兩河口水電站深孔泄洪洞出口挑坎體型優(yōu)選研究

陳 軍，杜震宇，謝金元，唐碧華，易文敏

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 前 言

近年來，為滿足國內(nèi)電力市場需要，我國在西部地區(qū)高山峽谷河流修建完成了若干大型水電站。為確保電站運行安全，一般需要修建泄洪建筑物來滿足樞紐泄洪需要。對于當(dāng)?shù)夭牧蠅?，一般需要在壩體一側(cè)山體內(nèi)設(shè)置泄洪洞。為減輕泄洪水流對河道及兩岸岸坡的沖刷破壞，泄洪洞出口需設(shè)置消能措施，考慮下泄水流消能需要、出口地形地質(zhì)條件、工程造價、施工難易等綜合因素，泄洪洞出口一般優(yōu)先選用挑流消能的型式。

由于高山峽谷河流地區(qū)一般地形狹窄，樞紐布置限制條件較多，泄洪洞出口挑射水流一般都存在“出口水流歸槽條件不好，小流量運行時泄洪水流砸本岸，大流量運行時泄洪水流頂沖對岸”的缺點。為減輕泄洪洞出口水流對河道及岸坡的沖刷破壞，應(yīng)進(jìn)行泄洪洞水力學(xué)模型試驗，通過調(diào)整泄洪洞出口挑坎的體型，找到能滿足泄洪洞“在各運行水位下，出口挑射水流均能以較好的水舌形態(tài)順利挑入主河道，小流量盡量不砸本岸，大流量不沖對岸的體型”的挑坎體型。

兩河口水電站深孔泄洪洞軸線與下游河道夾角相對較大，水流歸槽條件較差，運行庫水位及泄流量范圍較大，初期設(shè)計的出口挑坎體型在水力學(xué)模型上試驗驗證時，存在諸多缺點，不能滿足工程需要。最終通過深孔泄洪洞單體及樞紐整體水力學(xué)模型試驗研究論證，深孔泄洪洞出口最終選定的“大斜切挑坎”出流水舌均勻、拉伸充分、落點理想、起挑流量較小、體型相對簡單，滿足歸槽要求。本文主要論述了深孔泄洪洞出口挑坎體型的優(yōu)選過程，可以為后續(xù)類似工程的泄洪洞出口挑坎體型設(shè)計提供一定參考。

1 工程概況

兩河口水電站為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫，采用壩式開發(fā)，最大壩高295 m，電站裝機容量3 000 MW。水庫正常蓄水位2 865 m，死水位2 785 m，消落深度達(dá)80 m。工程任務(wù)以發(fā)電為主兼顧防洪，在汛期7月底以前按防洪限制水位2 845 m運行。

工程樞紐由攔河大壩、泄水、引水發(fā)電等主要建筑物組成。永久泄水建筑物均布置在左岸，由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞組成。泄水建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(PMF)洪峰流量為10 400 m3/s，樞紐總泄量約為8 200 m3/s，最大泄洪水頭約250 m，總泄洪功率約為21 000 MW。

兩河口水電站泄洪系統(tǒng)具有“泄洪水頭高、泄量大、流速大、運行工況復(fù)雜、泄洪出口集中于左岸、出流歸槽條件差、河谷狹窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。下游河道枯期寬50～60 m，消能防沖洪水時約80～100 m，為已建高壩岸邊泄洪工程中較為狹窄的河谷之一。

深孔泄洪洞為短有壓進(jìn)口無壓泄洪洞，由岸塔式進(jìn)口、無壓隧洞、出口明渠段及挑流鼻坎組成，進(jìn)口底板高程2 810 m，設(shè)計最大泄量2 909 m3/s，出口最大流速約46 m/s。

深孔泄洪洞為工程主要泄洪建筑物，在水庫汛限水位(高程2 845.00 m)運行時段為唯一泄洪通道，低庫水位下還需承擔(dān)放空和蓄水穩(wěn)壓任務(wù)。深孔泄洪洞軸線與下游河道夾角相對較大(約為14°)，運行庫水位范圍(高程2 810～2 870.32 m)及泄流量范圍(0～2 909 m3/s)均較大，相應(yīng)出流挑距差別也較大，因此要找到能滿足各運行工況下“小流量不砸本岸，大流量不沖對岸，出流分散均勻”的出口挑坎體型是本泄洪洞設(shè)計的難點。本文根據(jù)地形地質(zhì)條件及出口挑坎布置條件，通過單體及整體水力學(xué)模型試驗，對深孔泄洪洞出口挑坎體型進(jìn)行了優(yōu)選研究，最終選取了布置可行、水力學(xué)條件優(yōu)良、施工方便的挑坎體型。

2 出口挑坎體型優(yōu)選原則及思路

2.1 初擬挑坎體型存在問題

結(jié)合現(xiàn)場實際地形地質(zhì)條件、本工程樞紐布置及類似工程經(jīng)驗，初步擬定深孔泄洪洞出口采用“扭曲斜切挑坎”，挑坎的平面布置如圖1所示 。

通過對初擬挑坎體型進(jìn)行水力學(xué)模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：(1)挑坎出口斷面水深左右相差懸殊，左深右淺；(2)下泄小流量時砸本岸嚴(yán)重，下泄大流量時主流剛剛進(jìn)入河道，但水舌在空中擴散不充分，對左岸岸坡沖刷嚴(yán)重。

綜合以上分析，還需對深孔泄洪洞出口挑坎進(jìn)行優(yōu)化研究，以期找到適合本工程的出口挑坎體型。

2.2 優(yōu)化原則

優(yōu)化后的挑坎應(yīng)力求體型簡單，能滿足深孔泄洪洞在常遇庫水位工況運行時，出口挑射水流以較好的水舌形態(tài)順利挑入主河道；小流量泄洪時水流盡量不砸本岸，下泄大流量時不沖擊對岸；出挑水流擴散充分并能順利歸槽。

2.3 優(yōu)化思路

出口挑坎體型優(yōu)化的主要思路如下：

(1)改善下游河道條件?？紤]到本工程泄洪出口下游河道狹窄，前期進(jìn)行水力學(xué)模型試驗時，發(fā)現(xiàn)各泄水建筑物出口挑坎經(jīng)體型優(yōu)選后，均仍存在小流量挑射水舌干砸本岸(左岸)、大流量工況下出流頂沖右岸的現(xiàn)象。為改善深孔泄洪洞出口挑坎挑射水流歸槽條件，可以考慮對泄洪出口下游河道進(jìn)行開挖規(guī)整。

(2)調(diào)整挑坎內(nèi)水流流態(tài)。通過調(diào)整出口挑坎左右側(cè)底板高程差和挑坎底板形狀，使挑流水舌盡可能在空中分散，縱向充分拉伸，挑流水舌的厚度相對比較均勻，以減輕挑流水舌對下游河床的沖刷。

(3)調(diào)整水舌入水位置。通過調(diào)整挑坎末端位置、挑角和平面轉(zhuǎn)彎體型，改善水舌入水點位置，保證在常遇洪水工況泄洪時，水舌的入水點位于河道中心的目的。

3 出口挑坎優(yōu)化研究

3.1 改善下游河道條件

為改善深孔泄洪洞出口水流歸槽條件，結(jié)合泄水建筑物出口開挖邊坡，確定對泄水建筑物出口區(qū)左岸河道2 627 m以下岸坡進(jìn)行平順開挖整治處理，對右岸局部突出河道的部位也進(jìn)行適當(dāng)平順開挖。河道整治開挖可一定程度上加寬下游河道，使河道更加平順，有利于改善下游水流流態(tài)，同時可減小下泄水流對右岸岸坡頂沖。

3.2 出口挑坎體型優(yōu)化方案

根據(jù)深孔泄洪洞出口挑坎基礎(chǔ)地形條件，同時綜合考慮地形地質(zhì)條件及挑坎布置條件，對出口體型進(jìn)行了系列優(yōu)化。為了改善初擬體型挑坎出口水深左右相差懸殊的缺點，重點研究了采用底板扭曲方式以減輕高速水流在彎道左側(cè)集中問題。經(jīng)過眾多體型試驗研究后，篩選了兩種重點體型方案進(jìn)行了深入比選。

方案一為底板局部扭曲挑坎，其右側(cè)底板為深槽，左側(cè)底板為扭面，具體體型示意見圖2。平面上，左邊墻從挑坎起點開始接半徑R為100～380 m的轉(zhuǎn)彎圓弧，左邊墻頂部轉(zhuǎn)彎半徑為380 m，底部轉(zhuǎn)彎半徑長度為100 m，圓弧順?biāo)飨蜷L度為122 m；右側(cè)邊墻從挑坎起點起接半徑R為250 m的轉(zhuǎn)彎圓弧，圓弧沿洞軸線方向長度為50 m，邊墻末端布置長為16.449 m的矮邊墻；立面上，左右側(cè)底板均從挑坎起點起接半徑R為150 m的圓弧。

圖2 底板局部扭曲挑坎體型示意(單位：m)

方案二為大斜切連續(xù)扭曲挑坎，具體體型示如圖3～4所示。結(jié)構(gòu)布置如下：平面上，左側(cè)邊墻從樁號(深泄)1+666.00 m起接半徑R為150 m的轉(zhuǎn)彎圓弧，圓弧沿洞軸線方向長度為30.745 m，圓弧末端切線段沿洞軸線方向的長度為59.255 m；右側(cè)邊墻從挑坎起點起接半徑R為150 m的轉(zhuǎn)彎圓弧，圓弧沿洞軸線方向長度為65.745 m。立面上，左側(cè)底板從挑坎起點接半徑R為145 m的圓弧，圓弧在洞軸線方向上的長度為43.857 m，圓弧末端相切直線沿洞軸線方向的長度為101.143 m；右側(cè)底板從挑坎起點接挑流半徑R為220 m的圓弧，圓弧在洞軸線方向上的長度為38.106 m，圓弧末端采用直線相切向下游延伸，沿洞軸線方向長度為34.444 m。

圖3 大斜切扭曲挑坎體型示意(單位：m)

圖4 大斜切扭曲挑坎體型三維示意

3.3 出口挑坎體型比選

對于上述兩種重點體型方案，出口挑坎優(yōu)選研究階段均進(jìn)行了水力學(xué)單體模型試驗研究，根據(jù)模型試驗研究成果進(jìn)行了多方面的對比，具體對比成果如下：

(1)挑坎內(nèi)水流流態(tài)。方案二(大斜切扭曲)挑坎內(nèi)水深較淺，水流分散性和平順性更好；方案一(底板局部扭曲)挑坎內(nèi)水深較大，左右兩側(cè)分布不均勻，而且水面波動更大。

(2)挑坎內(nèi)壓力特性。模型試驗研究成果表明，在各特征水位運行時，方案一(底板局部扭曲)及方案二(大斜切挑坎)兩個體型挑坎內(nèi)的壓力特性均良好，未發(fā)現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，壓力脈動幅度小頻率低，頻幅曲線呈正態(tài)分布。

(3)水舌形態(tài)及水邊線。方案一及方案二兩種挑坎在各水位運行時，挑流水舌在空中和入水區(qū)拉伸均較充分，落水位置均基本合理，兩種挑坎出口挑流水舌形態(tài)及下游河道流態(tài)見圖5～6。

(a)庫水位2 845 m

(b)庫水位2 865 m

(a)庫水位2 845 m

(b)庫水位2 865 m

方案一挑坎水舌入水形態(tài)呈“鉤狀”，頭部寬度大尾部寬度?。粠焖? 845 m及2 865 m兩個工況下，水舌落水范圍均在河道中心線偏左位置，縱向拉伸較充分，水舌入水區(qū)距離左右岸均有一定距離。庫水位2 865 m時，水舌落水區(qū)縱向長度約87.9 m，最大寬度約25 m，左右挑距分別為136 m和100 m(見圖7)。

圖7 正常水位時水舌落點及水邊線(底板扭曲挑坎)(單位：m)

方案二挑坎出口水舌入水形狀與方案一入水形狀相似，庫水位2 845 m及2 865 m兩個工況下，水舌入水范圍也均在河道中心線偏左位置，兩個工況水舌入水區(qū)距離左右岸均有一定的距離。庫水位2 865 m工況，水舌入水區(qū)縱向長度約111 m，最大寬度約24 m，左右挑距分別為130 m和78 m，如圖8所示。

圖8 正常水位工況水舌落點及水邊線(斜切挑坎)(單位：m)

根據(jù)上述分析，方案二挑坎挑流水舌挑距小于方案一挑流水舌挑距，但其入水區(qū)更長，入水?dāng)U散更充分，且下游河道水面波動比方案一體型下的小。

(4)起挑流量及良好的歸槽流量。方案二挑坎水舌起挑流量為231.9 m3/s，此時水舌散落在左岸岸坡中下部(水舌與岸坡交角較小，歸槽也較順暢)；出流量增至479.7 m3/s后，水舌完全落入河道內(nèi)。方案一挑坎水舌起挑流量為257.4 m3/s，此時水舌也散落在左岸岸坡上，但少量水舌落于挑坎后平臺上；流量達(dá)到520.7 m3/s后，水舌完全落入河道內(nèi)。由此可見，采用兩種方案挑坎體型時，深孔泄洪洞出口挑坎挑流水舌起挑流量及良好歸槽流量基本相當(dāng)。

(5)對下游河道沖刷影響。庫水位2 845 m和2 865 m時，兩種挑坎形成的下游河道沖坑最深點基本相當(dāng)，但方案一形成的左岸回流淘刷沖坑范圍比方案二范圍大，庫水位2 865 m時的左岸回流淘刷深度比方案二體型深4 m。庫水位2 865.00 m時，采用方案一下游河道沖坑等值線見圖9，采用方案二時下游河道沖坑等值線見圖10。

圖9 2 865 m水位下游沖坑等值線(方案一)

圖10 2 865 m水位下游沖坑等值線(方案二)

因此，從下游河道流場和沖坑對比來說，方案一挑坎方案左岸回流更加嚴(yán)重，左岸沖坑范圍更大更深，而方案二體型右岸流速更大，沖坑更加靠近右岸，這樣對于保護左岸泄洪出口建筑物更有利。

(6)結(jié)構(gòu)型式。方案二結(jié)構(gòu)體型相對更簡單，便于施工控制，更易保證施工質(zhì)量，對工程安全運行更有利。

綜上所述，從挑坎內(nèi)水流流態(tài)及壓力特性、水舌形態(tài)及水邊線、水舌落點、起挑流量、良好歸槽流量、對下游河道的沖刷影響及結(jié)構(gòu)型式等方面綜合來看，選擇方案二(大斜切扭曲挑坎)體型為深孔泄洪洞出口挑坎最終的推薦體型。

4 結(jié) 論

(1)本工程深孔泄洪洞具有運行水位范圍廣(高程2 810～2 870.36 m)、泄量變化大(0～2 909 m3/s)、流速高(最高約為46 m/s)、下游河道狹窄且抗沖流速低的特點。通過水力學(xué)模型試驗對比優(yōu)選的“下游河道整治開挖+大斜切扭曲挑坎”能較好地解決挑流水舌歸槽和下游河道沖刷問題，可為類似工程提供一定的借鑒。

(2)深孔泄洪洞出口挑坎采用大斜切扭曲體型在各運行水位運行時，挑坎內(nèi)水流分布均勻，左右水深基本相當(dāng)，挑射水流入水范圍理想，達(dá)到了小流量不淘刷本岸，大流量不沖對岸的目的，水舌空中擴散充分，入水面呈鉤狀沿河道方向拉開，滿足本工程歸槽需求。