新疆塔日勒嘎水電站岸邊臺階式新型溢洪道設計

林 飛

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

塔日勒嘎水電站位于新疆柯爾克孜自治州烏恰縣吾合沙魯鄉的克孜勒蘇河中游河段上，為克孜河規劃2 庫6 級方案中的第二個梯級。壩址距烏恰縣58 km，距喀什150 km。由攔河大壩（粘土心墻砂礫石壩）、左岸導流兼泄洪沖沙隧洞、發電引水隧洞、電站廠房、右岸溢洪道等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程，地震設防烈度為Ⅸ度。

壩軸線位于吾合沙魯鐵橋上游約640 m 處的峽谷河段，水庫正常蓄水位2 250.0 m，死水位為2 245.0 m，總庫容0.418 億m3，最大壩高43.6 m。右岸岸邊開敞式溢洪道孔口選用2 孔10 m×7 m 的駝峰堰。左岸利用導流洞改建成泄洪沖沙隧洞，全長507.576 m，洞徑D=8.0 m，圓形有壓洞。發電引水洞布置在導流洞里側，全長1 412.258 m，圓形有壓洞，洞徑6.8 m。廠房布置在大壩下游約1 220 m 的山谷出口，設計水頭44 m，裝機容量4×12.5 MW。

2 溢洪道可研方案

壩址位于中低山峽谷河段，兩岸地形不對稱。右岸洪積扇地形開闊，在臨河一線形成（24～27）m 高的近直立陡坎，洪積扇地形較平坦，略向河床傾斜，其坡度約10°左右，地面高程（2 243～2 360）m，寬約2.5 km，扇面小沖溝較發育，洪積扇厚（33～55）m，下部掩埋有古河床及階地。當設計蓄水位2 250 m 時，河谷寬約230 m。

2.1 方案比選

（1）溢洪道布置方案。溢洪道為岸邊正槽溢洪道，地質條件相對簡單，建筑物全部坐落在洪積扇的碎石土層上，該層結構密實，其中碎塊石成分主要為新鮮至弱風化狀砂巖，磨圓度差，厚（30～60）m。根據地形條件和布置要求，共考慮了2個布置方案。

方案1：正向布置，溢洪道進水口及控制段軸線垂直壩軸線，水流經消能后轉向回歸河床，軸線長度741.9 m。

方案2：斜向布置，溢洪道控制段軸線與壩軸線成70°夾角直線布置，進水口通過彎道進入控制段，軸線長度475.9 m。

方案1 進流條件好，進水渠工程量小，但泄槽段及出水渠長度增加約240 m，其走向與河流近平行，消力池后高程較低，開挖防護工程量增加較多。方案2 控制段后為直線布置，水流條件較好，其軸線與河流斜交且長度較短，工程量較省，但進水渠需平面轉彎，因進口為水庫，水流條件影響較小。故選定方案2 為推薦方案。

（2）堰型方案。溢洪道為低堰，其可選堰型有寬頂堰、WES 實用堰、駝峰堰等，寬頂堰因流量系數低影響特征水位，本次未考慮。經泄流能力計算，WES實用堰和駝峰堰結果相差不大，不影響大壩工程量，考慮基礎為軟基，同時為節省工程量，采用b 型駝峰堰。

2.2 溢洪道布置

可研階段溢洪道為岸邊正槽溢洪道，布置在大壩右壩頭洪積扇階地，由引渠段、控制段、泄槽段和消能設施組成。

圖1 原溢洪道結構布置圖

引渠段布置在壩軸線上游，長292.12 m，底寬22.0 m，渠底高程2 240.5 m，為開挖的梯形斷面渠道，坡比1∶1.25。控制段長22.0 m，采用2 孔駝峰堰，每孔凈寬10.0 m，堰頂高程2 243.0 m；堰身為鋼筋混凝土結構，堰身軸線與大壩軸線成70°的夾角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土擋墻與大壩及岸坡相接，擋墻最大高度17.5 m。泄槽全長375.0 m，縱坡8.257%，寬度（22～30）m，過水斷面為鋼筋混凝土矩形斷面，邊墻高度6.5 m。出口采用底流消能，消力池長60.0 m,寬度30.0 m，池深6.0 m，泄槽末端設有高1.24 m 的趾墩，池內設有高2.1 m 的消力墩。見圖1。

2.3 溢洪道一級泄槽方案試驗成果

模型進行了在導流泄洪洞全開后，溢洪道兩孔同步漸開1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全開及30年一遇、設計、校核洪水試驗。試驗觀測到，由于消力池邊墻較矮，水流通過擴散段向兩邊擴散，在消力池右側壩下游455 m 處與右岸交匯后產生較大范圍的回流，回流范圍至擴散段起點，流速為（1.23～4.29）m/s，而消力池左邊擴散水流受導流洞來流的壓迫趨于順直，未產生回流。基于上游來流不均與消力池左右流態不對稱及下游水位不對稱頂托等因素的影響，溢洪道出口流態較紊亂，水躍發生在陡槽上（坡底向上游50 m～60 m 處），且為不對稱（左短右長）斜向水躍。消力池內呈面流流態，主流在表面，流速為（1.91～7.24）m/s，底部流速為（1.57～3.18）m/s；同時觀測到消力池太深，消力墩和址墩都不起作用。池后河床最大流速在（4～7）m/s 之間，沖坑上游坡比為1/4.31～1/7.38，雖為穩定邊坡，但對于底流消能來說，沖刷范圍及深度都太大。

為解決消力池不利流態，模型采取了加高消力池兩邊墻，封堵右岸回流及擋住左側導流洞來流的干擾以達到使消力池流態對稱的目的，但試驗結果表明流態并沒有得到大的改善。模型又采取了抬高消力池底板高程、在陡槽上加分流墩（調節來流不均）等措施，都不能從根本上解決問題，因此，溢洪道設計有必要進行優化。

3 溢洪道優化設計方案

3.1 溢洪道布置

溢洪道軸線基本不變，主要將泄槽由一坡到底修改為2 級泄槽，第一級泄槽坡度根據地形和水力學條件確定，坡度為5%，盡量減少開挖；第二級泄槽采用陡坡擴散型式，坡度1∶4，由陡坡首部開始設置12 級4.0×1.0 臺階，陡坡尾部接消力池。

進水口引渠段長度適當壓縮，長120 m，底寬22.0 m，渠底高程2 240.5 m，為開挖的梯形斷面渠道，坡比1∶1.25。控制段長27.0 m，采用2 孔駝峰堰，每孔凈寬10.0 m，堰頂高程2 243.0 m，堰身為鋼筋混凝土結構，堰身軸線與大壩軸線成70°的夾角，左、右岸均采用扶壁式的混凝土擋墻與大壩及岸坡相接，擋墻最大高度17.5 m。泄槽全長278.658 m，底板厚0.6 m，縱坡分二級，第一級泄槽長200.0 m，縱坡5.0%，寬度22 m，過水斷面為鋼筋混凝土矩形斷面，邊墻最大高度5.5 m；第二級泄槽長78.658 m，縱坡25.0%，前40.0 m 為矩形斷面，寬度22 m，后38.658 m 為矩形擴散斷面，寬度（22～30）m，擴散角5.9°。出口采用底流消能，消力池長46.5 m,寬度30.0 m，池深3.5 m。

經計算，泄槽最大流速23.8 m/s，不會空蝕破壞。泄槽底板及擋墻過流表層0.3 m 厚混凝土考慮抗沖耐磨因素采用C35F200W6 纖維混凝土。

3.2 溢洪道修改后水力學試驗

水工模型試驗主要成果如下：

（1）泄流能力。試驗中觀測了溢洪道敞泄時及局部開啟時的過流能力，在不同上游水位時的流量見附表。

附表 溢洪道各級庫水位下泄流量試驗值

由試驗結果可見，溢洪道試驗泄量比理論計算值均偏大，主要是進口水流側收縮影響較難精確計算，但其變化在合理范圍內。導流泄洪洞與溢洪道聯合全開泄洪，設計洪水，試驗泄量為1 378.52 m3/s，比計算值1 426 m3/s 減小3.33%；校核洪水，試驗泄量與計算值基本吻合。綜合可見，樞紐總的泄流能力比計算值稍偏小，但在允許范圍內。

（2）消能及沖刷情況。模型進行了在導流泄洪洞全開后，溢洪道兩孔同步漸開1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 至全開及30年一遇、設計、校核洪水試驗，觀測到各級流量下陡槽緩坡段流速分布基本均勻，在邊墻的作用下形成對稱的折沖水流，槽內流態平順，流速在（11.0～17.0）m/s 之間。泄槽陡坡段水流在每級臺階的阻截下消能效果明顯，臺階上流速在（13.0～22.0）m/s 之間，陡坡臺階消能效果明顯。各級流量下溢洪道出口消力池無論是單獨泄洪還是和導流泄洪洞聯合泄洪，均能形成穩定水躍（僅校核洪水接近臨界水躍，躍首發生在坡腳上游5 m～12m 處），消力池后波浪較小，平順與下游水面銜接，出池水流底部流速在（1.24～3.84）m/s，池后沖刷較輕，大多數情況無明顯的沖坑，只有局部沖刷（最大沖深在2 m以下，僅校核洪水為4.52 m），均發生在格賓防護以后，消能工能安全穩定運行。

溢洪道在消能、設計、校核工況下，尾坎底部流速為（1.68～4.06）m/s，格賓防護末底部流速為（2.03～3.84）m/s；尾坎水位比躍首雍高（1.58～1.81）m，水流進入河道水面比較平穩，水面波動在（0.1～0.73）m 之間。僅在格賓防護后發生輕微沖刷，P=3.33%、P=2%兩工況最大沖深為1.25 m 和1.75 m，P=1%校核洪水時最大沖刷為4.52 m，沖坑上游邊坡坡比分別為1/44.09、1/25.71 和1/10.06，完全滿足消能防沖要求。

壩下游（312～525）m 之間，河道中底部流速為（1.8～4.4）m/s；右岸邊壩下游（350～525）m 之間，流速為（1.68～5.9）m/s，最大流速發生在壩下游525 m 附近（該處為河道卡口），壩下游525 m 以后流速基本在3.0 m/s 以內；左岸邊壩下游（312～420）m 之間為回流，流速為（0.55～2.25）m/s 之間，（420～560）m 之間流速為（1.23～3.85）m/s，設計根據流速、地質情況采取岸坡防護措施。

（3）輔助消能工效果。為減小入池流速，原設計方案在陡坡段共設39 級0.5×2.0 m 臺階，以利沿程摻氣消能。但試驗觀測到陡坡臺階太密太矮消能效果不理想，消力池后波浪較大，同時人為在消力池內放入少量泥沙，觀察到泥沙在池內旋轉很難被水流帶出池外，這樣將會長時間對消力池底板造成磨損。在30年一遇洪水工況下，模型將陡坡段所有臺階取消，觀察到消力池內右側水流出現順時針方向旋轉的不利流態，表明臺階還是起到了一定的效果。鑒于上述問題，模型經反復試驗，將陡坡臺階高度加高至1.0 m，寬度改為4.0 m，試驗以Q=700 m3/s 對應的下游水位2 217.01 m 為基準取消水下部分臺階，共設臺階12 級，同時將消力池尾坎修改成坡比為1∶1.5的差動式尾坎。觀測到陡坡臺階消能效果明顯提高，各級流量下消力池后波浪減小，平順與下游水面銜接，池內泥沙基本能被帶出池外。見圖2。

（4）溢洪道優化方案確定。經理論計算和水力學模型試驗，將原設計方案調整為：泄槽由一坡到底修改為二級坡度，在陡坡段共設12 級1.0×4.0 m摻氣臺階，消力池末設置差動尾坎，坡比1∶1.5。見圖3。

圖2 修改后水力學模型試驗照片

4 結語

土石壩為增加泄洪安全度，在地形、地質條件允許時應優先考慮設置開敞式溢洪道，但溢洪道往往工程投資所占比重較高，同時因泄槽流速較大，水力學條件要求較嚴格，采用合適的結構體型和消能方式非常關鍵，也是溢洪道設計的難點。通過塔日勒嘎水電站的溢洪道設計過程，特提出如下建議供類似工程參考：

（1）充分利用好地形、地質條件，合理布置，節省工程量和投資。

（2）底流消能效率較低，消力池規模大，池內輔助消能工效果不甚理想且易氣蝕破壞，出池水流余能較大，在入池前采取陡槽擴散+臺階摻氣加糙措施，較好地調整了消力池內和出池水流流態，效果較好。

圖3 修改后溢洪道結構布置圖

（3）對水力學問題，應理論計算和模型試驗結合，相互驗證，確保安全可靠。