索 慧 敏， 窦 向 贤， 吕 海 艳

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

挑流消能的关键是挑流鼻坎体型的选择，挑坎体型对消能防冲的效果有重要影响，随着大型水电站建设的蓬勃发展，各具特色的挑坎型式陆续产生并被工程采用，如：连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、窄缝坎等[1]。为了达到理想消能效果，挑坎体型设计中一般要求常用流量能顺利起挑，水舌挑距变化小，水舌入水时横向拉开尽量充分，入水单宽流量小，对河床和岸坡冲刷较小等。本文以具有代表性的猴子岩水电站溢洪洞为例，结合水工模型试验，从水力学角度对比分析不同体型挑坎消能效果，并优选挑坎体型。

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

本工程枢纽主要由混凝土面板堆石坝、两岸泄洪系统，右岸引水发电系统等组成。枢纽主要建筑物防洪标准按1000年一遇洪水设计，可能最大洪水(PMF)校核，下游护岸工程、泄洪雾化区防护工程等次要建筑物按100年一遇洪水设计，百年一遇洪水泄量、设计洪水流量和校核洪水流量分别为6 060 m3/s 、7 750 m3/s和9 940 m3/s。溢洪洞由进口段、无压洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段组成，总长度约1 147 m，泄槽过水净宽15 m，最大泄量4 036 m3/s，最大泄洪水头约135 m，单宽流量269 m3/s。

1.2 工程特点

图1 工程枢纽布置图

本工程泄洪具有“水头高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。溢洪洞出口覆盖层深厚，挑坎基础远离河心后靠置于岩基，归槽条件较差，出口下游边坡地质条件复杂，出口正对左岸边坡分布有一大型堆积体，右岸边坡存在较厚覆盖层，所以下游泄洪雾化及两岸冲刷问题较为复杂，其泄洪消能和岸坡保护问题是泄洪建筑物设计的重点和难点。

2 挑坎体型研究

由于本工程溢洪洞挑坎出口覆盖层深厚，挑坎在方案布置上不得不后退，水流归槽问题突出，且由此带来了在小流量情况下砸本岸和开挖量大的问题；溢洪洞为枢纽的主要泄洪建筑物，泄量变化大、出流挑射水舌变幅宽，入水变化范围大，两岸防冲问题突出。溢洪洞挑坎体型直接影响到水舌的入水点、河床冲刷范围及冲坑深度，所以挑坎体型设计中应充分考虑水流顺利归槽及减轻挑射水流对两岸岸坡冲刷等因素。借鉴类似工程经验，并考虑便于施工等因素，初拟挑坎体型为“连续斜切挑坎”，见图2。

模型试验结果表明，在百年一遇洪水工况下，该方案最大流速在河道左岸下游侧，左岸上游形成较大回流，在水舌入水处和左岸回流上端之间形成深槽，河床最大冲深约23 m，右岸坡脚最大冲深约22 m。该方案冲刷范围较大且对右岸坡脚冲刷严重，威胁右岸边坡稳定，究其原因，主要是溢洪洞挑流水舌在右边墙约束下，水舌向左偏移，虽然水舌一定程度远离右岸，但由于左侧边墙的约束，出口水流比较集中，水舌入水后下潜水流顶冲对岸，回流与上游来流汇合后流向右岸形成冲刷。

图2 连续斜切挑坎体型

基于“连续斜切挑坎方案”存在的水流集中、顶冲对岸、冲刷严重等问题，说明经过下泄水流的能量消散有限，所以基于进一步提高挑射水流空中消能率、减轻对下游冲刷的思路，提出类似于窄缝挑坎的“扭曲斜切窄缝式挑坎”方案，见图3。该方案下游河床冲刷形态类似“连续斜切挑坎”方案，水舌更靠近右岸，故对左岸顶冲不明显，但最大冲深和右岸坡脚冲深进一步加剧。究其原因，主要是挑坎与河道水面高差较小，水舌没有足够的空间沿纵向拉开，空中消耗能量有限，说明本工程溢洪洞挑坎出口条件不宜采用窄缝式挑坎。

在充分分析上述两方案存在的问题基础上，提出“扭曲斜切挑坎”，具体布置见图4。该方案的主要思路是，考虑到右岸边坡抗冲刷能力较弱，水舌应尽量远离右岸，水舌向左侧进一步扩散，使水舌入水时横向拉开尽量充分，并使底板出口高程由左至右逐步抬高，以利于水流向河心翻转远离右岸坡脚，从而减轻对河床和右岸的冲刷。从试验结果看，本方案取得了较好的消能效果，对左岸顶冲较弱，最大冲深和右岸坡脚冲刷减轻，在百年一遇洪水工况下，河床最大冲深24 m，右岸坡脚最大冲深约8 m。

图3 扭曲斜切窄缝式挑坎体型

图4 扭曲斜切挑坎体型

三个方案对应的特征值见表1，水舌形态及下游冲刷形态见表2，从表中数据和图片可以看出，“扭曲斜切挑坎”较其他两个方案水舌充分扩散，下游冲刷明显坦化，特别是对右岸冲刷明显减轻，很好解决了下游岸坡防护困难的难题。

表1 消能洪水(P=1%)各方案下游冲刷特征值

表2 消能洪水(P=1%)各方案水舌形态及下游冲刷形态

3 推荐挑坎体型

通过上述对比分析，本工程溢洪洞挑坎体型最终选择“扭曲斜切挑坎”，挑坎左、右侧边墙为朝向河心的圆弧边墙，左、右侧边墙半径分别为200 m和300 m；挑坎底板前段为反弧段，反弧半径90 m；后段底板在左、右侧采用在溢洪洞轴线方向的投影分别为半径200 m和90 m的圆弧与边墙相接，底板中部为扭曲面，挑射角8°4′59″～34°3′7″。

为了便于现场施工放线，根据上述设计要素对底板扭曲面进行拟合，以底板前段尾部和溢洪洞轴线交点为坐标原点，拟合后段底板扭曲面方程见表3，扭面中的任意一点可根据表中方程式联立求解求得。

表3 推荐挑坎平面图及底板扭面方程

4 结 语

在窄河谷高水头大泄量溢洪洞的挑流消能防冲设计中，挑坎体型的选择对消能防冲的效果有重要影响，如何解决挑射水流归槽、提高消能效果、减轻下游冲刷等均有很大难度。猴子岩水电站溢洪洞出口挑坎，结合水工模型试验，从水力学角度对比分析不同体型挑坎消能效果，最终选择“扭曲斜切挑坎”方案目前该工程已完建，并在低水位小流量情况下运行，运行后状况良好。