乌依布拉克二级水电站溢洪道挑坎设计方案比选

陈 博

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程背景

乌依布拉克二级水电站位于新疆维吾尔自治区乌什县境内，属于乌依布拉克河梯级开发的第二级水电站[1]。该水电站的设计装机容量为3.2 MW，引水流量为2.94 m3/s，设计水头127 m，主要水工建筑物包括水库大坝、引水发电系统、溢洪道，电站的年利用小时数为6900 h，年均发电量为2484万kW·h，预计年产值580万元。拟建中的乌依布拉克二级水电站的溢洪道位于大坝左岸的台地上，其轴线基本与大坝轴线垂直，全长372 m，自上游至下游分别划分为导流段、控制段、泄槽段和消能段。闸前地板高程为2499.0 m，溢流堰面设计为WES曲线，设单孔净宽为10.0 m的三孔弧门控制，挑流段采用圆弧曲线。根据相关工程经验，宽浅式溢洪道的挑坎进行局部形体调整，对出挑水流形态的影响极为有限，难以对水舌的轨迹产生较大影响。目前，受制于各方面因素的影响，溢洪道轴线和泄槽段体型已经确定，不能进行大幅度改变。因此，通过模型试验的方法对溢洪道挑坎大圆弧导向鼻坎的形体进行优化研究。

2 试验模型与方案设计

2.1 试验模型的制作

根据研究需要和工程现状，模型试验的模拟范围为坝轴线上游320 m，在库区内制作溢洪道进口段以及右侧110 m左右的坝坡，下游河道模拟长度为调坎末端以下240 m，模型的总长度为780 m[2~4]。考虑试验场地因素和SL155—95《水工(常规)模型试验规程》的规定，模型采用的几何比尺为50[5]，为满足水流紊动阻力相似性需求，模型采用有机玻璃板制作，高程误差小于2 mm，平面误差小于10 mm[6]。

2.2 大圆弧导向鼻坎设计方案

乌依布拉克二级水电站采用的是宽浅型溢洪道，水深远小于宽度本身，在工程设计中要想使挑流水舌实现整体偏转导向，避免对左岸的冲刷具有一定的难度。因此，在试验过程中选择了大圆弧导向鼻坎设计[7]。根据项目的实际情况，结合大圆弧导向鼻坎的工程设计经验，提出如下三种设计方案：

方案1：采用大导向圆弧左边墙和斜平面贴角的体型设计。挑流鼻坎的左侧边墙设计为半径24.0 m的圆弧形导墙，导墙的起始断面为桩号0＋296.83；在圆弧形导墙的下段设置斜平面三角体贴角，以进一步加强挑坎对水流的导向和分散水舌的作用。

方案2：采用大导向圆弧左边墙设计。挑流鼻坎的左侧边墙设计为半径30.0 m的圆弧形导墙，边墙的末端较方案1向下游延伸4.0 m，从而形成向右导向的斜挑坎模式。

方案3：仍旧采用大导向圆弧左边墙设计，将大圆弧左边墙的半径进一步增加到48.0 m，边墙末端较方案1向下游延伸3.0 m，同时将起点断面位置向上游移动至0＋286.96，与方案2相比，该方案进一步加长了左边墙的长度，导向曲率进一步减小，使左边墙的变化趋缓，外形更为流畅。

3 模型试验结果与分析

3.1 方案1试验结果与分析

根据乌依布拉克二级水电站溢洪道的相关设计资料和乌依布拉克多年来的水文资料，设计150 m3/s、300 m3/s、600 m3/s和1100 m3/s(设计洪水)四种不同的溢洪道下泻流量，利用模型试验的方法对方案1条件下的水流流态、流速和下游冲淤地形特征进行研究[8]，试验结果见表1。

表1 方案1试验组次结果

在上述试验方案条件下进行溢洪道模型试验，结果如下：

溢洪道水流受到大圆弧导向边墙与贴角的共同影响，各个试验组次条件下挑坎的中部和左侧的出挑水流明显向右翻转，水流入水后呈现出横向扩散且扩散宽度随着下泻流量的增加而增大的特征；右侧的出挑水流仍旧沿着纵向方向挑入河床，进而形成了纵向扩散且上下分层的复合型水舌，明显增加了挑坎的消能率。从水舌的形态来看，在不同试验组次中均远离左岸，入水后迅速向河床内侧扩散，而不是集中于左岸的坡脚部位，可以完全避免水舌对左岸岸坡的冲蚀和淘刷。

在第4组试验条件下，挑坎的起挑水位为2507.1 m，终挑水位为2506.0 m；在正常蓄水位小流量泄洪的条件下，只要下泻流量大于150 m3/s即可形成挑流水舌且不会出现水流旋滚现象，因此，方案1的设计能够基本满足泄洪要求。

在各个试验组次条件下，观测溢洪道冲刷坑的具体特征，结果见表2。由表格中的数据可以看出，溢洪道下游的冲刷坑深度不大，在工程设计允许范围内，说明方案1的消能效果比较明显。同时，冲坑偏离左岸，不会对左岸岸坡造成明显的不利影响。

表2 方案1下游冲坑特征

3.2 方案2试验结果分析

针对方案2，试验研究在方案1设计的四种不同下泻流量的基础上增加了校核洪水工况，对应的溢洪道下泻流量为1570 m3/s，具体的试验设计见表3。

表3 方案2试验组次结果

在上述试验方案条件下进行溢洪道模型试验，结果显示：方案2各组试验条件下的水舌形态、下游流态与方案1类似，挑坎的中部和左侧的出挑水流明显向右翻转，水流入水后呈现出横向扩散，可以明显增加了挑坎的消能率，完全避免水舌对左岸岸坡的冲蚀和淘刷。

各个组别试验条件下的溢洪道冲坑特征见表4。从表中的结果来看，方案2条件下，下游冲坑位置与方案1比较接近；在通常泄流情形下，冲坑的深度在7 m左右，在设计和校核洪水条件下，下游的冲坑深度较深。

表4 方案2下游冲坑特征

试验结果显示，当溢洪道三个泄洪闸门全开泄洪的条件下，挑坎的起挑水位为2507.9 m，终挑水位为2506.1 m；在正常蓄水位小流量泄洪的条件下，只要下泻流量大于150 m3/s～200 m3/s即可形成挑流水舌且不会出现水流旋滚现象。

3.3 方案3试验结果分析

选取与方案2相同的试验工况，对方案3条件下的水流流态、流速和下游冲淤地形特征进行研究。试验结果显示，方案3条件下的水舌形态与下游流态与方案1和方案2基本相同，也可以满足设计要求。但是，方案3条件下的水舌扩散程度比方案1和方案2略小，因此，造成下游冲坑深度普遍增加，具体实验结果见表5。

表5 方案3下游冲坑特征

试验结果显示，当溢洪道三个泄洪闸门全开泄洪的条件下，挑坎的起挑水位为2507.4 m，终挑水位为2505.8 m；在正常蓄水位小流量泄洪的条件下，只要下泻流量大于150 m3/s即可形成挑流水舌且不会出现水流旋滚现象。

3.4 设计方案的确定

有上述试验结果及分析可知，三个不同的设计方案均可使挑流水舌远离左侧岸坡，达到工程设计要求。相比较而言，方案1的水舌扩散更为均匀，下游的冲坑深度最小，工程量也相对较小；方案3的体型比较简洁、流畅，但是水舌相对比较集中，造成下游冲坑的深度最大，而方案二则介于两者之间。因此，综合考量认为，方案1为最佳方案，建议在工程设计中采用。

4 结语

水利水电工程往往兼具防洪功能，是江河防洪体系的重要组成部分，一旦出现病险问题，必将产生严重的安全隐患。其中，水利工程的泄水建筑物承担着水库多余水量的安全宣泄功能，对水库的安全运行至关重要。本次研究以新疆维吾尔自治区乌依布拉克二级水电站为例，通过方案比选的方式对大圆弧导向鼻坎设计进行模型试验研究，并给出了最佳设计方案。该方法和结论对相关水利工程设计具有一定的借鉴价值。