兩河口水電站溢洪道不同體型出口挑坎的比較研究

王 媛 張東明

(1.成都大學建筑與土木工程學院 四川 成都 610000)(2.雅礱江流域水電開發有限公司 四川 成都 610000)

兩河口水電站溢洪道不同體型出口挑坎的比較研究

王 媛1張東明2

(1.成都大學建筑與土木工程學院 四川 成都 610000)(2.雅礱江流域水電開發有限公司 四川 成都 610000)

兩河口水電站屬于控制性水庫梯級電站，電站的開發任務為以發電為主，兼顧防洪。作為重要泄洪設施的溢洪道對下游河道的沖刷和霧化起至關重要的作用，因此對洞式溢洪道的出口挑坎型式進行深入研究十分必要。通過試驗對窄縫挑坎，燕尾挑坎，斜切挑坎的結構受力和消能防沖進行比對，最終確定采用斜切挑坎作為該工程溢洪道的出口挑坎體型。

窄縫挑坎;燕尾挑坎;斜切挑坎結構受力消能防沖

一、工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流中游河段，為我國規劃建設的第二大水電基地—雅礱江水電基地之中上游的控制性水庫梯級電站。

兩河口水電站為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫，對其下游的雅礱江梯級電站以及金沙江、長江干流電站的梯級補償作用顯著。電站的開發任務為以發電為主，兼顧防洪。電站采用壩式開發，最大壩高295m，水庫正常蓄水位2865m，相應庫容101.5億m3，調節庫容65.

6億m3，消落深度為80m，有多年調節能力。電站裝機容量3000MW，多年平均年發電量110億kW·h。

兩河口水電站樞紐建筑物采用“攔河堆石壩+右岸引水發電系統+左岸泄洪、放空系統+左、右導流洞”的工程樞紐總體布置格局。按《防洪標準》GB50201－2014并結合本工程特點，確定各主要建筑物的設計標準如下:擋水、泄水建筑物按1000年一遇洪水設計，可能最大洪水 (PMF)校核;電站廠房按200年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核;消能防沖建筑物按100年一遇洪水設計。

二、出口挑坎體型研究

因兩河口泄洪消能及霧化區河谷狹窄，洞式溢洪道下游左岸布置眾多泄洪建筑物出口，作為出口流速最高，泄洪功率最大的建筑物，溢洪道對下游河道的沖刷和霧化起至關重要的作用，因此有必要對洞式溢洪道出口挑坎型式進行深化研究。洞式溢洪道出口挑坎比較了窄縫挑坎、燕尾挑坎和斜切挑坎三種體型。

(一)窄縫挑坎方案

經過各階段窄縫挑坎的比選，推薦體型詳見圖1。挑坎收縮段長度為30m，底板挑角減小至－8°，邊墻收縮角為10.39°，將左邊墻延長6m，右邊墻延長5m，底板不延長，底板出口高程為2679.11m，挑坎出口寬度為3.15m。

圖1 窄縫挑坎體型

通過1:40水工模型試驗表明窄縫挑坎推薦體型水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，下泄水流對下游河道沖刷明顯減輕，實測消能洪水工況，挑坎水舌縱向落水長度約為248m，落水寬度約20～30m，下游河道最大沖深點高程為2585.5m，位于水舌落點外緣，靠近河道左岸區域。

由于窄縫挑坎收縮比較小，出口寬度較窄，洞式溢洪道下泄流量較大時，挑坎出口水翅嚴重，側墻上動水壓力較大，實測正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄工況下，窄縫挑坎上階段推薦方案挑坎出口水翅高度約30～40m，收縮段側墻上最大動水壓力 (正常蓄水閘門全開工況)達38.7×9.81kPa及42.3×9.81kPa(基于兩個試驗模型獲取的不同數據)。

(二)燕尾挑坎方案

燕尾挑坎是在常規連續挑坎基礎上，在挑坎出口段底板上中間開口，缺口前端開口寬度小，后端及挑坎末端處開口寬度大，使挑坎在平面上成“燕尾”形狀的一種挑坎型式;燕尾挑坎的出挑水流首先從缺口前端射出，缺口兩側底板上沒有出射的水流沿著挑坎底板繼續向前流動，缺口前端處水流射出后，對兩側的水流而言在中間形成一個臨空面，因此兩側水流在前進過程中，不斷從缺口處射出，從而形成與窄縫挑坎類似的縱向拉伸片狀水舌，大大加大水流的縱向擴散度，提高消能率，降低單位面積的入水量，降低水舌的沖刷能力;燕尾挑坎的縱向擴散水舌是由于兩側水流往中間臨空面射出形成，因此，挑坎兩側邊墻基本不受高速水流的沖擊作用，邊墻受到的壓力較小，并且，燕尾挑坎由于內部缺口靠近挑坎最低點，挑坎的起挑流量較低，可適應低水頭情況下挑流泄洪。推薦的燕尾挑坎如圖2所示。

圖2 燕尾挑坎體型

試驗證明該燕尾挑坎水舌內外緣落水樁號分別為 (溢)1+055m、(溢)1+225m，距左岸2605m平臺距離較近，僅2.4m，下游河道最大沖深點高程2579.0m，下游河道左岸最大沖深點高程2581.4m。

(三)斜切挑坎方案

如前所述，窄縫挑坎和燕尾挑坎均存在水舌落點距左岸較近、左岸沖刷較嚴重的缺點。因此有必要對挑坎型式進行進一步研究，研究的目標方向為水流落點盡量遠離左岸。通過燕尾型挑坎的試驗摸索，提出采用斜切挑坎方案。經過多方案比較，斜切挑坎推薦體型見圖3。

圖3 斜切挑坎體型

斜切挑坎推薦方案試驗結果表明各級流量下，挑坎水舌內緣較高，水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，挑射水流基本落于河道中心，對下游河道沖刷較輕，對左、右岸岸坡影響較小。實測正常蓄水位、洞式溢洪道敞泄 (消能工況、Q=3120m3/s)工況下，下游河道最大沖刷點高程為2584.4m。

三、挑坎比選意見

(一)挑坎結構受力比較

推薦體型窄縫收縮比為0.31，水布埡水電站溢洪道工程窄縫挑坎收縮比為0.2，兩者收縮程度均較大，收縮段承受較大壓力。參考水布埡水電站溢洪道窄縫挑坎結構設計情況，兩河口工程若采用窄縫挑坎，挑坎配筋難度大，需采用預應力筋、預應力錨索、結構縫灌漿等措施，將帶來復雜的結構設計、高難度的施工條件。而燕尾挑坎和斜切挑坎邊墻起的主要作用為導向，燕尾挑坎和斜切挑坎側墻上最大動水壓力為18.9×9.81Kpa。因此邊墻受力遠低于窄縫挑坎。從結構挑坎受力方面看，燕尾挑坎和斜切挑坎方案較優。

(二)消能防沖比較

1.窄縫挑坎

水舌縱向拉伸充分，水量分布均勻，但挑坎上水翅嚴重。落水水流靠近左岸岸坡，水舌內緣距左岸2625平臺約12m。最低沖刷高程為2584m，位于深孔泄洪洞明渠段對應的河道左岸。

2.燕尾挑坎

水舌拉伸程度較窄縫差，下游河道最大沖深點高程2579.0m，下游河道左岸最大沖深點高程2581.4m。但與窄縫挑坎一樣，水舌內緣靠近左岸，且小流量工況尤為突出。

3.斜切挑坎

各級流量下，斜切挑坎水舌形態良好，水舌落點較為分散，水舌落點遠離左岸，對左岸岸坡穩定及左岸其他設施影響較小。下游河道最大沖刷點高程為2584.4m，位于河道右岸。

從消能防沖方面比較，燕尾挑坎沖刷最為嚴重，窄縫挑坎與斜切挑坎沖刷程度相當。就嚴重沖刷區域而言，窄縫挑坎位于左岸，斜切挑坎位于右岸。由于左岸有眾多泄洪建筑物出口，因此就消能防沖難度及泄洪消能安全性而言，斜切挑坎優于窄縫挑坎。

(三)綜合比較

各挑坎方案試驗結果綜合對比分析可知，斜切挑坎從結構受力方面優于窄縫挑坎，從消能防沖方面優于燕尾挑坎。因此推薦斜切挑坎作為最終推薦挑坎型式。

王媛 (1980－)，女，漢，陜西銅川，講師，碩士研究生，成都大學建工學院，研究方向:項目管理與投融資。