瑪爾擋水電站溢洪道挑流鼻坎體型試驗研究

王 瑞，聶源宏

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

挑流鼻坎因其構造簡單、成本較低，是我國應用廣泛的消能措施，據資料統計[1]，世界大、中型水利工程岸邊溢洪道多采用挑流消能(我國約為85%，國外約為75%)。為適應不同工程特點，不同體型的挑流鼻坎得以提出。斜鼻坎[2]一側導墻短一側導墻長，斜交于出口軸線，可以通過改變其挑角和導向來控制水舌的挑距和落水位置；舌形挑坎[3]去掉常規挑坎出口處邊墻，可以使挑射水舌橫向充分擴散，減小入射水流的單寬流量；窄縫挑坎[4-8]是一種收縮式消能工，其借助于邊墻的收縮迫使水體變形，使水體形成縱向和橫向立體式擴散，減小單位面積的入水能量，其中窄縫挑坎包括直墻窄縫挑坎、曲線邊墻窄縫挑坎和曲面貼角窄縫挑坎幾種形式。

瑪爾擋水電站最大壩高211 m，正常泄洪水頭達到了190 m，相應下游水深僅10 m左右，其溢洪道三孔挑坎布置集中，前后錯開的幅度有限，其水舌無法形成空間上的充分錯開，造成較為集中的入水，而設計要求溢洪道挑流鼻坎水舌要在死水位時不沖砸本岸，并且左右岸坡腳最大沖深高程設計洪水保證在3 065 m以上、百年一遇洪水保證在3 070 m以上，因而消能防沖問題較為嚴峻。為滿足設計要求，參考以上挑流鼻坎體型，對瑪爾擋水電站進行了整體模型試驗，通過不同挑坎體型的比選，曲面貼角窄縫挑坎較好地滿足了泄洪防沖設計要求。

1 工程概況

黃河瑪爾擋水電站位于位于青海省瑪沁縣境內的黃河干流上，是龍羊峽上游湖口至爾多河段規劃推薦開發的第12個梯級，工程規模為1等大(Ⅰ)型工程。其樞紐布置為：混凝土面板堆石壩、右岸岸邊溢洪道、右岸電站進水口，三者基本上呈“一字型”布置；泄水建筑物采用右岸3孔溢洪道及1孔泄洪洞聯合泄洪。其中，溢洪道設計方案堰閘段沿水流方向長50.0 m，單孔凈寬10.5 m，閘室設事故檢修門和弧形工作門各一道，泄槽段由兩中隔墻分開，分為左孔、中孔、右三孔，泄槽陡坡段緊接鼻坎反弧段。瑪爾擋水電站整體模型試驗平面布置見圖1。

圖1 瑪爾擋水電站整體模型試驗平面布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of model test of Maerdang hydropower station

2 模型制作與設計

試驗模型按重力相似準則設計制作，根據試驗要求，模型長度比尺定為Lr=100。其他相關物理量比尺如下：流量比尺Qr=Lr5/2=100 000；流速比尺Vr=Lr1/2=10；時間比尺Tr=Lr1/2=10；糙率比尺nr=Lr1/6=2.154 4。

為確保模型水力條件與原型相似，模型制作范圍為：上游庫區做至壩軸線以上775 m，下游河道做至下游壩坡坡腳以下約1 200 m，其中下游壩坡坡腳后920 m為動床，其后280 m為定床。消能區左、右岸混凝土護岸，人工、天然高邊坡均為定床。下游動床以天然散粒體沙石模擬河床基巖和覆蓋層。按設計提供的消能區河床基巖抗沖流速V=4.5～5 m/s和覆蓋層抗沖流速V=1.5 m/s，根據伊茲巴什公式的計算結果，河床基巖模型沙、覆蓋層模型沙當量粒徑范圍分別為取5～8 mm、0.5～1.0 mm。特征水位及相應下泄流量見表1。

表1 特征水位及相應下泄流量Table 1 Characteristic water level and corresponding discharge

3 溢洪道三孔挑坎體型優化

溢洪道三孔挑坎位置集中，需要對各挑坎水舌的形狀、分散程度、落點位置及導向角度等進行對比、選擇和優化。試驗先后進行了斜鼻坎、短邊墻舌形挑坎、直墻窄縫挑坎、曲面貼角窄縫挑坎的體型比選，以期使三孔挑坎相互適應，使三孔水舌能夠在死水位(3 265 m)跨岸，水舌落點能夠充分擴散，減輕消能區兩岸坡腳沖刷深度(坡腳最大沖深高程設計洪水不低于3 065 m，百年一遇洪水不低于3 070 m)，以保證兩岸坡腳的防沖穩定性。

3.1 斜鼻坎體型

溢洪道三孔挑坎采用挑流斜鼻坎，通過調整挑坎的斜口方向以及導向角度，以使三孔水舌散落錯開，減輕下游沖刷深度，調整后的體型見圖2。左、右兩孔挑坎體型相同，布置對稱，挑坎起始斷面與陡坡反弧末斷面之間有5 m長的水平段，挑坎最大挑角為45°，中孔挑坎向下游延伸，最大挑角為39.391°。該方案的沖刷深度可以滿足要求，百年一遇洪水下游左右岸邊坡腳最深點高程為3 071.4 m和3 071.2 m，本岸坡腳也沒有明顯的沖刷，不足之處在于斜鼻坎的遠端水舌縱向拉伸較遠，而斜開口近端水舌起挑較早，導致在死水位時水舌直接砸落在本岸上，無法滿足死水位跨岸的要求。

3.2 短邊墻舌形挑坎體型

溢洪道三孔挑坎采用短邊墻舌形挑坎，其體型見圖3。三孔挑坎末端高程及位置錯開布置，以期使三孔水舌相互錯開分散入水，減輕水舌對下游河床的沖刷。從試驗結果來看，三孔水舌較為分散，呈扇形打開狀入水，百年一遇洪水下游左右岸邊坡腳最深點高程為3 070.4 m和3 070.1 m，基本可以滿足要求，但由于為使水舌相互錯開，導致水舌入水點距本岸較近，在本岸左右岸腳形成了10 m和5 m的沖坑，不利于大壩的穩定，而且該方案在死水位下三孔水舌不能完全跨岸，不能滿足要求。

圖2 斜鼻坎體型圖(單位：m)Fig.2 Body figure of oblique flip bucket

圖3 短邊墻舌形挑坎體型圖(單位：m)Fig.3 Body figure of tongue-type flip bucket

3.3 直墻窄縫挑坎體型

溢洪道三孔挑坎采用直墻窄縫挑坎，挑坎體型見圖4。三孔挑坎在死水位時都可以跨岸，能夠形成縱向擴散式窄縫水舌，但縱向拉開的幅度有限，挑坎體型瘦高縱向收縮凸顯導致其內部水流交匯碰撞而激起水花，三孔水舌顯得比較凌亂，落點也相對集中。百年一遇洪水下游消能區沖淤狀況為：河床中部形成一集中沖坑，坑底高程為3 058.4 m；左、右兩岸邊最深點高程分別為3 071.2 m和3 063.5 m，右岸沖深較深。直墻窄縫挑坎水舌在死水位能夠跨岸，但不能形成理想的縱向擴散水舌，下游沖刷也不滿足要求，因此未予采用。

3.4 推薦方案曲面貼角窄縫挑坎體型

通過以上三種不同挑坎體型優化方案的對比試驗，得出以下結論：由于三孔挑坎布置比較接近，且高程相差不大，即便三孔挑坎都能形成擴散充分的水舌，因水舌落入河床的前后位置無法完全錯開而導致相互疊加，加重了對下游河道的沖蝕作用，下游河道左右坡腳沖刷深度難以控制；要想盡量減輕水舌對下游河床的沖刷，保證大壩下游左右岸邊坡的安全及穩定，只有使溢洪道三孔挑流鼻坎的水舌空間立體充分擴散，這樣可以擴大其入水范圍，并且有效避免相互疊加，從而降低對下游河床的沖刷作用。

圖4 直墻窄縫挑體型圖(單位：m)Fig.4 Body figure of straight wall slit-type flip bucket

基于以上認識并結合已有工程經驗，確定溢洪道三孔消能工采用曲面貼角挑坎。曲面貼角窄縫挑坎可以變化收縮曲率，在保證必要的收縮比的條件下，不致使流態紊亂，而且其底槽的設置可以增加水舌的縱向擴散長度，又可通過調整底槽坡度來滿足低水位溢洪道水舌跨越本岸的要求。通過對曲面貼角挑坎結構的優化，得到了能夠滿足要求的推薦方案，其體型見圖5。溢洪道三孔采用對稱曲面貼角窄縫挑坎，挑坎邊墻以圓弧收縮。在平面布置上，左、右孔挑坎在以中心線為對稱軸，各自向左、向右偏轉4.5°，末端平齊，中孔不偏轉。挑坎底板為5°挑角的斜坡，斜坡段內兩側設曲面貼角體，底板加設底槽。

圖5 推薦方案曲面貼角窄縫挑坎體型圖(單位：m)Fig.5 Body figure of curved slit-type flip bucket

4 推薦方案試驗結果

4.1 曲面貼角窄縫挑坎消能機理及其水舌形態

曲面貼角窄縫挑坎依靠兩側邊墻和曲面貼角體將水舌向中間導向，使水舌自身在空中碰撞對沖，改變水體的相互作用和下泄形式，加劇了水流的紊動耗能。對沖后水舌產生運動擴散，在縱向成薄形扇狀，外部水舌側卷形成一定的橫行擴散，水舌受空氣阻力和摻氣消減部分能量后，擴散入水，可以大大減小射流對下游河床的沖刷能力。通過調整底部凹槽的坡度及其邊墻高度，可以增大水舌的挑距，滿足死水位跨岸的要求，同時底部水舌對下泄水體形成分流空間擴散，使水舌的落水點更為擴散。設計水位下推薦方案曲面貼角挑坎具體水舌形態見圖6，可看出三孔水舌可以形成縱向拉伸和橫向擴散，水舌立體分散入水，避免了水舌疊加，減小單位面積的入水能量，有利于減輕下游河道的沖刷。

圖6 推薦方案曲面貼角窄縫挑坎水舌形態Fig.6 Nappe flow of curved slit-type flip bucket

4.2 溢洪道水舌死水位跨岸情況

設計要求死水位時，三孔溢洪道水舌都要跨岸，試驗觀測了三孔水舌的起挑水位以滿足設計要求。庫水位為死水位溢洪道三孔全開泄洪時，三孔水舌主流均能跨越其出口岸坡，水舌內緣在河床內的入水點距離本岸坡腳約5～10 m，只是水舌內緣稍顯不夠光滑，有一些零散的水滴散落在岸坡上，散落水滴對本岸基本沒有影響，可以滿足溢洪道在死水位泄洪運行的設計要求。

4.3 下游河道的沖刷情況

試驗對推薦方案進行了不同組次模型放水，驗證其泄洪消能效果，典型工況下沖刷情況見表2。由于對下游河道的泄洪消能區采取護岸不護中的措施，設計著重要求左右岸坡腳最大沖深高程設計洪水保證在3 065 m以上、百年一遇洪水保證在3 070 m以上，以保證左右岸岸坡的防沖穩定及安全，從表2可看出，三個組次下左右岸坡腳均能夠滿足要求。表明推薦方案曲面貼角窄縫挑坎體型及其布置合理，消能較為充分，可以消能防沖的要求。

表2 典型工況沖刷情況Tab.2 Typical condition of erosion

圖7 設計洪水下沖淤地形圖(單位：m)Fig.7 Terrain by scouring and silting of design flood

圖8 百年一遇洪水下沖淤地形圖(單位：m)Fig.8 Terrain by scouring and silting of hundred-year flood

圖9 30年一遇洪水下沖淤地形圖(單位：m)Fig.9 Terrain by scouring and silting of last flood in 30 year

5 結 語

曲面貼角窄縫挑坎的兩側邊墻和貼角體可以將過流水體向中間導向，形成水舌自身的劇烈擠壓碰撞消能，同時出坎水舌受空氣阻力和摻氣作用進一步消減能量，消能效果較好。曲面貼角窄縫挑坎水舌既形成縱向拉開，又形成了一定程度的橫向擴散，其落水點較為分散，有利于充分利用下游河道的水墊作用，減輕下游河道的沖刷深度，這對下游河道水位淺，沖刷深度要求高的工程較為適用。瑪爾擋水電站最大壩高211 m，正常泄洪水頭達到了190 m，相應下游水深僅有10 m左右，而其泄洪建筑物集中布置，前后錯開的幅度有限，其水舌無法形成空間上的充分錯開，較為集中的入水，設計要求溢洪道挑流鼻坎水舌要在死水位時不沖砸本岸，并且左右岸坡腳最大沖深高程設計洪水保證在3 065 m以上、百年一遇洪水保證在3 070 m以上，因而面臨嚴峻的消能防沖問題。將曲面貼角窄縫挑坎應用到瑪爾擋水電站模型試驗中，可以使三孔水舌在死水位跨岸，下游河道左右岸坡腳的沖刷深度也滿足設計要求。