一种新型非对称转向收缩差动式挑坎设计

2019-05-08李元杰娄作兴

水利规划与设计 2019年4期

李元杰，娄作兴

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

水利水电工程枢纽中，必须设置泄水建筑物，用于宣泄库容所不能容纳的洪水，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。对于土石坝，一般不容许从坝身溢流或大量溢流；当河谷狭窄而泄量较大，难于经混凝土坝泄放全部洪水时，则需在岸边或天然垭口位置建造岸边溢洪道或开挖泄水隧洞。泄水建筑物除了应有足够的泄流能力，还应保证其自身的安全和下泄水流与河道水流获得妥善的衔接[1]。消能方式的选择与泄水建筑物的布置、下游的水流条件、河道的地形地质条件以及工程的运行条件等有关[6]。泄洪消能是水利水电建设中的重要技术问题，如果不采取有效措施，将会冲刷下游岸坡与河床，危及枢纽的安全[8]。随着坝工建设的快速发展，泄洪消能技术有不少新的进展，其中挑流消能发展很快，已成为中高水头、大单宽流量泄水建筑物的消能措施，它工程结构简单，不需要修建大量的河床防护工程[7]。对于高水头泄水建筑物采用挑流消能应注意各级流量下泄时的消能效果，因小流量下泄对鼻坎下游的岸坡淘刷不可避免，可能威胁到工程的安全[9]。由于下泄水流往往具有水头高、流速大且水股集中的特点，能量较大，若不进行妥善处理并采取有效措施，将会导致下游河床和岸坡被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌，进而危及大坝和泄水等建筑物的稳定和安全。因此，泄水建筑物采用挑流消能方式的关键在于选择适宜的挑坎体型，利用高速水流流向的可导性以及水股形状的可变性，使之对高速水股进行定向抛射[10]，使射流部分能量尽可能在空中消除，并有效控制射流落入下游河床的位置、范围和流量分布[5]。近年来新型挑流消能工不断出现，目前挑流消能工主要有连续坎、差动坎、窄缝坎、扭曲坎、扩散坎、斜挑坎、高低坎等[3]，其他已在某些工程成功应用的如复式挑坎[10]、分条复式扭曲挑坎[11]等。由于水利水电工程建设中，不同工程枢纽布置、地形地质条件、泄水建筑物布置、水文和运用等条件千变万化，上述挑坎体型适用范围和效果均有一定的局限性，有时还不能达到理想的要求和消能效果，解决某些工程泄水遇到的实际问题。为此，本工程提出了一种非对称转向收缩差动式挑坎,并进行了水工模型试验验证，力求达到工程的最优设计和建设要求[7]。

1 工程概述

黄家湾水利枢纽工程位于贵州省安顺市南部紫云县境内，坝址在红水河的一级支流格凸河中游河段上。黄家湾水利枢纽是综合利用的水利工程，工程任务是以城乡生活和工业供水、农业灌溉为主，并结合发电。水库多年平均供水量为9321万m3，坝后电站装机容量为2.4万kW。工程主要由首部枢纽工程和供水工程、灌溉工程组成。水库总库容15720万m3，为Ⅱ等大(2)型工程。首部枢纽工程主要由大坝、左岸溢洪道、泄洪放空隧洞、右岸供水灌溉取水系统、坝后电站及副坝组成。大坝按100年一遇(P=1%)洪水设计，2000年一遇(P=0.05%)洪水校核，下游消能防冲洪水标准为50年一遇(P=2%)。溢洪道为本工程主要的泄洪建筑物。

图1 岸边式溢洪道布置示意图

2 溢洪道地质条件及其布置

2.1 溢洪道地质条件

溢洪道沿线第四系覆盖层广布，主要为残坡积粘土夹碎石，厚0.5～3.3m。下伏基岩为三叠系中统边阳组第二段第四层的薄至中厚层泥岩与砂岩互层，第五层的薄至中厚层泥岩夹少量砂岩，垂直强风化层厚6～13m。溢洪道边坡工程区主要为泥岩，局部位置砂岩与泥岩相间分布或呈互层状分布，砂岩厚0～1.5m，厚度不均匀，砂岩层间夹极薄层页岩。局部裂隙较发育，稳定性较差。溢洪道出口下游河床较窄，常年水位水面宽度约40m，河床砂卵石层厚2～4m，下伏基岩为砂泥岩，属软质岩，抗冲能力较差。

2.2 溢洪道布置

本工程溢洪道布置时综合考虑地形地质条件、枢纽布置、水力条件、泄水建筑物运行要求、工程量和投资等因素，溢洪道控制段紧挨左坝肩布置，轴线为直线布置，方位角N66.92°W，与河道走向呈小角度相交，溢洪道轴线水平长度419.353m，出口距离下游坝脚约150m。溢洪道由进水渠、控制段、泄槽段、挑流消能段等组成，进水渠采用C25混凝土衬砌，控制段溢流面为C30混凝土结构，泄槽和挑流段为C35HF混凝土结构。溢洪道校核工况下最大泄量为1598m3/s，控制段溢流堰顶高程1045m，共设置3孔弧形闸门控制泄洪，并设1扇检修门3孔共用。泄槽段净宽为20.0m，泄槽末端采用挑流消能方式，挑坎下游设置护坦。溢洪道布置如图1所示。

3 消能方式选择

溢洪道出口距离下游坝脚位置约150m，距离下游永久交通桥约245m，距离右岸坝后电站尾水渠出口约60m，距集鱼系统约45m，集鱼系统布置于厂房尾水渠下游，位于溢洪道出口正对岸略偏下游。溢洪道出口下游河床砂卵石层厚2～4m，下伏基岩为砂泥岩，属软质岩，抗冲能力较差。消能方式的选择兼顾地形地质条件、水力条件、溢洪道布置和运行要求、工程量和投资等进行综合分析选定。结合本工程特点，溢洪道出口消能方式可采用底流消能和挑流消能。由于溢洪道上、下游水位差达63m，泄槽单宽流量大，校核工况下最大单宽泄量为79.9m3/s，泄槽末端流速达30m/s，若采用底流消能，因岸坡及河床地质条件较差，消力池结构尺寸大，工程量和投资较大，对左岸坡的影响也较大。同时，若采用底流消能则消能工距离右岸电站尾水渠和集鱼系统较近，泄洪时对电站尾水和集鱼系统影响较大。另外，底流消能受外界条件影响大，水力学边界条件难以准确确定，消能工设计不确定因素多。综上所述，本工程采用底流消能方式不合适。溢洪道轴线与河道走向斜交，下游河道较为顺直，采用挑流消能可节省投资，泄洪时对大坝安全无影响，对厂房尾水和集鱼系统及下游岸坡的影响也较小，故本工程采用挑流消能方式。

4 挑流消能工设计

4.1 挑流消能工体型选择

水利水电工程中，往往因地形地质条件、枢纽布置、下泄洪量较大、岸边式泄水建筑物出口对岸布置有建筑物、下游河道较窄等原因，泄水建筑物出口轴线与下游岸坡只能呈较小角度相交，但下游岸坡及河床抗冲刷能力较差的条件下，采用目前已有的挑流消能工型式达不到理想的效果，在空中消能不够充分，不能有效控制射流落入下游河床的位置、范围，不能较好的保护下游靠山侧岸坡以及减轻对河床的冲刷。因此，采用挑流消能的关键在于选择适宜的挑坎体型。

目前，已有的挑坎体型各有优缺点，连续坎构造简单，坎上水流平顺，不易发生空蚀破坏，水股挑距远；差动坎消能效果较连续坎好，但易发生空蚀破坏；斜挑坎、扭曲坎挑射水流能改变方向，差动坎和斜挑坎、扭曲坎挑距较连续坎小。本工程若采用连续坎，消能效果不够理想；若采用常规差动坎，消能效果较好，但这两种挑坎的挑射水舌均距离左岸坡较近，对岸坡的冲刷影响较大；若采用传统斜挑坎、扭曲坎可使出坎水流转向，对靠山侧的冲刷影响较小，但消能效果不够理想。根据本工程的特点，溢洪道挑流消能工经分析研究后采用一种新型非对称转向收缩差动式挑坎，并结合水工模型试验进行研究。挑坎体型如图2所示。

4.2 非对称转向收缩差动式挑坎设计

本工程溢洪道消能工采用一种非对称转向收缩差动式挑坎，结合工程特点进行挑坎布置、高坎和低坎挑角、鼻坎高程、坎高、反弧半径及收缩转向等设计[1- 4]，并结合水工模型试验多方案成果比较后确定挑坎体型，挑坎段平面布置及纵、横向剖面如图3—图5所示。

图2 非对称转向收缩差动式挑坎体型

挑流消能段进口净宽20.0m，出口净宽18.435m。挑坎段结构包括挑坎基础、挑坎坎体和挑坎边墙。挑坎起始端和上游泄槽末端衔接，挑坎基础为C20混凝土，挑坎为非对称转向收缩差动式挑坎，挑坎坎体与左、右侧边墙均为C35HF钢筋混凝土结构，挑坎最小厚度为1.0m，左、右侧边墙厚度为1.5m。挑坎总体转向收缩，在挑坎段泄槽轴线未转向，轴线左侧(靠山侧)挑坎总体向河床方向转向并收缩，轴线右侧挑坎总体向河床方向略有转向并适当扩散。挑坎左、右侧边墙非对称转向，各自与其相邻的高(低)坎相同程度转向，边墙厚度不变。

挑坎共计2个高坎和2个低坎。高坎(齿)、低坎(槽)相间布置，为不对称结构。高、低坎的起始断面宽度比均为1.5，高坎起始断面宽为6.0m，低坎起始断面宽为4.0m。高坎末端坎顶高程为996.632m，挑流鼻坎的反弧半径为20m，挑角为29°。低坎末端坎顶高程为994.912m，挑流鼻坎的反弧半径为22m，挑角为23.673°。

挑流段轴线左侧的高、低坎均为不对称转向收缩，高坎、低坎的转向收缩程度不一。高坎左侧转向角度为8.5°，右侧转向角度为4.0°，高坎起始断面宽为6.0m，末端断面宽为4.435m；低坎左侧转向角度为4.0°，低坎右侧未转向，低坎起始断面宽为4.0m，末端断面宽为2.624m。

图3 挑坎段平面布置示意图

图4 挑坎段纵剖面示意图

图5 挑坎段横剖面示意图

挑流段轴线右侧的高坎(梯形坎)沿轴线方向不转向，横剖面两侧坡比为1∶0.3，断面底宽为6.0m；低坎靠河床侧向河床方向略有转向适当扩散，向河床方向转向角度为4.0°，低坎起始断面宽为4.0m，末端断面宽为5.376m。

该非对称转向收缩差动式挑坎，体型较为简单，突破了常规的斜挑坎、扭曲坎、差动式挑坎体型，集上述挑坎优点于一体，挑坎沿流程非对称转向收缩，使射流挑离鼻坎后发生一定的转向，在空中掺气、扩散、水质点相互混掺碰撞加强，射流的部分能量能较好的在空中得以消减，并能有效控制射流落入下游河床的位置、范围及流量分布，达到保护下游靠山侧岸坡和减轻对河道冲刷的目的，减小了下游河床和岸坡防护的工程量，节省了工程投资。

4.3 水工模型试验验证

4.3.1各泄洪工况挑射水舌形态、入水情况

溢洪道各泄洪工况下的挑流参数见表1，各工况下的挑流水舌形态、与左岸坡的距离及入水情况如图6所示。各工况下挑流水舌均偏离左岸坡，挑射水流的主入水区均基本位于河床中心位置，避免了挑流水舌对左岸坡的直接冲刷，并减轻了对河床的冲刷。挑流水舌的最大挑距为103.2～105.6m，落水最远点距离下游永久交通桥约140m。因此，各工况下泄洪对左岸坡的影响较小，对大坝下游坝脚、挑流段基础、右岸发电厂房及集鱼系统的安全无影响，对下游永久交通桥的影响也较小。

图6 各泄洪工况挑流水舌形态、入水情况示意图

表1 溢洪道各泄洪工况挑流参数

表2 挑坎段压力分布

4.3.2各泄洪工况下挑坎沿程压力分布

在溢洪道挑坎段共布设了6个压力测点，左侧高坎侧壁和右侧高坎侧壁各布设一个测点，右侧高坎和低坎的中段和后端各布设两个测点，测点具体布置如图7所示。

图7 挑流段压力测点布置

各泄洪工况挑坎段的压力分布见表2，在5个工况下各个测点均未出现负压情况，3号测点(溢0+278.385m，995.009m高程)各工况下的压力较低，范围在3.11～7.03m水柱。因此，各工况下挑坎段沿程未出现负压，挑坎结构不易发生空蚀破坏。

4.3.3各泄洪工况下挑坎段流速分布

在挑坎上布置了3个断面测量挑流段的流速分布，测点布置如图8所示。流速具体分布见表3。各工况下，左右两个高坎的流速相对于低坎要低，但是相差不大，比较均匀，且三个断面平均流速相差不大，因此挑坎段流速分布较为均匀，水流流态较好。

图8 挑坎段流速测点示意图

4.3.4各泄洪工况下坝脚下游回流

模型试验分别在左岸布设了3个流速测点，在右岸集鱼系统位置布设了4个流速测点，测点具体布置如图9所示，回流流速见表4、表5。左岸最大回流流速5.13m/s，右岸最大回流流速5.04m/s。右岸回流流速较小，对电站尾水的影响较小，在集鱼设施岸边侧设置一定高度的挡墙可减小回流对电站尾水的影响。

表4 左岸回流流速

图9 左、右两岸回流流速测点布置示意图

测点右岸回流流速(m/s)工况1工况2工况3工况4工况513.433.353.513.312.8924.013.764.673.603.7633.563.183.563.473.2743.352.602.893.062.36

4.3.5各泄洪工况下挑射水流对河道的冲刷

挑坎下游河道冲刷试验，在相当于原型0.6～0.7m的动床粒料条件下，各泄洪工况下的挑射水舌入水范围基本在河床中部，冲坑冲刷形态比较均匀，冲坑最低点均基本位于下游河道的中央，冲坑最低点距离尾坎为72.08～106.00m，冲坑深度9.86～12.06m，具体冲刷情况见表6。根据分析可知：挑射水流入水时能量较小，对河道的冲刷不严重，冲坑后坡满足规范要求。