烏依布拉克二級水電站溢洪道挑坎設計方案比選

陳 博

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程背景

烏依布拉克二級水電站位于新疆維吾爾自治區烏什縣境內，屬于烏依布拉克河梯級開發的第二級水電站[1]。該水電站的設計裝機容量為3.2 MW，引水流量為2.94 m3/s，設計水頭127 m，主要水工建筑物包括水庫大壩、引水發電系統、溢洪道，電站的年利用小時數為6900 h，年均發電量為2484萬kW·h，預計年產值580萬元。擬建中的烏依布拉克二級水電站的溢洪道位于大壩左岸的臺地上，其軸線基本與大壩軸線垂直，全長372 m，自上游至下游分別劃分為導流段、控制段、泄槽段和消能段。閘前地板高程為2499.0 m，溢流堰面設計為WES曲線，設單孔凈寬為10.0 m的三孔弧門控制，挑流段采用圓弧曲線。根據相關工程經驗，寬淺式溢洪道的挑坎進行局部形體調整，對出挑水流形態的影響極為有限，難以對水舌的軌跡產生較大影響。目前，受制于各方面因素的影響，溢洪道軸線和泄槽段體型已經確定，不能進行大幅度改變。因此，通過模型試驗的方法對溢洪道挑坎大圓弧導向鼻坎的形體進行優化研究。

2 試驗模型與方案設計

2.1 試驗模型的制作

根據研究需要和工程現狀，模型試驗的模擬范圍為壩軸線上游320 m，在庫區內制作溢洪道進口段以及右側110 m左右的壩坡，下游河道模擬長度為調坎末端以下240 m，模型的總長度為780 m[2~4]。考慮試驗場地因素和SL155—95《水工(常規)模型試驗規程》的規定，模型采用的幾何比尺為50[5]，為滿足水流紊動阻力相似性需求，模型采用有機玻璃板制作，高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[6]。

2.2 大圓弧導向鼻坎設計方案

烏依布拉克二級水電站采用的是寬淺型溢洪道，水深遠小于寬度本身，在工程設計中要想使挑流水舌實現整體偏轉導向，避免對左岸的沖刷具有一定的難度。因此，在試驗過程中選擇了大圓弧導向鼻坎設計[7]。根據項目的實際情況，結合大圓弧導向鼻坎的工程設計經驗，提出如下三種設計方案：

方案1：采用大導向圓弧左邊墻和斜平面貼角的體型設計。挑流鼻坎的左側邊墻設計為半徑24.0 m的圓弧形導墻，導墻的起始斷面為樁號0＋296.83；在圓弧形導墻的下段設置斜平面三角體貼角，以進一步加強挑坎對水流的導向和分散水舌的作用。

方案2：采用大導向圓弧左邊墻設計。挑流鼻坎的左側邊墻設計為半徑30.0 m的圓弧形導墻，邊墻的末端較方案1向下游延伸4.0 m，從而形成向右導向的斜挑坎模式。

方案3：仍舊采用大導向圓弧左邊墻設計，將大圓弧左邊墻的半徑進一步增加到48.0 m，邊墻末端較方案1向下游延伸3.0 m，同時將起點斷面位置向上游移動至0＋286.96，與方案2相比，該方案進一步加長了左邊墻的長度，導向曲率進一步減小，使左邊墻的變化趨緩，外形更為流暢。

3 模型試驗結果與分析

3.1 方案1試驗結果與分析

根據烏依布拉克二級水電站溢洪道的相關設計資料和烏依布拉克多年來的水文資料，設計150 m3/s、300 m3/s、600 m3/s和1100 m3/s(設計洪水)四種不同的溢洪道下瀉流量，利用模型試驗的方法對方案1條件下的水流流態、流速和下游沖淤地形特征進行研究[8]，試驗結果見表1。

表1 方案1試驗組次結果

在上述試驗方案條件下進行溢洪道模型試驗，結果如下：

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

在第4組試驗條件下，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出現水流旋滾現象，因此，方案1的設計能夠基本滿足泄洪要求。

在各個試驗組次條件下，觀測溢洪道沖刷坑的具體特征，結果見表2。由表格中的數據可以看出，溢洪道下游的沖刷坑深度不大，在工程設計允許范圍內，說明方案1的消能效果比較明顯。同時，沖坑偏離左岸，不會對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試驗結果分析

針對方案2，試驗研究在方案1設計的四種不同下瀉流量的基礎上增加了校核洪水工況，對應的溢洪道下瀉流量為1570 m3/s，具體的試驗設計見表3。

表3 方案2試驗組次結果

在上述試驗方案條件下進行溢洪道模型試驗，結果顯示：方案2各組試驗條件下的水舌形態、下游流態與方案1類似，挑坎的中部和左側的出挑水流明顯向右翻轉，水流入水后呈現出橫向擴散，可以明顯增加了挑坎的消能率，完全避免水舌對左岸岸坡的沖蝕和淘刷。

各個組別試驗條件下的溢洪道沖坑特征見表4。從表中的結果來看，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，在設計和校核洪水條件下，下游的沖坑深度較深。

表4 方案2下游沖坑特征

試驗結果顯示，當溢洪道三個泄洪閘門全開泄洪的條件下，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出現水流旋滾現象。

3.3 方案3試驗結果分析

選取與方案2相同的試驗工況，對方案3條件下的水流流態、流速和下游沖淤地形特征進行研究。試驗結果顯示，方案3條件下的水舌形態與下游流態與方案1和方案2基本相同，也可以滿足設計要求。但是，方案3條件下的水舌擴散程度比方案1和方案2略小，因此，造成下游沖坑深度普遍增加，具體實驗結果見表5。

表5 方案3下游沖坑特征

試驗結果顯示，當溢洪道三個泄洪閘門全開泄洪的條件下，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出現水流旋滾現象。

3.4 設計方案的確定

有上述試驗結果及分析可知，三個不同的設計方案均可使挑流水舌遠離左側岸坡，達到工程設計要求。相比較而言，方案1的水舌擴散更為均勻，下游的沖坑深度最小，工程量也相對較小；方案3的體型比較簡潔、流暢，但是水舌相對比較集中，造成下游沖坑的深度最大，而方案二則介于兩者之間。因此，綜合考量認為，方案1為最佳方案，建議在工程設計中采用。

4 結語

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，一旦出現病險問題，必將產生嚴重的安全隱患。其中，水利工程的泄水建筑物承擔著水庫多余水量的安全宣泄功能，對水庫的安全運行至關重要。本次研究以新疆維吾爾自治區烏依布拉克二級水電站為例，通過方案比選的方式對大圓弧導向鼻坎設計進行模型試驗研究，并給出了最佳設計方案。該方法和結論對相關水利工程設計具有一定的借鑒價值。