云南大丫口水电站水工模型试验研究

韩 爽，杨 英，胡晓霖

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院吉林长春130061；2.水利部综合事业局，北京100053）

1 工程概况

大丫口水电站位于云南省临沧市镇康县南汀河流域，是南捧河上的龙头电站，为引水式电站。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶长307.00 m、宽5.00 m、最大坝高92.00 m。

坝中部设3个净宽为10.00 m的溢流表孔（如图），堰面为WES曲线，堰顶高程643.50 m；坝身设1个冲沙底孔，进口尺寸为2.5 m×5.0 m，孔底高程605.00 m，出口尺寸为2.5 m×4.0 m；在拱坝下游布置顶高程为577.00 m的二道坝，形成长230 m的人工水垫塘。河床基岩为灰岩，具有较强的抗冲能力。

设计、校核洪水P=0.5%、Q0.5%=1015 m3/s；P=0.05%、Q0.05%=1372 m3/s。消能工设计洪水P=2%、Q2%=800 m3/s。水库正常高蓄水位650 m。

图1 设计方案

2 研究成果

试验研究在比尺为50的正态模型并采用整体定床和局部动床相结合的布置方式进行。

2.1 设计方案研究

溢流孔敞泄施放洪水，水流行进方向与闸口布置相对顺畅，溢流孔流速分布较均匀，使下泄水舌落点趋于一条直线，相对集中的下泄能量在水垫塘中得到了有效的削减，对二道坝下河床基本无不利冲刷影响。但因下泄水舌横向拉深宽度较大，水舌两侧边缘直接砸击在陡峻的山体两岸，并受溢流孔出口与下游河道的相所限，对右岸山体的砸击强度偏大，既不利于山坡的稳定又危及水垫塘的正常运用。

2.2 修改方案研究

鉴于设计方案的试验结果，修改研究试图将溢流孔尾坎挑起的水舌在横向范围内彼此错开、在纵向空间上尽量延展，以增大下泄水流的散落面积，达到减轻对下游河床冲刷的同时又减弱对两岸山体砸击的双重目的。

2.2.1 修改方案一

将左、右溢流孔边墩的左、右一侧各设置了宽为1.0 m的宽尾墩，意在缩减水舌宽度。但水流被集中后，势必加大对河床的冲击能力，因此沿溢流孔的尾坎末端增设了高程不同的小尺度差动坎，利用不同的挑射角将水股分层，以其分散水舌的落点。

修改方案一：差动坎的齿高 0.9 m，1.4 m，槽高保持原高程634.50 m；两侧边孔因齿、槽的设置被分割成四部分，中孔被齿、槽分割成五部分。此外为使水流在横向范围内可以沿展的更充分，将齿的两侧边缘设置成1∶1的斜坡形状（如图2）。

泄放P=0.5%洪水时，差动坎上齿、槽特别是宽尾墩的作用使水舌的横向宽度由42 m变成33 m，但差动坎的齿高使水舌分层不明显，有进一步修改的必要。

2.2.2 修改方案二

将溢流坝边孔两侧的宽尾墩宽度由1.0 m增至1.5 m，齿高设为1.50 m、槽高程634.50 m，同时将方案一的小尺度差动改成了大尺度差动，即齿、槽把两侧边孔分割成两部分，将中孔分割成三部分，如图3所示。

泄放P=0.5%洪水时，宽尾墩墩厚的增加再次缩减了下泄水舌的横向宽度，由方案一的33 m变为30 m，水舌纵向厚度为13 m，加大了对河床的冲刷强度。

2.2.3 修改方案三

图2 修改方案一

图3 修改方案二

图4 修改方案三

由修改方案一、二研究：其一宽尾墩厚取1.5 m对下泄水舌的缩减作用更加明显；其二大、小尺度差动对下泄水舌的纵向拉伸没有明显区别。进一步对齿、槽进行调整时，为方便施工选择在大尺度差动上开展。

方案三将右孔边墩上的宽尾墩厚度由1.5 m增加到2.0 m，两侧边孔的齿高分别调整为1.68 m和2.94 m，中孔齿高为2.5 m，如图4。

泄放P=0.5%洪水时，从3个溢流孔宣泄的水流经差动坎不同的齿高挑射后，水舌被分层，其水股厚度明显变薄，跌入到下游河道的水舌落点呈分散的状态。最大和最小的水舌挑距分别为53 m、63 m，水舌横向宽度27 m。

2.2.4 小 结

1）各修改方案泄放洪水时，对泄流能力没有影响。修改方案三水舌的挑距最远，水舌的横向宽度最窄（见表1）。

表1 各方案施放洪水P=0.5%水舌的挑距及横向宽度

2）修改方案三无论从下泄水舌对河床的冲淤（见表2）还是对山体的砸击均优于其它方案。

3）二道坝保证了下游河床在水舌下落区域内有足够的水垫厚度，以缓解下泄水流对河床的冲击。但设计将二道坝堰顶的过流宽度由原45.0 m调整成30.0 m，受右岸山体走势的限制，即在二道坝的尾坎断面其横向宽度被缩减到仅有7.0 m，增加了下行水流的流速。为减轻从二道坝宣泄而下的水流对其河床的冲刷：一是降低二道坝的堰顶高程；二是增加尾坎断面的过流宽度。而增大过流宽度必须对右岸山体进行开挖，增加工程的投资。由修改方案三的研究结果，将二道坝的堰顶高程由577.0 m降低到575.0 m，此方案作为研究的最终推荐方案。

表2 各方案施放洪水P=0.5%冲坑最低、淤积最大高程

2.3 推荐方案运用

大丫口水电站泄洪为敞泄、控泄两种，即小频率洪水保证正常高水位650.00 m调度运用。试验研究给出两种具有代表性组合：1）均匀调度3个溢流孔开启，该组合是下泄水舌在横向沿展宽度最大的运行方式，便于观察水舌的两侧边缘对山体的砸击；2）是采用两孔敞泄，余下的泄量附加第三孔的小开度联合调度，该组合是下泄流量比较集中，对河床的冲击力度相对较大。

运用成果如下：

1）推荐方案满足泄量要求，且堰面没有负压产生。

2）左、右孔两侧宽尾墩顶高程643 m，施放泄洪时，无淹没弧门铰的现象。

3）施放消能设计频率洪水，拱坝下游至二道坝区域，在动床试验中岸边最大流速为4.99 m/s、在定床试验中岸边最大流速为7.06 m/s。

4）宣泄各级流量时，坝下的冲刷都不危及建筑物的安全运行（见表3、表4）。

表3 推荐方案施放各级频率洪水下泄水舌的挑距及横向宽度

5）二道坝尾坎断面受山体的限制突然收缩，使尾坎下右岸一侧水面起伏剧烈，导致在两侧岸边产生的流速差异很大，宣泄消能频率洪水时，尾坎后20 m断面右岸最大流速可达13.15 m/s，应给予适当的防护。

表4 推荐方案各泄量下游最大冲深及堆积高程

3 研究结论

高坝消能采用适合的差动坎形式及辅以边孔宽尾墩的联合布置，能有效地削弱下泄水流的动能，从而达到缩减水垫塘范围及降低二道坝设置的高程、节约工程投资的目的。