烏依布拉克二級(jí)水電站溢洪道挑坎設(shè)計(jì)方案比選

陳 博

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程背景

烏依布拉克二級(jí)水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)烏什縣境內(nèi)，屬于烏依布拉克河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí)水電站[1]。該水電站的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為3.2 MW，引水流量為2.94 m3/s，設(shè)計(jì)水頭127 m，主要水工建筑物包括水庫(kù)大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、溢洪道，電站的年利用小時(shí)數(shù)為6900 h，年均發(fā)電量為2484萬(wàn)kW·h，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值580萬(wàn)元。擬建中的烏依布拉克二級(jí)水電站的溢洪道位于大壩左岸的臺(tái)地上，其軸線(xiàn)基本與大壩軸線(xiàn)垂直，全長(zhǎng)372 m，自上游至下游分別劃分為導(dǎo)流段、控制段、泄槽段和消能段。閘前地板高程為2499.0 m，溢流堰面設(shè)計(jì)為WES曲線(xiàn)，設(shè)單孔凈寬為10.0 m的三孔弧門(mén)控制，挑流段采用圓弧曲線(xiàn)。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，寬淺式溢洪道的挑坎進(jìn)行局部形體調(diào)整，對(duì)出挑水流形態(tài)的影響極為有限，難以對(duì)水舌的軌跡產(chǎn)生較大影響。目前，受制于各方面因素的影響，溢洪道軸線(xiàn)和泄槽段體型已經(jīng)確定，不能進(jìn)行大幅度改變。因此，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法對(duì)溢洪道挑坎大圓弧導(dǎo)向鼻坎的形體進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?/h3>

根據(jù)研究需要和工程現(xiàn)狀，模型試驗(yàn)的模擬范圍為壩軸線(xiàn)上游320 m，在庫(kù)區(qū)內(nèi)制作溢洪道進(jìn)口段以及右側(cè)110 m左右的壩坡，下游河道模擬長(zhǎng)度為調(diào)坎末端以下240 m，模型的總長(zhǎng)度為780 m[2~4]。考慮試驗(yàn)場(chǎng)地因素和SL155—95《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，模型采用的幾何比尺為50[5]，為滿(mǎn)足水流紊動(dòng)阻力相似性需求，模型采用有機(jī)玻璃板制作，高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[6]。

2.2 大圓弧導(dǎo)向鼻坎設(shè)計(jì)方案

烏依布拉克二級(jí)水電站采用的是寬淺型溢洪道，水深遠(yuǎn)小于寬度本身，在工程設(shè)計(jì)中要想使挑流水舌實(shí)現(xiàn)整體偏轉(zhuǎn)導(dǎo)向，避免對(duì)左岸的沖刷具有一定的難度。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中選擇了大圓弧導(dǎo)向鼻坎設(shè)計(jì)[7]。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，結(jié)合大圓弧導(dǎo)向鼻坎的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出如下三種設(shè)計(jì)方案：

方案1：采用大導(dǎo)向圓弧左邊墻和斜平面貼角的體型設(shè)計(jì)。挑流鼻坎的左側(cè)邊墻設(shè)計(jì)為半徑24.0 m的圓弧形導(dǎo)墻，導(dǎo)墻的起始斷面為樁號(hào)0＋296.83；在圓弧形導(dǎo)墻的下段設(shè)置斜平面三角體貼角，以進(jìn)一步加強(qiáng)挑坎對(duì)水流的導(dǎo)向和分散水舌的作用。

方案2：采用大導(dǎo)向圓弧左邊墻設(shè)計(jì)。挑流鼻坎的左側(cè)邊墻設(shè)計(jì)為半徑30.0 m的圓弧形導(dǎo)墻，邊墻的末端較方案1向下游延伸4.0 m，從而形成向右導(dǎo)向的斜挑坎模式。

方案3：仍舊采用大導(dǎo)向圓弧左邊墻設(shè)計(jì)，將大圓弧左邊墻的半徑進(jìn)一步增加到48.0 m，邊墻末端較方案1向下游延伸3.0 m，同時(shí)將起點(diǎn)斷面位置向上游移動(dòng)至0＋286.96，與方案2相比，該方案進(jìn)一步加長(zhǎng)了左邊墻的長(zhǎng)度，導(dǎo)向曲率進(jìn)一步減小，使左邊墻的變化趨緩，外形更為流暢。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 方案1試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)烏依布拉克二級(jí)水電站溢洪道的相關(guān)設(shè)計(jì)資料和烏依布拉克多年來(lái)的水文資料，設(shè)計(jì)150 m3/s、300 m3/s、600 m3/s和1100 m3/s(設(shè)計(jì)洪水)四種不同的溢洪道下瀉流量，利用模型試驗(yàn)的方法對(duì)方案1條件下的水流流態(tài)、流速和下游沖淤地形特征進(jìn)行研究[8]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 方案1試驗(yàn)組次結(jié)果

在上述試驗(yàn)方案條件下進(jìn)行溢洪道模型試驗(yàn)，結(jié)果如下：

溢洪道水流受到大圓弧導(dǎo)向邊墻與貼角的共同影響，各個(gè)試驗(yàn)組次條件下挑坎的中部和左側(cè)的出挑水流明顯向右翻轉(zhuǎn)，水流入水后呈現(xiàn)出橫向擴(kuò)散且擴(kuò)散寬度隨著下瀉流量的增加而增大的特征；右側(cè)的出挑水流仍舊沿著縱向方向挑入河床，進(jìn)而形成了縱向擴(kuò)散且上下分層的復(fù)合型水舌，明顯增加了挑坎的消能率。從水舌的形態(tài)來(lái)看，在不同試驗(yàn)組次中均遠(yuǎn)離左岸，入水后迅速向河床內(nèi)側(cè)擴(kuò)散，而不是集中于左岸的坡腳部位，可以完全避免水舌對(duì)左岸岸坡的沖蝕和淘刷。

在第4組試驗(yàn)條件下，挑坎的起挑水位為2507.1 m，終挑水位為2506.0 m；在正常蓄水位小流量泄洪的條件下，只要下瀉流量大于150 m3/s即可形成挑流水舌且不會(huì)出現(xiàn)水流旋滾現(xiàn)象，因此，方案1的設(shè)計(jì)能夠基本滿(mǎn)足泄洪要求。

在各個(gè)試驗(yàn)組次條件下，觀測(cè)溢洪道沖刷坑的具體特征，結(jié)果見(jiàn)表2。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，溢洪道下游的沖刷坑深度不大，在工程設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，說(shuō)明方案1的消能效果比較明顯。同時(shí)，沖坑偏離左岸，不會(huì)對(duì)左岸岸坡造成明顯的不利影響。

表2 方案1下游沖坑特征

3.2 方案2試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)方案2，試驗(yàn)研究在方案1設(shè)計(jì)的四種不同下瀉流量的基礎(chǔ)上增加了校核洪水工況，對(duì)應(yīng)的溢洪道下瀉流量為1570 m3/s，具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 方案2試驗(yàn)組次結(jié)果

在上述試驗(yàn)方案條件下進(jìn)行溢洪道模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：方案2各組試驗(yàn)條件下的水舌形態(tài)、下游流態(tài)與方案1類(lèi)似，挑坎的中部和左側(cè)的出挑水流明顯向右翻轉(zhuǎn)，水流入水后呈現(xiàn)出橫向擴(kuò)散，可以明顯增加了挑坎的消能率，完全避免水舌對(duì)左岸岸坡的沖蝕和淘刷。

各個(gè)組別試驗(yàn)條件下的溢洪道沖坑特征見(jiàn)表4。從表中的結(jié)果來(lái)看，方案2條件下，下游沖坑位置與方案1比較接近；在通常泄流情形下，沖坑的深度在7 m左右，在設(shè)計(jì)和校核洪水條件下，下游的沖坑深度較深。

表4 方案2下游沖坑特征

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溢洪道三個(gè)泄洪閘門(mén)全開(kāi)泄洪的條件下，挑坎的起挑水位為2507.9 m，終挑水位為2506.1 m；在正常蓄水位小流量泄洪的條件下，只要下瀉流量大于150 m3/s～200 m3/s即可形成挑流水舌且不會(huì)出現(xiàn)水流旋滾現(xiàn)象。

3.3 方案3試驗(yàn)結(jié)果分析

選取與方案2相同的試驗(yàn)工況，對(duì)方案3條件下的水流流態(tài)、流速和下游沖淤地形特征進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案3條件下的水舌形態(tài)與下游流態(tài)與方案1和方案2基本相同，也可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。但是，方案3條件下的水舌擴(kuò)散程度比方案1和方案2略小，因此，造成下游沖坑深度普遍增加，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 方案3下游沖坑特征

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溢洪道三個(gè)泄洪閘門(mén)全開(kāi)泄洪的條件下，挑坎的起挑水位為2507.4 m，終挑水位為2505.8 m；在正常蓄水位小流量泄洪的條件下，只要下瀉流量大于150 m3/s即可形成挑流水舌且不會(huì)出現(xiàn)水流旋滾現(xiàn)象。

3.4 設(shè)計(jì)方案的確定

有上述試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，三個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案均可使挑流水舌遠(yuǎn)離左側(cè)岸坡，達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。相比較而言，方案1的水舌擴(kuò)散更為均勻，下游的沖坑深度最小，工程量也相對(duì)較小；方案3的體型比較簡(jiǎn)潔、流暢，但是水舌相對(duì)比較集中，造成下游沖坑的深度最大，而方案二則介于兩者之間。因此，綜合考量認(rèn)為，方案1為最佳方案，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

4 結(jié)語(yǔ)

水利水電工程往往兼具防洪功能，是江河防洪體系的重要組成部分，一旦出現(xiàn)病險(xiǎn)問(wèn)題，必將產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。其中，水利工程的泄水建筑物承擔(dān)著水庫(kù)多余水量的安全宣泄功能，對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。本次研究以新疆維吾爾自治區(qū)烏依布拉克二級(jí)水電站為例，通過(guò)方案比選的方式對(duì)大圓弧導(dǎo)向鼻坎設(shè)計(jì)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，并給出了最佳設(shè)計(jì)方案。該方法和結(jié)論對(duì)相關(guān)水利工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價(jià)值。