玛尔挡水电站溢洪道挑流鼻坎体型试验研究

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)

挑流鼻坎因其构造简单、成本较低，是我国应用广泛的消能措施，据资料统计[1]，世界大、中型水利工程岸边溢洪道多采用挑流消能(我国约为85%，国外约为75%)。为适应不同工程特点，不同体型的挑流鼻坎得以提出。斜鼻坎[2]一侧导墙短一侧导墙长，斜交于出口轴线，可以通过改变其挑角和导向来控制水舌的挑距和落水位置；舌形挑坎[3]去掉常规挑坎出口处边墙，可以使挑射水舌横向充分扩散，减小入射水流的单宽流量；窄缝挑坎[4-8]是一种收缩式消能工，其借助于边墙的收缩迫使水体变形，使水体形成纵向和横向立体式扩散，减小单位面积的入水能量，其中窄缝挑坎包括直墙窄缝挑坎、曲线边墙窄缝挑坎和曲面贴角窄缝挑坎几种形式。

玛尔挡水电站最大坝高211 m，正常泄洪水头达到了190 m，相应下游水深仅10 m左右，其溢洪道三孔挑坎布置集中，前后错开的幅度有限，其水舌无法形成空间上的充分错开，造成较为集中的入水，而设计要求溢洪道挑流鼻坎水舌要在死水位时不冲砸本岸，并且左右岸坡脚最大冲深高程设计洪水保证在3 065 m以上、百年一遇洪水保证在3 070 m以上，因而消能防冲问题较为严峻。为满足设计要求，参考以上挑流鼻坎体型，对玛尔挡水电站进行了整体模型试验，通过不同挑坎体型的比选，曲面贴角窄缝挑坎较好地满足了泄洪防冲设计要求。

1 工程概况

黄河玛尔挡水电站位于位于青海省玛沁县境内的黄河干流上，是龙羊峡上游湖口至尔多河段规划推荐开发的第12个梯级，工程规模为1等大(Ⅰ)型工程。其枢纽布置为：混凝土面板堆石坝、右岸岸边溢洪道、右岸电站进水口，三者基本上呈“一字型”布置；泄水建筑物采用右岸3孔溢洪道及1孔泄洪洞联合泄洪。其中，溢洪道设计方案堰闸段沿水流方向长50.0 m，单孔净宽10.5 m，闸室设事故检修门和弧形工作门各一道，泄槽段由两中隔墙分开，分为左孔、中孔、右三孔，泄槽陡坡段紧接鼻坎反弧段。玛尔挡水电站整体模型试验平面布置见图1。

图1 玛尔挡水电站整体模型试验平面布置图(单位：m)Fig.1 Layout of model test of Maerdang hydropower station

2 模型制作与设计

试验模型按重力相似准则设计制作，根据试验要求，模型长度比尺定为Lr=100。其他相关物理量比尺如下：流量比尺Qr=Lr5/2=100 000；流速比尺Vr=Lr1/2=10；时间比尺Tr=Lr1/2=10；糙率比尺nr=Lr1/6=2.154 4。

为确保模型水力条件与原型相似，模型制作范围为：上游库区做至坝轴线以上775 m，下游河道做至下游坝坡坡脚以下约1 200 m，其中下游坝坡坡脚后920 m为动床，其后280 m为定床。消能区左、右岸混凝土护岸，人工、天然高边坡均为定床。下游动床以天然散粒体沙石模拟河床基岩和覆盖层。按设计提供的消能区河床基岩抗冲流速V=4.5～5 m/s和覆盖层抗冲流速V=1.5 m/s，根据伊兹巴什公式的计算结果，河床基岩模型沙、覆盖层模型沙当量粒径范围分别为取5～8 mm、0.5～1.0 mm。特征水位及相应下泄流量见表1。

表1 特征水位及相应下泄流量Table 1 Characteristic water level and corresponding discharge

3 溢洪道三孔挑坎体型优化

溢洪道三孔挑坎位置集中，需要对各挑坎水舌的形状、分散程度、落点位置及导向角度等进行对比、选择和优化。试验先后进行了斜鼻坎、短边墙舌形挑坎、直墙窄缝挑坎、曲面贴角窄缝挑坎的体型比选，以期使三孔挑坎相互适应，使三孔水舌能够在死水位(3 265 m)跨岸，水舌落点能够充分扩散，减轻消能区两岸坡脚冲刷深度(坡脚最大冲深高程设计洪水不低于3 065 m，百年一遇洪水不低于3 070 m)，以保证两岸坡脚的防冲稳定性。

3.1 斜鼻坎体型

溢洪道三孔挑坎采用挑流斜鼻坎，通过调整挑坎的斜口方向以及导向角度，以使三孔水舌散落错开，减轻下游冲刷深度，调整后的体型见图2。左、右两孔挑坎体型相同，布置对称，挑坎起始断面与陡坡反弧末断面之间有5 m长的水平段，挑坎最大挑角为45°，中孔挑坎向下游延伸，最大挑角为39.391°。该方案的冲刷深度可以满足要求，百年一遇洪水下游左右岸边坡脚最深点高程为3 071.4 m和3 071.2 m，本岸坡脚也没有明显的冲刷，不足之处在于斜鼻坎的远端水舌纵向拉伸较远，而斜开口近端水舌起挑较早，导致在死水位时水舌直接砸落在本岸上，无法满足死水位跨岸的要求。

3.2 短边墙舌形挑坎体型

溢洪道三孔挑坎采用短边墙舌形挑坎，其体型见图3。三孔挑坎末端高程及位置错开布置，以期使三孔水舌相互错开分散入水，减轻水舌对下游河床的冲刷。从试验结果来看，三孔水舌较为分散，呈扇形打开状入水，百年一遇洪水下游左右岸边坡脚最深点高程为3 070.4 m和3 070.1 m，基本可以满足要求，但由于为使水舌相互错开，导致水舌入水点距本岸较近，在本岸左右岸脚形成了10 m和5 m的冲坑，不利于大坝的稳定，而且该方案在死水位下三孔水舌不能完全跨岸，不能满足要求。

图2 斜鼻坎体型图(单位：m)Fig.2 Body figure of oblique flip bucket

图3 短边墙舌形挑坎体型图(单位：m)Fig.3 Body figure of tongue-type flip bucket

3.3 直墙窄缝挑坎体型

溢洪道三孔挑坎采用直墙窄缝挑坎，挑坎体型见图4。三孔挑坎在死水位时都可以跨岸，能够形成纵向扩散式窄缝水舌，但纵向拉开的幅度有限，挑坎体型瘦高纵向收缩凸显导致其内部水流交汇碰撞而激起水花，三孔水舌显得比较凌乱，落点也相对集中。百年一遇洪水下游消能区冲淤状况为：河床中部形成一集中冲坑，坑底高程为3 058.4 m；左、右两岸边最深点高程分别为3 071.2 m和3 063.5 m，右岸冲深较深。直墙窄缝挑坎水舌在死水位能够跨岸，但不能形成理想的纵向扩散水舌，下游冲刷也不满足要求，因此未予采用。

3.4 推荐方案曲面贴角窄缝挑坎体型

通过以上三种不同挑坎体型优化方案的对比试验，得出以下结论：由于三孔挑坎布置比较接近，且高程相差不大，即便三孔挑坎都能形成扩散充分的水舌，因水舌落入河床的前后位置无法完全错开而导致相互叠加，加重了对下游河道的冲蚀作用，下游河道左右坡脚冲刷深度难以控制；要想尽量减轻水舌对下游河床的冲刷，保证大坝下游左右岸边坡的安全及稳定，只有使溢洪道三孔挑流鼻坎的水舌空间立体充分扩散，这样可以扩大其入水范围，并且有效避免相互叠加，从而降低对下游河床的冲刷作用。

图4 直墙窄缝挑体型图(单位：m)Fig.4 Body figure of straight wall slit-type flip bucket

基于以上认识并结合已有工程经验，确定溢洪道三孔消能工采用曲面贴角挑坎。曲面贴角窄缝挑坎可以变化收缩曲率，在保证必要的收缩比的条件下，不致使流态紊乱，而且其底槽的设置可以增加水舌的纵向扩散长度，又可通过调整底槽坡度来满足低水位溢洪道水舌跨越本岸的要求。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5。溢洪道三孔采用对称曲面贴角窄缝挑坎，挑坎边墙以圆弧收缩。在平面布置上，左、右孔挑坎在以中心线为对称轴，各自向左、向右偏转4.5°，末端平齐，中孔不偏转。挑坎底板为5°挑角的斜坡，斜坡段内两侧设曲面贴角体，底板加设底槽。

图5 推荐方案曲面贴角窄缝挑坎体型图(单位：m)Fig.5 Body figure of curved slit-type flip bucket

4 推荐方案试验结果

4.1 曲面贴角窄缝挑坎消能机理及其水舌形态

曲面贴角窄缝挑坎依靠两侧边墙和曲面贴角体将水舌向中间导向，使水舌自身在空中碰撞对冲，改变水体的相互作用和下泄形式，加剧了水流的紊动耗能。对冲后水舌产生运动扩散，在纵向成薄形扇状，外部水舌侧卷形成一定的横行扩散，水舌受空气阻力和掺气消减部分能量后，扩散入水，可以大大减小射流对下游河床的冲刷能力。通过调整底部凹槽的坡度及其边墙高度，可以增大水舌的挑距，满足死水位跨岸的要求，同时底部水舌对下泄水体形成分流空间扩散，使水舌的落水点更为扩散。设计水位下推荐方案曲面贴角挑坎具体水舌形态见图6，可看出三孔水舌可以形成纵向拉伸和横向扩散，水舌立体分散入水，避免了水舌叠加，减小单位面积的入水能量，有利于减轻下游河道的冲刷。

图6 推荐方案曲面贴角窄缝挑坎水舌形态Fig.6 Nappe flow of curved slit-type flip bucket

4.2 溢洪道水舌死水位跨岸情况

设计要求死水位时，三孔溢洪道水舌都要跨岸，试验观测了三孔水舌的起挑水位以满足设计要求。库水位为死水位溢洪道三孔全开泄洪时，三孔水舌主流均能跨越其出口岸坡，水舌内缘在河床内的入水点距离本岸坡脚约5～10 m，只是水舌内缘稍显不够光滑，有一些零散的水滴散落在岸坡上，散落水滴对本岸基本没有影响，可以满足溢洪道在死水位泄洪运行的设计要求。

4.3 下游河道的冲刷情况

试验对推荐方案进行了不同组次模型放水，验证其泄洪消能效果，典型工况下冲刷情况见表2。由于对下游河道的泄洪消能区采取护岸不护中的措施，设计着重要求左右岸坡脚最大冲深高程设计洪水保证在3 065 m以上、百年一遇洪水保证在3 070 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，三个组次下左右岸坡脚均能够满足要求。表明推荐方案曲面贴角窄缝挑坎体型及其布置合理，消能较为充分，可以消能防冲的要求。

表2 典型工况冲刷情况Tab.2 Typical condition of erosion

图7 设计洪水下冲淤地形图(单位：m)Fig.7 Terrain by scouring and silting of design flood

图8 百年一遇洪水下冲淤地形图(单位：m)Fig.8 Terrain by scouring and silting of hundred-year flood

图9 30年一遇洪水下冲淤地形图(单位：m)Fig.9 Terrain by scouring and silting of last flood in 30 year

5 结 语

曲面贴角窄缝挑坎的两侧边墙和贴角体可以将过流水体向中间导向，形成水舌自身的剧烈挤压碰撞消能，同时出坎水舌受空气阻力和掺气作用进一步消减能量，消能效果较好。曲面贴角窄缝挑坎水舌既形成纵向拉开，又形成了一定程度的横向扩散，其落水点较为分散，有利于充分利用下游河道的水垫作用，减轻下游河道的冲刷深度，这对下游河道水位浅，冲刷深度要求高的工程较为适用。玛尔挡水电站最大坝高211 m，正常泄洪水头达到了190 m，相应下游水深仅有10 m左右，而其泄洪建筑物集中布置，前后错开的幅度有限，其水舌无法形成空间上的充分错开，较为集中的入水，设计要求溢洪道挑流鼻坎水舌要在死水位时不冲砸本岸，并且左右岸坡脚最大冲深高程设计洪水保证在3 065 m以上、百年一遇洪水保证在3 070 m以上，因而面临严峻的消能防冲问题。将曲面贴角窄缝挑坎应用到玛尔挡水电站模型试验中，可以使三孔水舌在死水位跨岸，下游河道左右岸坡脚的冲刷深度也满足设计要求。