倪健博，田 忠，刘 文，张巨翼，谭 亮，王亚朦

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

泄水建筑物的设计必须适应水文及地形地质等条件，才能确保工程安全并发挥功效[1]。在重力坝设置表孔、中孔等多个泄水建筑物，有利于灵活运行调度，降低泄洪风险。但是，在狭窄河谷中，如何控制多个泄水建筑物的水舌落点，让其适应窄河谷的地形特点，有效避免冲刷破坏是工程设计的重点及难点问题。针对单一挑坎的水舌落点问题，孙颖、薛宏程、张家明、马飞、穆亮等分别对扭曲坎[2]、斜切坎[3]、窄缝坎[4]、燕尾坎[5]和差动坎[6]等展开了研究，并提出了相应的解决思路。但是，利用不同挑坎形式的特点，控制窄河谷多泄水建筑物水舌落点的案列相对缺乏。鉴于此，本文在已有研究成果的基础上，结合某抽水蓄能电站泄水建筑物水舌落点的控制问题，利用燕尾坎和斜切坎的特性，有效控制了窄河谷多个泄水建筑物的水舌落点，并总结了相应设计经验。

1 工程概况及试验设计

某水电站装机容量为1 500 MW，水库总库容为1 580万m3，正常蓄水位为1 389.00 m，死水位为1 364.00 m，拦河坝为混凝土重力坝，坝身设置了1个表孔和2个底孔，坝顶高程1 392.00 m。表孔孔口尺寸为9.00 m×7.00 m(宽×高)，堰顶高程1 382.00 m，2个底孔的孔口尺寸为5.00 m×6.00 m(宽×高)，底孔进口底板高程1 340.00 m。表孔、底孔均采用挑流消能。大坝下游河谷平均宽度仅30.00 m，如何控制表孔及底孔的水舌落点，让其适应窄河谷的地形条件是工程设计的重点及难点问题。

图1 工程枢纽布置示意(单位：m)

试验模型按重力相似准则设计，模型比尺为1∶50，其中表孔、底孔等泄水建筑物采用有机玻璃加工制作而成，模型流量采用矩形薄壁堰测量。模型库区和下游河道按照原始地形采用砂胚成形，水泥砂浆刮制，模型糙率通过比尺换算得到。工程枢纽布置见图1，表孔、底孔各挑坎细部结构分别见图2、3。

图2 初始体形表孔挑坎(单位：高程m，尺寸cm)

图3 初始体形中底孔和侧底孔挑坎(单位：高程m，尺寸cm)

2 水舌落点试验结果及分析

2.1 初始体形水舌落点分析

对结构初始体形进行试验，校核工况(流量2 910.00 m3/s、库水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)下的水舌流态照片见图4，水舌落点数据见表1，相应水舌落点示意见图5。由于初始体形采用连续挑坎，挑射水流横向扩散充分，表孔、中底孔、侧底孔水舌最大宽度分别为27.12、14.30、13.59 m，水舌总宽度超过50 m，大于河谷宽度(30 m)，导致水舌远端落点直接冲砸河道右岸(桩号0+180.510处)。

图4 结构初始体形水舌流态照片

表1 结构初始体形水舌落点测量结果(校核工况) m

图5 初始体形各泄流孔口的水舌落点示意(单位：m)

2.2 水舌落点控制思路

针对结构初始体形存在的问题，结合周钟[7]对窄河谷中泄水消能系统布置的研究经验，将控制思路确定为“分区消能+分散入水”，即通过优化挑坎体形，将表孔、底孔水舌的落点尽量错开，到达“分区消能”的目的；同时调整挑坎体形，将水舌在纵向上充分扩散，到达“分散入水”的目的。具体做法为：①表孔采用斜切坎的形式使水舌在横向与纵向上拉伸扩散，同时将表孔挑坎的右边墙倒圆，将水舌适当向左岸调整，以避免对右岸边坡的冲刷；②底孔采用燕尾坎体形，使水舌纵向分散。

2.3 挑坎优化方案试验成果

2.3.1表孔、底孔挑坎的优化体形

徐敏等[8]通过泄洪洞挑坎对比研究，发现优化调整后的斜切坎结构可以实现了水舌良好的分散入水，进而减弱了对河床的冲刷破坏，同时该挑坎结构能够较大角度地实现出挑水舌的偏转。针对表孔及所在位置离河谷岸边较近、初始体形水舌冲砸右岸岸坡的问题，考虑将表孔的挑坎形式由连续坎调整为斜切坎。对于表孔，在初始设计体形(保持设计体形各挑坎出口挑角不变)的基础上，在桩号坝0+048.830位置对挑坎右边墙进行倒圆处理，圆弧半径为90.00 m，圆心角为12.63°，反弧末端相对于泄槽侧墙横向收缩为2.22 m；在桩号0+053.710位置开始将挑坎左边墙取消，使之形成斜切挑坎。

程文磊等[9]通过对燕尾坎与连续坎的对比研究，发现燕尾形挑坎相比连续坎水舌的横向扩散明显减弱，且沿水流方向充分拉伸，整个水舌落点范围呈狭长形，从而避免了对狭窄形水垫塘或河道两侧岸坡的冲刷，燕尾形挑坎更加适用于狭窄形河谷。针对窄河谷中多个泄水建筑物的落点可控制范围受有限空间限制的情况，结合拦河坝下游河道条件及泄水孔口布置形式，考虑将中底孔和侧底孔的挑坎形式调整为燕尾坎。对于侧底孔，在初始设计体形的基础上，在桩号坝0+058.650位置将挑坎底板进行局部开口，起始端开口宽度为2.5 m，末端开口宽度为4.0 m；将中间底孔底板圆弧半径调整为R=30 m，圆心角为34.75°，出挑点高程为1 345.35 m。对于中底孔，在侧底孔修改的基础上，将燕尾坎起始端开口从桩号0+058.65移动至桩号0+052.90处，燕尾坎起始端开口宽度与末端开口宽度不变；同时，为了将水舌整体往上游位置调整，将底孔明流段截断15 m，使调整后的燕尾坎起始端开口从桩号0+052.90移动至桩号0+037.90处。

优化后的表孔、侧底孔和侧底孔挑坎细部结构分别见图6～8。

图6 优化方案表孔挑坎(单位：高程m，尺寸cm)

图7 优化方案侧底孔挑坎(单位：高程m，尺寸cm)

图8 优化方案中底孔挑坎(单位：高程m，尺寸cm)

图9 优化方案下水舌流态照片

2.3.2优化方案的水舌落点分析

优化方案后，校核工况(流量2 910.00 m3/s、库水位1 389.21 m、下游水位1 290.50 m)、消能防冲工况(洪峰流量624.20 m3/s、库水位1 364.00 m、下游控制水位1 288.00 m)下挑流水舌流态照片见图9，水舌落点数据测量结果见表2，绘制水舌落点示意见图10。对试验水舌落点进行分析，可知经过优化后的拦河坝各泄水建筑物出挑水舌均匀，水舌落点位于河道中部，水舌归槽良好，能够与窄河谷的地形特点相适应，优化方案可以满足泄洪消能要求。

表2 优化方案下水舌落点测量结果 m

图10 优化方案各泄流孔口的水舌落点示意(单位：m)

3 结 论

本文结合某山区窄河谷水电工程，在整体水工模型试验的基础上，研究了窄河谷下多个泄水建筑物水舌落点的控制问题。研究结果表明，窄河谷中，多个泄水建筑物的中孔位置可优先考虑设置燕尾坎；斜切坎应用于边孔位置时，宜对靠岸坡的边墙进行适当的倒圆处理，有利于弥补孔口位置离岸坡较近的缺陷，防止冲刷岸坡；连续坎挑射水流横向扩散充分，不宜应用于窄河谷。