窄河谷多個泄水建筑物水舌落點(diǎn)的控制研究

倪健博，田 忠，劉 文，張巨翼，譚 亮，王亞朦

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

0 引 言

泄水建筑物的設(shè)計必須適應(yīng)水文及地形地質(zhì)等條件，才能確保工程安全并發(fā)揮功效[1]。在重力壩設(shè)置表孔、中孔等多個泄水建筑物，有利于靈活運(yùn)行調(diào)度，降低泄洪風(fēng)險。但是，在狹窄河谷中，如何控制多個泄水建筑物的水舌落點(diǎn)，讓其適應(yīng)窄河谷的地形特點(diǎn)，有效避免沖刷破壞是工程設(shè)計的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題。針對單一挑坎的水舌落點(diǎn)問題，孫穎、薛宏程、張家明、馬飛、穆亮等分別對扭曲坎[2]、斜切坎[3]、窄縫坎[4]、燕尾坎[5]和差動坎[6]等展開了研究，并提出了相應(yīng)的解決思路。但是，利用不同挑坎形式的特點(diǎn)，控制窄河谷多泄水建筑物水舌落點(diǎn)的案列相對缺乏。鑒于此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合某抽水蓄能電站泄水建筑物水舌落點(diǎn)的控制問題，利用燕尾坎和斜切坎的特性，有效控制了窄河谷多個泄水建筑物的水舌落點(diǎn)，并總結(jié)了相應(yīng)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及試驗(yàn)設(shè)計

某水電站裝機(jī)容量為1 500 MW，水庫總庫容為1 580萬m3，正常蓄水位為1 389.00 m，死水位為1 364.00 m，攔河壩為混凝土重力壩，壩身設(shè)置了1個表孔和2個底孔，壩頂高程1 392.00 m。表孔孔口尺寸為9.00 m×7.00 m(寬×高)，堰頂高程1 382.00 m，2個底孔的孔口尺寸為5.00 m×6.00 m(寬×高)，底孔進(jìn)口底板高程1 340.00 m。表孔、底孔均采用挑流消能。大壩下游河谷平均寬度僅30.00 m，如何控制表孔及底孔的水舌落點(diǎn)，讓其適應(yīng)窄河谷的地形條件是工程設(shè)計的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題。

圖1 工程樞紐布置示意(單位：m)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計，模型比尺為1∶50，其中表孔、底孔等泄水建筑物采用有機(jī)玻璃加工制作而成，模型流量采用矩形薄壁堰測量。模型庫區(qū)和下游河道按照原始地形采用砂胚成形，水泥砂漿刮制，模型糙率通過比尺換算得到。工程樞紐布置見圖1，表孔、底孔各挑坎細(xì)部結(jié)構(gòu)分別見圖2、3。

圖2 初始體形表孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖3 初始體形中底孔和側(cè)底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

2 水舌落點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初始體形水舌落點(diǎn)分析

對結(jié)構(gòu)初始體形進(jìn)行試驗(yàn)，校核工況(流量2 910.00 m3/s、庫水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)下的水舌流態(tài)照片見圖4，水舌落點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1，相應(yīng)水舌落點(diǎn)示意見圖5。由于初始體形采用連續(xù)挑坎，挑射水流橫向擴(kuò)散充分，表孔、中底孔、側(cè)底孔水舌最大寬度分別為27.12、14.30、13.59 m，水舌總寬度超過50 m，大于河谷寬度(30 m)，導(dǎo)致水舌遠(yuǎn)端落點(diǎn)直接沖砸河道右岸(樁號0+180.510處)。

圖4 結(jié)構(gòu)初始體形水舌流態(tài)照片

表1 結(jié)構(gòu)初始體形水舌落點(diǎn)測量結(jié)果(校核工況) m

圖5 初始體形各泄流孔口的水舌落點(diǎn)示意(單位：m)

2.2 水舌落點(diǎn)控制思路

針對結(jié)構(gòu)初始體形存在的問題，結(jié)合周鐘[7]對窄河谷中泄水消能系統(tǒng)布置的研究經(jīng)驗(yàn)，將控制思路確定為“分區(qū)消能+分散入水”，即通過優(yōu)化挑坎體形，將表孔、底孔水舌的落點(diǎn)盡量錯開，到達(dá)“分區(qū)消能”的目的；同時調(diào)整挑坎體形，將水舌在縱向上充分?jǐn)U散，到達(dá)“分散入水”的目的。具體做法為：①表孔采用斜切坎的形式使水舌在橫向與縱向上拉伸擴(kuò)散，同時將表孔挑坎的右邊墻倒圓，將水舌適當(dāng)向左岸調(diào)整，以避免對右岸邊坡的沖刷；②底孔采用燕尾坎體形，使水舌縱向分散。

2.3 挑坎優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

2.3.1表孔、底孔挑坎的優(yōu)化體形

徐敏等[8]通過泄洪洞挑坎對比研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整后的斜切坎結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)了水舌良好的分散入水，進(jìn)而減弱了對河床的沖刷破壞，同時該挑坎結(jié)構(gòu)能夠較大角度地實(shí)現(xiàn)出挑水舌的偏轉(zhuǎn)。針對表孔及所在位置離河谷岸邊較近、初始體形水舌沖砸右岸岸坡的問題，考慮將表孔的挑坎形式由連續(xù)坎調(diào)整為斜切坎。對于表孔，在初始設(shè)計體形(保持設(shè)計體形各挑坎出口挑角不變)的基礎(chǔ)上，在樁號壩0+048.830位置對挑坎右邊墻進(jìn)行倒圓處理，圓弧半徑為90.00 m，圓心角為12.63°，反弧末端相對于泄槽側(cè)墻橫向收縮為2.22 m；在樁號0+053.710位置開始將挑坎左邊墻取消，使之形成斜切挑坎。

程文磊等[9]通過對燕尾坎與連續(xù)坎的對比研究，發(fā)現(xiàn)燕尾形挑坎相比連續(xù)坎水舌的橫向擴(kuò)散明顯減弱，且沿水流方向充分拉伸，整個水舌落點(diǎn)范圍呈狹長形，從而避免了對狹窄形水墊塘或河道兩側(cè)岸坡的沖刷，燕尾形挑坎更加適用于狹窄形河谷。針對窄河谷中多個泄水建筑物的落點(diǎn)可控制范圍受有限空間限制的情況，結(jié)合攔河壩下游河道條件及泄水孔口布置形式，考慮將中底孔和側(cè)底孔的挑坎形式調(diào)整為燕尾坎。對于側(cè)底孔，在初始設(shè)計體形的基礎(chǔ)上，在樁號壩0+058.650位置將挑坎底板進(jìn)行局部開口，起始端開口寬度為2.5 m，末端開口寬度為4.0 m；將中間底孔底板圓弧半徑調(diào)整為R=30 m，圓心角為34.75°，出挑點(diǎn)高程為1 345.35 m。對于中底孔，在側(cè)底孔修改的基礎(chǔ)上，將燕尾坎起始端開口從樁號0+058.65移動至樁號0+052.90處，燕尾坎起始端開口寬度與末端開口寬度不變；同時，為了將水舌整體往上游位置調(diào)整，將底孔明流段截斷15 m，使調(diào)整后的燕尾坎起始端開口從樁號0+052.90移動至樁號0+037.90處。

優(yōu)化后的表孔、側(cè)底孔和側(cè)底孔挑坎細(xì)部結(jié)構(gòu)分別見圖6～8。

圖6 優(yōu)化方案表孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖7 優(yōu)化方案側(cè)底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖8 優(yōu)化方案中底孔挑坎(單位：高程m，尺寸cm)

圖9 優(yōu)化方案下水舌流態(tài)照片

2.3.2優(yōu)化方案的水舌落點(diǎn)分析

優(yōu)化方案后，校核工況(流量2 910.00 m3/s、庫水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)、消能防沖工況(洪峰流量624.20 m3/s、庫水位1 364.00 m、下游控制水位1 288.00 m)下挑流水舌流態(tài)照片見圖9，水舌落點(diǎn)數(shù)據(jù)測量結(jié)果見表2，繪制水舌落點(diǎn)示意見圖10。對試驗(yàn)水舌落點(diǎn)進(jìn)行分析，可知經(jīng)過優(yōu)化后的攔河壩各泄水建筑物出挑水舌均勻，水舌落點(diǎn)位于河道中部，水舌歸槽良好，能夠與窄河谷的地形特點(diǎn)相適應(yīng)，優(yōu)化方案可以滿足泄洪消能要求。

表2 優(yōu)化方案下水舌落點(diǎn)測量結(jié)果 m

圖10 優(yōu)化方案各泄流孔口的水舌落點(diǎn)示意(單位：m)

3 結(jié) 論

本文結(jié)合某山區(qū)窄河谷水電工程，在整體水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了窄河谷下多個泄水建筑物水舌落點(diǎn)的控制問題。研究結(jié)果表明，窄河谷中，多個泄水建筑物的中孔位置可優(yōu)先考慮設(shè)置燕尾坎；斜切坎應(yīng)用于邊孔位置時，宜對靠岸坡的邊墻進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡箞A處理，有利于彌補(bǔ)孔口位置離岸坡較近的缺陷，防止沖刷岸坡；連續(xù)坎挑射水流橫向擴(kuò)散充分，不宜應(yīng)用于窄河谷。