王 瑞，聂源宏

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）

1 工程概况

玛尔挡水电站位于黄河干流上，坝体为混凝土面板堆石坝，最大坝高为211 m，坝顶长337.6 m，坝顶宽12 m，坝体最大断面处底宽619.0 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.4～1∶1.5，工程规模为Ⅰ等大（1）型，多年平均发电量72.2 亿kW 时。输水发电建筑物主要包括电站进水口、引水隧洞、地下厂房、主变室、尾闸室、尾水隧洞、尾水明渠等，电站进水口布置于泄槽堰闸段的右侧，尾水出口布置于坝脚与下游围堰之间，泄水建筑物集中布置于大坝右岸，由3 孔溢洪道和1 条泄洪洞组成。

2 模型制作与设计

根据规范及试验技术要求，采用重力相似准则设计制作模型，模型长度比尺为Lr=100。为确保模型水力条件与原型相似，下游动床以天然散粒体沙石模拟河床基岩和覆盖层。下游消能区(坝下游面末端～坝下1+000)动床范围铺砂顶高程，天然河道以水下地形控制(覆盖层、基岩分别模拟)～右岸预挖区域为3077 m（河床覆盖层、基岩高程由地质横剖面图确定)。根据伊兹巴什公式[1]，按设计提供的防冲区河床基岩抗冲流速V=4.5 m/s～5 m/s、覆盖层抗冲流速V=1.5 m/s 进行计算，可得出下游河道基岩模型沙当量粒径取5 mm～8 mm，覆盖层模型沙当量粒径取0.5 mm～1.0 mm。

图1 玛尔挡水电站枢纽布置图

为比较不同方案下的水舌形态、岸坡冲刷深度，模型试验制定的试验组次较多，典型试验组次及相应库水位等列见表1。

表1 典型工况及相应下泄流量

3 泄洪建筑物优化

3.1 泄洪洞挑坎体型优化

泄洪洞出口紧靠下游右岸，左侧又有溢洪道的出口岸坡，出口处空间比较狭窄，因此泄洪洞消能工优化的目标是将挑流水舌适当导向河道中部，并尽量分散水舌，防止直接冲刷右岸坡脚，同时还要避免水舌冲击左侧岸坡。以库水位3275 m 时泄洪洞全开泄洪的水舌形态和右岸边冲刷状况作为评价标准，泄洪洞挑坎做了多个不同体型方案的比选。

试验首先进行了直墙窄缝式、直墙加平面贴角窄缝式和圆弧边墙收缩加曲面贴角窄缝式挑坎三种不同体型的窄缝式挑坎对比试验。经过试验验证，窄缝式挑坎形成纵向拉开横向较为集中的水舌，易在右岸边造成一纵向冲刷带，右岸边冲刷长度超过200 m，坡脚最大冲深至3053.1 m～3061.8 m，不利于整体岸坡的稳定。

实验又对泄洪洞挑坎进行了不同体型的单侧导向平底斜鼻坎、横向扩散式挑坎比选，实验发现：调整单侧导向平底斜鼻坎的右边墙，可控制其水舌落水点，避免冲砸在溢洪道出口岸坡上，但其水舌形态与窄缝型接近，水舌扩散有限，不能满足泄洪抗冲的要求；采用横向扩散式挑坎具有起挑水位低、水舌易于跨越溢洪道出口岸坡、水舌可适当导向不会使右岸边受到严重冲刷等优点。因此实验以水舌形态和冲刷效果为比选依据，着重对左侧单边扩散式连续挑坎进行了结构优化，泄洪洞挑坎推荐方案体型见图2。

图2 泄洪洞挑坎推荐方案体型图

泄洪洞挑坎推荐方案为单边扩散连续挑坎，半径R=28.0 m，挑坎挑角41.162°。挑坎左侧边墙为圆弧扩散形式，圆弧半径R=98.0 m，角度20.801°；为了使水舌右侧落点距右岸边保持一定的安全距离，挑坎段的右边墙从桩号0+585.688 m 至0+604.117 m 以半径R=155.0 m 半径略作收缩。挑坎出口宽度14.288 m。

3.2 溢洪道结构调整

溢洪道原设计方案引渠段底部高程3250 m，堰顶高程3261.00 m，堰闸段长50.0 m，单孔净宽13.0 m；孔口尺寸13 m×14 m，设计水头14 m；闸室设检修闸门和弧形工作闸门各一道。泄槽段为三孔布置，分为左、中、右三孔，宽13.0 m～15.0 m；底坡分别为i＝1%和50.0%。

按照设计要求，溢洪道需要在死水位（3265 m）全开泄洪运行。但原设计方案试验结果表明，死水位时溢洪道堰上水头仅有4 m，至挑坎起始断面时，溢洪道泄槽水深减小到约0.7 m，平均流速仅为16 m/s～17 m/s，溢洪道出口挑坎的挑舌长度较短；同时从泄洪冲刷方面考虑，三孔溢洪道挑坎的桩号位置需要前后错开，以分散水舌落点。这些水流和布置条件使得溢洪道在死水位泄洪时，三孔挑坎水舌难以同时完全跨越溢洪道出口岸坡，溢洪道在死水位的泄洪运行受到制约。因此将溢洪道体型布置方案进行了调整，调整后的体型布置见图3。

图3 调整后溢洪道体型布置图

溢洪道调整方案将闸室段溢流堰堰顶高程由原设计方案的3261 m 降低为3258 m，溢洪道引渠段底板高程随之由3250 m降低为3247 m。闸室段三孔泄流表孔孔口尺寸由13 m×14 m调整为10.5 m×17 m；泄槽上半部分为i=1%的缓坡段，下办部分i=50%的陡坡段，缓坡段与陡坡段之间以渥奇面连接，泄槽陡坡段末端紧接鼻坎反弧段。溢洪道调整方案主要是降低了堰顶高程并缩窄了孔口和泄槽宽度，以增大溢洪道堰上水头和水流流速，解决原方案死水位溢洪道三孔水舌不能同时跨岸的问题。

3.3 溢洪道挑坎体型优化

溢洪道三孔挑坎位置紧靠在一起，为使三孔挑坎下泄水舌协调统一，降低泄洪对下游河床的冲刷深度，对各挑坎体型、导向角度及下泄水舌的流态等进行了试验对比分析研究。

试验分别对三孔挑坎进行了舌形挑坎、差动式挑坎、斜挑坎以及不同体型组合的试验研究，试验结果表明：三孔挑坎位置紧靠在一起，位置错开距离有限，常规挑坎很难使三孔挑坎水舌充分扩散下泄入水，存在水舌相互叠加情况，导致下游河道冲刷严重，只有使三孔挑坎的泄水水舌横向纵向空间充分扩散，扩大各水舌落入河床的面积，才能有效减轻电站泄洪时对下游河床的冲刷，有利于保证大坝的稳定和泄洪时下游河道边坡的安全。

根据其他工程实际施工情况及相关试验数据，要达到上述目的，可采用窄缝式挑坎[2-6]。因此实验先后又选用了直墙收缩窄缝挑坎、圆弧收缩窄缝挑坎和曲面贴角窄缝挑坎，对比发现：直墙和圆弧收缩式窄缝挑坎因体型瘦高，压迫水舌急剧收缩导致水舌流态较为紊乱，曲面贴角窄缝挑坎可以调整两侧曲面贴角体的收缩曲率，保证水舌流态稳定，另外，可于曲面贴角窄缝挑坎增设底槽，进一步增大水舌的纵向扩散，并可以通过调整底槽坡度，达到低水位三孔挑坎水舌不冲击本岸的目的。综上，三孔挑坎均采用曲面贴角窄缝挑坎，通过对曲面贴角挑坎结构的优化，得到了能够满足要求的推荐方案，其体型见图4。

推荐方案溢洪道三孔采用曲面贴角窄缝挑坎[7]，挑坎边墙以圆弧收缩，圆弧半径R=41.0 m，挑坎段长度25 m，出口处宽度由11.8 m 缩窄为4.6 m。中孔挑坎为直线型无导向，左、右孔挑坎在平面上以中孔中线为对称线，分别向左、向右偏转4.5°。挑坎底板设置5°挑角的斜坡，斜坡段内两侧设曲面贴角体，贴角底圆弧半径R=15.0 m，底板加设底槽，长度12.5 m，底槽净尺寸由上游其实端3.5 m 渐变为下游末端4.6 m。

图4 推荐方案曲面贴角挑坎体型图

4 推荐方案实验结果

4.1 泄洪洞和溢洪道的死水位跨岸情况

当水库水位为3197.5 m 时，泄洪洞挑坎恰好形成完整的挑流水舌，此时水舌的挑距较短，水舌左侧少部分水体滴落于溢洪道出口岸坡上；当水库水位上升至3203.4 m 时，泄洪洞水舌便可跨越本岸，完全落入河床；当水库水位为死水位3265 m时，三孔溢流表孔全开时，溢洪道三孔水舌均能跨越本岸，水舌上游侧的入水点距离本岸坡脚约5 m～10 m。因此泄洪洞和溢洪道可满足在死水位泄洪运行的要求。

4.2 下游河道的冲刷

对推荐方案进行了不同组次放水实验，以验证其泄洪消能效果。下游河道的冲刷情况见表2。

表2 典型工况冲刷情况 单位：m

由于对下游河道的泄洪消能区采取护岸不护中的措施，因此设计着重控制设计洪水下左右岸坡脚最大冲坑高程保证在3065 m 以上，百年一遇洪水下左右岸坡脚最大冲坑高程保证在3075 m 以上，以保证左右岸岸坡的防冲稳定及安全。从表2可看出，下游河道在三种典型工况下，左右岸坡脚冲刷深度均能够满足要求。以上结果表明推荐方案泄洪洞挑坎及溢洪道三孔体挑坎体型及其布置合理，消能较为充分，可以满足下游泄洪防冲的要求。

4.3 淤积体对电站尾水的影响

每个组次放水结束冲淤地形形成后，分别按3 台机组和2台机组进行发电，记录电站淤积前后尾水位抬高的幅值，比较分析下游河道冲淤地形对电站尾水的影响。典型组次下电站尾水抬高幅值见表3。

表3 典型组次下下游河床淤积体对电站尾水的抬高幅值

从表3 可以看出，电站尾水区水位抬高幅值受发电引水流量的影响而变化，各组次下下游河床淤积体对电站尾水区水位抬高幅值的影响程度随着发电引水流量的增加而增大。由于100 年一遇洪水下游河道的泄洪淤积体分布范围较大，对电站尾水抬高幅值影响也较大；而30 年一遇及其以下洪水冲於后淤积体未布满河道，电站尾水位抬高幅度均不超过1.0 m。实验结果表明，常遇洪水下电站尾水位抬高幅度均较小，有利于保证发电水头，发挥经济效益。

5 结语

玛尔挡水电站坝高211 m，正常水头达到了190 m，下游河道水深仅10 m 左右，而其3 孔溢洪道挑坎及1 孔泄洪洞挑坎集中布置于大坝右岸，挑坎位置无法充分错开，导致水舌落入下游河道的位置相对集中，因而面临严峻的消能防冲问题。通过对其进行整体水工模型实验研究，提出的推荐方案可以较好地满足泄洪防冲要求，结论如下：

1）泄洪洞采用横向扩散式挑坎，起挑水位低、水舌易于跨越溢洪道出口岸坡、水舌可适当分散导向河道中部和左边，减轻了右岸边的冲刷。

2）将溢流堰堰顶高程由3261 m 降低为3258 m，溢洪道孔口尺寸由13 m×14 m 改为10.5 m×17 m，增大了溢洪道堰上水头和水流流速，有利于解决原方案死水位溢洪道三孔水舌不能同时跨岸的问题。

3）溢洪道挑坎均采用曲面贴角窄缝挑坎，挑坎两侧边墙和贴角体可以将过流水体向中间导向形成水舌，通过自身的剧烈挤压碰撞消能，水舌可以纵向拉伸、横向扩散，分散入水，泄洪消能效果较好，通过调整其底槽的坡度进一步扩大纵向拉伸水舌并可以控制水舌内缘挑距，因此低水位小流量下水舌也可以满足顺利跨岸的要求。