新疆高沥青坝泄水建筑物布置与特性研究

柳 莹，李 江，彭兆轩

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

土石坝枢纽工程泄水建筑物通常由表孔和中孔或底孔组合而成，常见的组合形式是表孔溢洪道(洞)+底孔泄洪排沙洞；中孔位于坝体中部或中上部，当水库在低水位运行时可保持一定的泄流能力；底孔则布置于死水位以下，坝体底部，多用于施工期导流，后期改建为泄洪冲沙洞，有些工程底孔兼有下游供水的要求，多采用洞内布设钢管以满足小流量供水需求[1]。近30年来，国内外诸多学者对其进行了大量的研究，针对具体工程提出了联合消能工形式，成效显著[2- 4]。有些学者针对高速水流下泄水建筑物的磨损冲击和空蚀破坏，研制了具有高弹性以及良好抗冲击性能的新型材料，通过室内试验及工程实践，该新型材料抗推移质冲磨效果良好，防空蚀效果显著[5- 8]。王海云等人利用理论分析和物理试验，对龙抬头明流泄洪洞下游边墙掺气减蚀进行了研究，提出在反弧末端采用突扩和突跌的掺气方式，对侧墙和底板均起到了较好的保护作用[9- 11]。薄潇莹等人针对新疆阿尔塔什水利枢纽泄水建筑物抗冲磨问题，研究了4种不同掺合料、不同类型骨料组合配制的抗冲磨混凝土的力学特性，对泄水建筑混凝土配合比设计具有一定的借鉴意义[12]。李成业通过水力学模型试验，研究了高坝泄流条件下对泄水建筑的振动特性，随着下游水位增高，中孔处振幅增大而消力池底板处振幅减小；上游水位增高时，各结构振幅均有所增大[13]。

根据2019年中国大坝工程学会统计，全球已建沥青心墙坝217座，其中中国已建119座，占55%；新疆已建71座，占全国已建沥青坝总数的60%；国内100m以上的沥青混凝土心墙坝共15座，其中新疆就有11座，约占全国的3/4。针对新疆“三高一多一深一少”的独特筑坝环境[14- 15]，沥青心墙坝泄水建筑物如何选择合适的泄洪方式、布置型式以及消能措施，这关系到水库大坝的安全运行。由此可见，基于新疆高沥青心墙坝泄水建筑物布置与特性研究就显得尤为重要。

1 高沥青坝泄水建筑物布置特点

泄水建筑物包括溢洪道、泄洪洞、放水洞、施工导流建筑物等等。从工程任务来看，泄水建筑物主要承担泄洪、输水、排沙、放空水库、施工期导流等功能。有单一的泄洪洞(道)，也有承担多个功能的泄洪洞。新疆有着丰富的水利水电资源，中小河流众多，径流年内分配极为不均，通常汛期径流量可达到全年径流总量的3/4，这给泄水建筑物造成了极大的泄洪压力，而其他时段水库及电站基本为正常下泄工况，河流泥沙问题较为突出，对建筑物底板磨损严重，个别已建工程经常需要维护泄洪洞或表孔溢洪道的底板。因此，新疆水利工程枢纽的泄水建筑物，应根据坝址区地形地质条件及水文条件，通过方案比选以及水工模型试验，不断优化结构设计。

新疆的土石坝泄水建筑物常见的组合形式是表孔溢洪道(洞)+深孔泄洪排沙洞。表孔一般采用河岸溢洪道或溢洪洞，是主要的泄水建筑物，要求具有一定的超泄能力，一般承担最大下泄量的2/3以上；中孔基本为放水洞及发电洞，位于坝体中部或中上部；底孔通常布置于坝体底部，用作施工期导流，运行期泄洪排沙等。有些工程底孔兼有下游供水的要求，多采用洞内布设钢管以满足小流量供水需求。相对南方中小河流而言，新疆大多数河流兴建的水库泄洪功率并不是很大，相比较而言泄水建筑物的“体量”在工程总投资中所占比重相对较小。消能是泄水建筑物设计的重点，一般中型以上工程都需要进行水工模型试验，消能的方式也在不断发展，如粗糙坡面消能、宽尾墩联合消能工、消能井等内消能工、收缩式消能工、阶梯溢洪道、齿墩型内消能工、多股多层水平淹没射流等。新疆土石坝工程建于底孔的各类洞子，如导流洞、泄洪洞及冲沙洞等大都采用了底流消能，部分工程在传统底流消能的基础上增加悬栅，可在一定程度上减小消力池边墙高度，提高消能效率，如小石峡水电站和五一水库工程。

沥青心墙坝可与上游围堰结合，底孔导流洞后期通常改建为泄洪冲沙洞，不但可以减小泄水建筑物工程量，而且也可以缩短工期，加快进度。尼雅水利枢纽工程布置以拦河沥青混凝土心墙坝为主体，表孔溢洪洞布置在左岸，在右岸集中布置泄洪冲砂洞和灌溉发电引水洞，进水口闸井联合布置保证发电洞门前清。在平面上泄洪冲砂洞布置为直线，与导流洞在平面上同一轴线，纵断面设计为“龙抬头”结构形式，与导流洞结合。阿拉沟水库的溢洪道布置在右岸，为开敞式正槽岸边溢洪道；导流兼泄洪冲沙洞布置于河床右岸；灌溉放水洞布置在河床左岸，主要承担工业园区、灌区灌溉和南山矿区的供水任务。新疆11座百米以上的沥青混凝土心墙坝的泄水建筑物常见的坝高布置方式见表1。

2 表孔泄水建筑物特征及布置

岸边溢洪道按其结构型式可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸溢洪道等，其中正槽溢洪道较为典型且应用广泛。溢洪道应布置在地质条件较好的岸边或岩体上，避免深挖而导致的边坡稳定问题，进水口尽量短且直，尾水渠下泄水流应平缓进入下游河道，避免对岸坡的冲刷。岸边溢洪道在大多数情况下均采用有闸门控制，对于管理条件较差的中小型水库或多雨地区水库常考虑采用无闸控制形式。有闸和无闸的主要区别是堰顶高程不同、泄流能力不同、坝高不同、管理方式不同、溢流前缘长度不同。

表1 新疆高沥青心墙坝泄水建筑布置型式统计

2.1 正槽溢洪道

正槽溢洪道是由面向水库上游的溢流堰控制的坝外溢洪道，蓄水时控制堰与拦河坝一起组成挡水前缘，泄洪时堰顶高程以上的水由堰顶溢流而下。这种溢洪道的泄槽轴线与溢流堰轴线垂直，与过堰水流方向一致，过堰水流平顺稳定、溢洪道结构简单、施工方便，但当两岸地势较高且岸坡较陡时，开挖方量较大。

正槽式溢洪道通常由进水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠5个部分组成，其中控制段、泄槽及出口消能段是溢洪道的主体，是每个溢洪道工程不可缺少的，如图1所示。通过对新疆11座百米级高沥青坝泄水建筑物的设计与施工，积累了大量的工程经验。

(1)引水渠可将水流平顺的导入控制段，根据不同的地质条件，一般常用的有矩型和梯形两种，进口处多为喇叭状。

(2)控制堰段一般为矩形断面，多采用实用堰和宽顶堰。溢洪道的控制段是控制溢洪道泄流能力的关键部位，增大流量系数，不产生负压及空蚀。宽顶堰较实用堰结构简单，便于施工，但其流量系数小且溢流前缘较长，多用于中小型工程；而实用堰工程量少，流量系数大，但施工复杂，多用于大型工程中。

(3)泄槽的坡度一般做成大于临界坡度的陡坡，泄槽很长时，为适应地形、地质条件设置变坡。在设计时通常由于地形地质条件的限制，往往将原本直线等宽的泄槽设置成收缩段、弯曲段、扩散段。

(4)消能段上接泄槽，下连尾水渠，经过对高速水流消能后，可减轻其对下游河道岸坡的冲刷，常用的消能方式有底流消能和挑流消能。

(5)经过消能后的水流流态依然不稳定，需经过尾水渠将其平顺的导入下游河道。

图1 土石坝岸边正槽溢洪道布置示意图

图2 土石坝岸边侧槽溢洪道布置示意图

2.2 侧槽溢洪道

侧槽溢洪道通常由溢流堰、侧槽、泄水道和出口消能段等部分组成，如图2所示。与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道的水流流态复杂，如果设计不当将会影响工程安全，但是侧槽溢洪道轴线与水流流向近似垂直且引渠较短，具有入流条件好，工程量小的优点。侧槽溢洪道一般不设置闸门，不仅节约成本，还方便了后期水库的运行管理，适合修建于偏远山区。

侧槽溢洪道常修建于工程区两岸山坡较陡或山头较高的地形，在中小型水库中经常会使用侧堰无闸控制。侧槽横断面随着轴线逐渐增大，末端底宽约为始端底宽的4倍，过流能力加大；侧槽断面两边坡通常情况较陡，如图3所示。溢流堰一侧坡度约为1∶0.5，靠近山体一侧边坡为1∶0.3～1∶0.5，左右边坡基本对称，槽底高程的设置需确保堰上水流为自由溢流且流态较好，坡度较缓。调整段是侧槽后的平底梯形断面的渠道，作用是稳定水流，使侧槽水流壅高后入泄槽，侧槽内流态如图4所示。侧槽溢流堰大致沿等高线布置，溢流堰多用实用堰，后接泄水明槽或者隧洞。流量沿程增加，侧向进水，纵向泄流，槽底要有纵坡以保证堰流为自由出流，或稍有淹没的自由出流，侧槽内水流为缓流。

图3 溢洪道侧槽布置图

图4 侧槽内流态

2.3 非常溢洪设施

当校核洪水与设计洪水的泄量相差较大时，应当考虑设置非常溢洪设施，包括漫流式、自溃式和爆破引溃式。新疆的非常溢洪设施主要用于早期修建的平原水库土石坝，坝高较小，多为除险加固时为满足宣泄洪水而增设。由于大多数工程在设计阶段安排底孔控泄状态宣泄1/3左右洪水，实际上底孔闸门全开工况下泄流能力会增加，而且当采用开敞式溢洪道时，其表孔超泄能力更强。因此，非常溢洪设施在近些年新建的高土石坝中运用较少。

3 底孔泄洪洞特征及布置

3.1 由导流洞改建的泄洪底孔

随着时代的发展，施工机械及设备的不断完善，设计水平的不断提高，新疆山区水库大坝高度逐渐增加，这就使得泄洪消能问题极为突出，成为当今水利工程建设中面临的难题之一。山区水库在施工期通常采用隧洞导流，如果水库建成以后就将其封堵，则显得极为浪费。为了缩短工期、节省投资、资源有效利用，部分水利工程将导流洞改建为泄洪冲沙洞，同时也可起到放空水库的作用，俗称“一洞多用”。将导流洞改建为泄洪洞除了会遇到高水头、高流速以及冲刷磨蚀的问题外，还面临着空化空蚀、水流流态紊乱以及消能等方面的挑战。

导流洞改建为泄洪洞并非所有工程均适用，还得根据坝址区水文条件、工程条件以及技术条件等方面综合考虑分析。

(1)水文条件：部分工程规模大，所在河流洪峰洪量大，设防标准高，常常将导流洞改建为泄洪洞。如：大石门水利枢纽为Ⅱ等大(2)型工程，拦河坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，将导流洞改建为底孔泄洪洞并与表孔溢洪洞联合泄洪。

(2)工程条件：工程区河谷狭窄，两岸山体陡峻，来洪流量大，施工场地往往较小，多采用全断面围堰隧洞导流的方式。如：尼雅水库坝址处河谷狭窄，呈“V”字型，谷底宽度仅为20多米，不具备分期导流条件，因此在右侧凸岸设置导流建筑物，后期采用“龙抬头”的形式与泄洪冲沙洞合用。

(3)技术条件：根据新疆高沥青心墙坝的地质水文条件，大都可以将导流洞改建为泄洪洞，但改建之后，如何妥善处理好消能问题是最为关键的一步。如：阿拉沟水库工程泄洪洞由导流洞改建而成，面对极其复杂的泄洪洞消能问题，原设计采用“小挑坎+水垫塘”方案，但通过水工模型试验发现其并不能满足泄洪消能要求，于是进行了在消能塘内加设辅助消能工方案的研究，最终选定了“二排消力墩+T型墩+消能塘”方案。

3.2 “龙抬头”式底孔泄洪洞

导流洞改建为泄洪洞的型式多种多样，主要有龙抬头式、突缩突扩式和旋流式，根据地形地质条件，也可有几种形式的相互组合。新疆目前已建、在建及拟建的高沥青混凝土心墙坝大多通过“龙抬头”的布置型式，而对于旋流式和突缩突扩式应用极少，如尼雅水利枢纽工程(最大坝高134.0m)、大石门水利枢纽工程(最大坝高128.8m)、吉尔格勒德水利枢纽工程(101.0m)等均采用龙抬头的方式将导流洞改建为泄洪洞。尼雅、大石门以及吉尔格勒德水利枢纽工程底孔泄洪冲沙洞龙抬头高度分别为29、27、24m，约为坝高的1/5左右。采用龙抬头型式将底孔泄洪排沙洞与导流洞结合的水利枢纽工程所在河流大都为多沙河流，且具有兼顾发电的任务。综合坝址区地形地质条件，将底孔冲砂泄洪洞与发电洞进口联合布置时，可有效防止泥沙淤堵发电引水洞和减少泥沙对水轮机的磨损，实现发电洞“门前清”。

改建后的泄洪洞进口段为有压流，然后通过明流斜洞将水输送至消能设施，最后平稳顺畅的排入下游河道。龙抬头式泄洪洞人为加大了水流落差，这使得洞内流速增大，极易产生空蚀现象，因此对洞内衬砌提出了更为严格的设计施工要求。实践证明，通过适当掺气可有效降低空蚀带来的危害，近期也有许多科研院在研究隧洞底部和边墙联合掺气的方式，期望解决更高落差下洞内的空蚀问题。改建的泄洪洞往往具有高水头大泄量的特点，现在最常用的是短压进水口+明流泄洪洞的布置型式，在进口处设置弧形工作闸门和滑动式平板检修闸门。

4 泄水建筑物设计关键问题与对策研究

4.1 表孔溢洪道与溢洪洞的选择

表孔溢洪道超泄能力强，适合修建于较坚固稳定的基岩上，如土基应布置在挖方上，还应进行地基处理；如基岩有断层，应根据地质勘查资料，采取合理的加固措施；如风化层过厚或挖方过多会引起山坡滑塌，可考虑采用表孔溢洪洞泄洪，减少坝坡开挖量。在同等条件下，若表孔溢洪道和表孔溢洪洞均有条件修建且不存在明显的制约因素时，优先考虑表孔溢洪道，但如果采用表孔溢洪道造成高陡边坡、坝坡开挖量大、工程投资较高时，则考虑使用表孔溢洪洞。新疆11座百米以上的高沥青混凝土心墙坝中，只有八木墩、八大石以及阿拉沟采用的是表孔溢洪道的形式，其余8座水库大坝均采用的是表孔溢洪洞。

大石门水利枢纽设计洪峰流量1359.0m3/s，校核洪峰流量1903.0m3/s，坝顶高程为2302.5m，右岸坡顶高程为2380m左右，左岸坡顶高程为2360m，坝顶以上仍有60～80m的山体。由于大坝两岸岸坡较陡且高差较大，表孔溢洪系统如采用表面明挖开敞式溢洪道的布置型式，则需要开挖高陡边坡，这样一来不但开挖量大大增加，存在高陡边坡问题，而且还不利于泄洪系统安全运行。因此，根据地形地质条件，采用表孔溢洪洞较为合适。

伯斯阿木水库坝址处河谷为“V”型，经左右坝肩地形地质条件、工程量及水库运行等多方面比选后，认为将导流、泄洪及引水建筑物布置在左岸更优。坝顶高程1487.5m，左岸坡顶高程1530.0m左右，坝顶以上坡高仍有40～50m，由于左岸坡度陡峭且坡高较大，若表孔采用明挖开敞式溢洪道的布置型式，则需开挖左岸陡峭岸坡，土石方开挖量较大且存在高边坡问题，不利于泄洪系统安全运行。因此，根据坝址区地形地质条件，表孔泄洪系统采用溢洪洞的布置型式。

4.2 底孔泄洪洞与龙抬头改建

底孔泄洪洞进水口高程较低，放水条件较好，给水库运行带来了极大的灵活性，可以提高水库的安全可靠度及利用效率。一般情况下，底孔泄洪洞承担着泄洪、排沙及灌溉等工程任务，俗称“一洞多用”。导流洞只是在水库施工期起到导流与度汛的作用，属于临时建筑，当水库建成后将会被废除，这样很不经济，所以近些年新疆已建、在建及拟键的水库大坝中，通过龙抬头式或斜井式进口与导流洞结合的形式将导流洞改建为泄洪洞，龙抬头泄洪洞因为能在很大程度上节约成本，抬高进水口高程，在国内外的大型水利工程中都有较广的应用。利用导流洞改建的泄洪洞除要遇到一般泄洪洞所具有的高水头、大流速问题以外，随着高坝泄洪落差不断增加，泄水建筑物内的流速不断增大，还有掺气减蚀设施布置困难，很容易在反弧末端及其下游发生空蚀破坏。而由于体型设计的不合理，致使局部区域压强太低，在流速过大的情况下，也会产生空蚀现象。

对龙抬头式泄洪洞应做好体形设计，其核心问题是如何防止空穴水流的产生，控制施工质量，限制不平整度，并选用适当的掺气减蚀措施。工程实践证明，最易产生空穴水流而导致建筑物空蚀破坏的部位多为进口段、渥奇曲线段和反弧段。为减免泄水建筑物内发生空蚀破坏的可能性，人们通过不断的研究发现，必要的掺气措施对由高速水流引起的空蚀空化破坏能起到有效的防护措施。尼雅水利枢纽工程导流兼泄洪冲沙洞设计时，合理的优化体型并采取了必要的掺气措施，在水工模型试验中发现，在很大程度上降低了空化空蚀对泄洪洞造成的危害，各工况均在消力池内形成完整水跃且跃后水流流态平顺[16]。

4.3 泄水建筑物出口消能问题

水工建筑物的消能设计是水利工程建设的关键，不仅决定了水工建筑的安全性和稳定性，而且也决定着整个水利系统工程的安全运行。泄水建筑消能包含溢洪道(洞)和导流兼泄洪冲沙洞的洞内消能以及出口消能，消能问题处理，往往代价巨大。泄水、供水两侧分开布置或单侧布置，都存在泄水时对下游引水建筑物和集鱼设施的干扰，尤其是大流量泄洪时应充分考虑下游河道的安全问题。新疆11座百米以上的高坝中，五一水库泄水建筑物出口消能问题是较为典型的工程之一。

新疆巴州的五一水库是迪那河上的控制性工程，由大坝、溢洪洞、导流兼泄洪冲沙洞、发电洞及供水管线等主要建筑物组成。泄水建筑物挑流消能方式对河床淘刷严重(经计算表孔溢洪洞挑流消能冲坑深度最大达38.9m)，而河谷狭窄，河道宽度仅30～50m，运行期势必造成河道两岸岸坡滑塌，堵塞河道，形成坝后堰塞湖，甚至造成右岸高陡山体(高度达200m以上)塌方，危及工程及下游城镇人民生命、财产安全。而底流消能尾部护坦高程接近河床，消能后流速较小，对河床冲刷及两岸岸坡稳定影响较小。因此，本工程泄水建筑物消能方式均采用底流消能方式。

通过溢洪洞水工模型试验发现，由于底流消能水跃跃前断面流速较大，而梯形墩又位于出口反弧段末端，这就造成下泄水流直接撞击梯型消力墩，消力池内水花飞溅，流态紊乱。在校核流量下，泄量进一步增大，池内水面翻滚，中后部水深偏大，最大涌浪高度25.4m。针对上述消能问题，在前期试验结果的基础上又进行了大量的消力池优化试验，通过改变尾坎高度、梯型消力墩位置及个数等方案做了大量研究。研究发现，对消力池尺寸及辅助消能工的修改，均不能达到理想的水流流态，但添加悬栅后，对梯型消力墩挑起的水流有明显的抑制作用且在可形成淹没水跃，经过消力墩后的水流流速明显降低，消能效果较为明显。这一消能方式的成功运用，对其他类似工程提供了宝贵的经验，如小石峡水电站导流兼泄洪冲沙洞为削弱水流波动，改善消力池内水流流态，布设了悬栅，工程实践证明消能效果显著。

4.4 高边坡问题

水利工程常修建于高山峡谷之中，两岸山坡陡峻，河床布置拦河坝，表孔溢洪道(洞)和底孔泄洪冲沙洞应根据左右坝肩地形地质条件、枢纽布置、工程量及工程投资等，综合比较选择合适的布置型式。通常在溢洪道(洞)和底孔泄洪冲沙洞的进出口处，易形成高陡边坡，有的几十米，有的上百米，如何妥善处理高陡边坡带来的安全隐患，成为当前研究的重点方向。新疆存在高陡边坡的工程实例很多，其中大石门水利枢纽工程是百米级沥青混凝土心墙坝中较为典型的一个。

大石门水利枢纽工程表孔溢洪洞和底流泄洪冲沙洞均布置在大坝的右岸，轴线一致，底流泄洪冲沙洞采用“龙抬头”的方式与导流洞连接。表孔溢洪洞进口边坡高度约83m，底孔泄洪排沙洞和发电洞联合进水口在施工开挖过程中形成了约145m的高边坡，高边坡处理不当，将会对整个枢纽工程造成巨大损失。进口岩性为下元古界蚀变辉绿岩、片岩，厚层状；出口边坡基岩岩性为侏逻系泥岩、砂岩夹煤层，薄层状。根据以往高边坡处理经验，一般情况下设计开挖边坡为1∶0.5，每10m设一马道，对高陡边坡采用挂网喷混凝土+系统锚杆+预应力锚索处理方案，并且在死水位以上的坡面上设排水孔，以降低基岩渗水压力对高边坡稳定的影响。