游区域形成大面积的雾雨或雾流。泄洪雾化雨强分布表现出局部强大、雨强变化快、两岸分布不对称等。由于溢洪道出口轴线偏左岸，左岸边坡雾化降雨明显大于右岸。竖井泄洪洞出口最大雨强达20 000 mm/h，放空洞出口最大雨强为600～5 000 mm/h，其余范围小于50 mm/h。

图4 窄缝挑坎水流形态

3.2 燕尾挑坎试验成果

燕尾挑坎是在常规连续挑坎基础上，在挑坎出口段底板上中间开口，缺口前端开口宽度小，后端及挑坎末端处开口宽度大，使挑坎在平面上成“燕尾”形状的一种挑坎型式。燕尾挑坎方案水舌形态及下游河道水流流态见图5。燕尾挑坎水舌纵横向拉伸较为充分，实测消能洪水工况，挑坎水舌纵向落水长度约为170 m，落水宽度约20～30 m，下游河道最大冲深点高程2 579.0 m，下游河道左岸最大冲深点高程2 581.4 m。燕尾挑坎的纵向扩散水舌是由于两侧水流往中间临空面射出形成，因此，挑坎两侧边墙基本不受高速水流的冲击作用，边墙受到的压力较小。

阿里的声音打碎了阿东的空白。上面开始有字浮出。这字便是：家里再也不会有母亲了。阿东的眼泪开始在眶里打转。

燕尾挑坎的雾化情况与窄缝挑坎相差不大。规律基本一致，不再赘述。

图5 燕尾挑坎水流形态

3.3 斜切挑坎试验成果

斜切挑坎水舌形态及下游河道水流流态见图6，各级流量下，挑坎水舌内缘较高，水舌纵向拉伸充分，水量分布均匀，挑射水流基本落于河道中心，对下游河道冲刷较轻，对左右岸岸坡影响较小。实测消能工况下，挑坎水舌纵向落水长度约为190 m，落水宽度约20～30 m，下游河道最大冲刷点高程为2 584.4 m。

图6 斜切挑坎水流形态

斜切挑坎的泄洪雾化降雨主要位于溢洪道出口左侧2 625 m平台、外缘落点左侧山坡、水舌主体落点右侧山坡以及外缘落点右侧山坡。其中右岸降雨强度明显强于左岸，而整体降雨强度低于窄缝挑坎。左右岸降雨最强均集中在高程2 625 m之下，高程2 625 m以上雨强小于50 mm/h。

3.4 挑坎比选

3.4.1 消能防冲比较

(1)窄缝挑坎，水舌纵向拉伸充分，水量分布均匀，但挑坎上水翅严重。落水水流靠近左岸岸坡，水舌内缘落于左岸岸坡底部。最低冲刷高程为2 585.5 m，位于深孔泄洪洞明渠段对应的河道左岸。左岸最大岸边流速达8 m/s，右岸最大流速为7 m/s。

(2)燕尾挑坎，水舌拉伸程度较窄缝差，下游河道最大冲深点高程2 579.0 m，下游河道左岸最大冲深点高程2 581.4 m。但与窄缝挑坎类似，水舌内缘落点靠近左岸，小流量工况下尤为突出。左岸最大岸边流速达9 m/s，右岸最大流速为8 m/s。

(3)斜切挑坎，各级流量下，斜切挑坎水舌形态良好，水舌落点较为分散，水舌落点远离左岸，对左岸岸坡稳定及其它泄水建筑物挑坎影响较小。下游河道最大冲刷点高程为2 584.4 m，位于河道右岸。左岸最大流速8 m/s，右岸最大流速为10 m/s。

从消能防冲方面比较，燕尾挑坎冲刷最为严重，窄缝挑坎与斜切挑坎冲刷程度相当；但窄缝挑坎冲刷最深区域位于左岸，斜切挑坎位于右岸。由于左岸有众多泄洪建筑物出口，因此在消能防冲方面，斜切挑坎优于窄缝挑坎。

3.4.2 泄洪雾化比较

泄洪雾化重点研究了窄缝挑坎和斜切挑坎。窄缝挑坎下的泄洪雾化降雨左岸明显大于右岸，且竖井泄洪洞和放空洞出口处雨强达600～5 000 mm/h；斜切挑坎下的泄洪雾化降雨左岸明显小于右岸，左右岸降雨最强均集中在高程2 625 m之下，高程2 625 m以上雨强小于50 mm/h。

由于左岸下游分布众多泄水建筑物出口，雾化对工程影响更大，因此从泄洪雾化方面比较，斜切挑坎优于窄缝挑坎。

3.4.3 结构适应性比较

窄缝挑坎收缩比为0.31，最大动水压力达38.7×9.81 kPa。水布垭水电站溢洪道工程窄缝挑坎收缩比为0.2，两者收缩程度均较大，收缩段承受较大压力。参考水布垭水电站溢洪道窄缝挑坎结构设计情况，本工程若采用窄缝挑坎，挑坎配筋难度大，需采用预应力筋、预应力锚索、结构缝灌浆等措施，将带来复杂的结构设计、高难度的施工条件。而燕尾挑坎和斜切挑坎边墙起的主要作用为导向，燕尾挑坎和斜切挑坎侧墙上最大动水压力为18.9×9.81 kPa。因此边墙受力远低于窄缝挑坎。从挑坎结构受力方面看，燕尾挑坎和斜切挑坎方案较优。

3.4.4 比选结论

各挑坎方案试验结果综合对比见表1，挑坎水舌落水区域对比见图7。综合以上分析，在消能防冲及雾化影响方面，斜切挑坎相对最优；在结构受力方面，斜切挑坎和燕尾挑坎优于窄缝挑坎；因此推荐斜切挑坎作为最终推荐挑坎型式。

表1 各挑坎方案试验结果

图7 消能工况下各挑坎方案水舌落水区域对比

4 结 论

两河口水电站洞式溢洪道泄洪流速超高、出口挑流鼻坎设计技术难度大，为满足洞式溢洪道的泄洪消能，对挑坎结构型式的选择和设计进行了大量的研究。模型试验对比和研究了窄缝、燕尾和斜切挑坎，并结合结构受力特征，综合选定了归槽较好、冲刷和雾化影响较轻、结构受力较好的斜切挑坎。研究成果为两河口工程洞式溢洪道设计提供了试验依据，已应用于工程。