李 偉

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

新疆玉龍喀什水利樞紐工程是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，通過(guò)與烏魯瓦提水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，以調(diào)控生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用，為Ⅱ等大(2)型工程。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，正常蓄水位2 170.00 m，設(shè)計(jì)洪水位2 170.21 m，校核洪水位2 171.55 m，最大壩高233.5 m，目前在同類(lèi)型工程中排名世界第三，受壩高因素控制，水庫(kù)消落深度較大，結(jié)合工程區(qū)地形地質(zhì)條件，泄水建筑物具有含沙量大、水頭高、河谷狹窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低的特點(diǎn)。

工程位于高山峽谷區(qū)，河谷兩岸山體雄厚，1#深孔布置在河床左岸，出口消能段位于大壩下游河彎處，距離上游已建交通橋約60 m，與現(xiàn)代河床形成約20°夾角，該處河槽呈“V”型，河槽下切劇烈，槽底寬15 m～25 m，河槽深約30 m～45 m，自然邊坡50°～65°，河槽右岸岸坡為順向坡，岸坡穩(wěn)定問(wèn)題較為突出，已建交通橋左岸橋基位于深厚膠結(jié)砂礫石地層上，抗沖能力低。因河槽狹窄陡峻，底流消能勢(shì)必造成高邊坡和投資高的問(wèn)題，已不適用本工程，因此采用挑流消能，而該地形地質(zhì)條件在我國(guó)也較為罕見(jiàn)[1-5]，綜合以上因素，研究怎么減小泄洪淘刷和霧化對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響，沖刷坑深度對(duì)已建交通橋的安全影響，是1#深孔出口消能的關(guān)鍵和重點(diǎn)。

1 研究方法

針對(duì)1#深孔窄深河槽出口消能工體型的問(wèn)題，我國(guó)專(zhuān)家也有非常深的研究，有較多成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒。如查雙全等[6]在曼轉(zhuǎn)河水利樞紐工程中應(yīng)用高低坎體型控制挑射水流落點(diǎn)，減輕對(duì)岸山體的沖刷；池明陽(yáng)等[7]利用多面體消能工+異型挑坎的體型，解決了枕頭壩江溝泄洪洞出口挑流歸槽問(wèn)題；譚哲武等[8]開(kāi)展了窄縫燕尾式組合挑坎工的研究，認(rèn)為該體型對(duì)減弱下游河床覆蓋層沖刷具備良好效果；邱勇等[9]采用斜鼻坎體型優(yōu)化了黑石羅水電站泄洪洞出口消能工，水舌在平面上轉(zhuǎn)向且沿豎向大幅拉開(kāi)，大幅降低挑射水流對(duì)下游的沖刷；徐敏[10]研究表明燕尾坎對(duì)射流軸線(xiàn)與主河槽中心線(xiàn)交角相對(duì)不大的情況具有較好的適應(yīng)性。然而對(duì)于窄河谷、淺水墊的工程，不僅要考慮射流對(duì)沖擊岸坡影響，還要考慮減輕河道的沖刷以防止破壞護(hù)岸，消能工布置難度極大。奉紫岑等[11]基于某水利工程的物理模型，解決了必須在河道彎曲部位布置底流消能工的技術(shù)難題。明福林等[12]認(rèn)為一些景點(diǎn)中的小型水庫(kù)泄洪建筑物應(yīng)兼顧美觀，將泄水作為景觀。肖興斌[13]采用表孔、底孔、消力池聯(lián)合消能，戽流消能、挑流消能、空中碰撞消能等消能方式，解決了高壩中大流量的泄水建筑物消能問(wèn)題。謝德瑞[14]介紹了山仔水利樞紐工程與其下游消能關(guān)系，并進(jìn)行樞紐整體模型試驗(yàn)研究和方案比較，選定合理的樞紐布置方案。楊家修等[15]通過(guò)云南如美水利樞紐中的整體泄水建筑物出口模型試驗(yàn)，采用多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明這種大交角挑流式消能的水墊塘下游加設(shè)二道壩，將會(huì)惡化出流與下游河道的銜接，其消能的效果與河谷寬度、下泄流量及二道壩高度等因素密切相關(guān)。

為驗(yàn)證1#深孔出口消能工水力特性及消能防沖設(shè)計(jì)的合理性，以及對(duì)岸坡穩(wěn)定和上游交通橋基礎(chǔ)的影響，在前人研究的窄深河槽消能體型的成果和基礎(chǔ)上，展開(kāi)模型試驗(yàn)研究。

2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

2.1 1#深孔設(shè)計(jì)方案

1#深孔由進(jìn)口引渠段、有壓洞身段、進(jìn)口閘井段、無(wú)壓洞身段、出口挑坎段組成(見(jiàn)圖1)。其中有壓洞長(zhǎng)100.8 m，洞徑7.0 m；閘井段長(zhǎng)31.5 m，布設(shè)一道事故門(mén)和一道弧形工作門(mén)；無(wú)壓洞身段長(zhǎng)1 024.9 m，城門(mén)洞型b×h=6 m×6 m；出口挑坎采用正鼻坎，長(zhǎng)16 m，底寬6 m，半徑40 m，挑角17.784°，坎頂高程1 987.84 m，下游河床高程1 962.00 m左右，泄洪時(shí)上游水位2 080.00 m，下游水位1 966.63 m，最大泄量401.83 m3/s，單寬流量66.97 m3/s，最大流速22.37 m，最大挑距104.66 m，最大沖坑深度45.81 m，沖坑后坡比1.0∶7.2。

圖1 1#深孔平面布置及挑坎體型圖

模型按照重力相似準(zhǔn)則建立1∶50模型集合比尺進(jìn)行試驗(yàn)，其它水利參數(shù)見(jiàn)表1。河床按松散顆粒允許流速為相似條件模擬動(dòng)床。為研究最不利沖刷情況，動(dòng)床試驗(yàn)以最不利工況進(jìn)行對(duì)比分析。每個(gè)工況在上下游水位穩(wěn)定后，當(dāng)沖淤形態(tài)不再發(fā)展變化時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間約6 h。

表1 水力參數(shù)比尺

2.2 1#深孔原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

1#深孔進(jìn)口及洞身段試驗(yàn)數(shù)據(jù)在此不再贅述，重點(diǎn)描述出口挑流消能試驗(yàn)。原方案出口水舌挑距70.8 m、入水寬度13.0 m，下游沖坑區(qū)域長(zhǎng)約110 m，沖刷坑深18.46 m，局部單位水體消能率較高達(dá)14 kW/m3～17 kW/m3，與小灣、溪洛渡、二灘等采用水墊塘消能的高壩工程相當(dāng)，沖坑上游坡比約1.0∶2.6，下游坡比約1.0∶3.0。近右岸流速5.1 m/s～5.8 m/s，近左岸流速3.0 m/s～4.3 m/s。挑流水流流態(tài)和下游沖刷坑地形如圖2所示。

由圖2可看出沖坑上游淤積不明顯，對(duì)電站尾水位影響不大。但水舌入水較為集中，水舌落點(diǎn)偏于右岸，水流消能不充分，右岸水流沖擊和爬坡問(wèn)題也較為嚴(yán)重，岸坡淘刷帶來(lái)的穩(wěn)定問(wèn)題較為突出，需對(duì)挑坎體型進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，以適應(yīng)窄深河槽的不利地形條件。

(a) 水流形態(tài) (b) 沖坑

3 優(yōu)化體型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 挑坎體型初步優(yōu)化

由于左岸高陡邊坡地形條件限制，1#深孔軸線(xiàn)不具備左移的條件，因此，重點(diǎn)研究挑坎體型的優(yōu)化，為減小對(duì)右岸岸坡的影響，將挑坎左、右側(cè)邊墻調(diào)整為半徑198 m、100 m的圓弧，使左側(cè)邊墻向右偏轉(zhuǎn)3.48°，挑角12.61°，挑坎頂高程1 986.56 m。右側(cè)邊墻向左偏轉(zhuǎn)9.21°，挑角26.82°，挑坎頂高程1 988.9 m。如圖3所示。

(a) 初優(yōu)體型 (b) 初優(yōu)水流形態(tài)

初步優(yōu)化挑坎體型，水舌挑距71.5 m，入水寬度15.5 m，水舌落點(diǎn)較原方案向左偏移約15 m，落點(diǎn)右邊緣位于河道中部，但落點(diǎn)左邊緣已至左岸邊坡。盡管采用切斜、左右不同挑角等措施，但水流出射后并沒(méi)有形成縱向拉開(kāi)，水流挑至高點(diǎn)后橫向擴(kuò)散，因此，從平面上看，表面主流仍然略偏于右岸，主流軸線(xiàn)并沒(méi)有得到有效偏轉(zhuǎn)，河道流速仍然右岸高、左岸低，水舌落點(diǎn)下游100 m范圍內(nèi)近右岸流速4.9 m/s～5.4 m/s，近左岸流速4.1 m/s～4.8 m/s。沖坑最低處高程1 944.74 m，較原方案提高1.2 m，優(yōu)化效果不顯著。

3.2 挑坎體型進(jìn)一步優(yōu)化

由于河道狹窄，偏轉(zhuǎn)挑坎直墻角度很難兼顧左、右岸。為使射流歸槽，并減輕水流對(duì)河床的沖刷，需要減小入水單寬流量，但此處不宜采用橫向擴(kuò)散體型，容易導(dǎo)致水流沖擊兩岸山坡。因此擬采用窄縫體型束窄水流，以使水流從最高點(diǎn)下落至水面過(guò)程中自然橫向擴(kuò)散。在初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從上游洞身約7 m處開(kāi)始左右兩側(cè)邊墻采用不對(duì)稱(chēng)收縮，左側(cè)末端收縮0.75 m、收縮坡度2.4%，右側(cè)末端收縮1.75 m、收縮坡度5.6%。如圖4所示。

(a) 進(jìn)一步優(yōu)化挑流體型 (b) 進(jìn)一步優(yōu)化后水流形態(tài)

通過(guò)優(yōu)化，水流呈舌狀分布入水，縱向和橫向都形成了一定擴(kuò)散，水舌左右兩側(cè)挑距69.2 m、中部挑距73.8 m，水舌入水寬度17.0 m，單寬流量較原方案減小約30%，且左、右邊緣均未沖擊左、右岸邊坡。河道左右岸流速分布較原方案明顯提升，河道流速整體下降，水舌落點(diǎn)下游100 m范圍內(nèi)近右岸流速4.5 m/s～5.0 m/s，近左岸流速3.8 m/s～4.5 m/s。沖坑區(qū)域最低處高程1 949.44 m，較原設(shè)計(jì)方案提高4.9 m。優(yōu)化效果相對(duì)較好，但水舌仍相對(duì)集中，未順河道縱向大幅拉開(kāi)，還有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

3.3 挑坎體型最終優(yōu)化

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)方案優(yōu)化可看出，利用河槽橫向空間消能的限制較大，欲進(jìn)一步提升消能效果、減輕河道沖刷，需充分利用河道的縱向空間，因此，消能工優(yōu)化目標(biāo)是水舌縱向拉伸、橫向收縮。因河槽狹窄難以采用大扭轉(zhuǎn)挑坎方案縱向拉伸水舌，最終修改方案考慮采用"左挑右俯、分層出流、縱向拉伸"的挑坎體型，從樁號(hào)1+008.882處通過(guò)鯊魚(yú)翅分流墩分流，左側(cè)挑射流量與右側(cè)俯射流量比例2∶1。右側(cè)俯射部分“沿程橫向擴(kuò)散、末端折角收縮”，出射俯角10°。左側(cè)挑射部分左邊墻平直，右邊墻向左偏轉(zhuǎn)9°，右邊墻尾部增加一倒梯形貼塊，以進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)水流；底板左側(cè)出射角8.78°、右側(cè)出射角40.55°。如圖5所示。

圖5 1#深孔最終優(yōu)化挑流體型

最終優(yōu)化方案水流流態(tài)和下游沖刷坑地形如圖7所示，挑射流和俯射流分為上下2層，左側(cè)挑射流挑距55.5 m～78.5 m，縱向拉伸23 m；俯射流挑距19.5 m～54.5 m，縱向拉伸35 m。兩股水流在空中未碰撞，水流均未沖擊左右岸坡，且入水水流軸線(xiàn)基本與河道走向一致，其中俯射流泄量較小，水舌薄，入水寬度3.2 m，落點(diǎn)相對(duì)更偏于左岸；挑射流泄量較大，起挑后部分水流仍橫向擴(kuò)散，落點(diǎn)橫向占寬相對(duì)較大，入水寬度16.3 m。水流歸槽且縱向大幅拉伸后，河道流速分布均勻性進(jìn)一步提升，水舌落點(diǎn)下游100 m范圍內(nèi)近右岸沿程流速為3.8 m/s～4.4 m/s，近左岸沿程流速為3.5 m/s～4.1 m/s。俯射流落點(diǎn)區(qū)域沖坑范圍較大、深度較淺，挑射流落點(diǎn)區(qū)域沖坑范圍較小、深度較深，最低底高程1 952.14 m，較原方案前抬升8.6 m，“左挑右俯、分層出流、縱向拉伸”的異型挑坎體型效果較為顯著。與原設(shè)計(jì)水舌挑距和沖刷坑深度對(duì)比見(jiàn)表2。

(a) 最終優(yōu)化后水流形態(tài) (b) 最終優(yōu)化后沖坑

表2 挑流鼻坎原設(shè)計(jì)和優(yōu)化后水舌挑距和沖刷坑深度對(duì)比

3.4 最終挑坎體型霧化影響

根據(jù)最終的挑坎體型開(kāi)展了霧化物模試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)1#深孔泄洪時(shí)出口會(huì)產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，霧化范圍及強(qiáng)度影響等值線(xiàn)如圖7所示，因出口水舌基本無(wú)碰撞，霧源主要是水舌空中擴(kuò)散以及水舌入水噴濺。受窄深河槽的限制，影響泄洪霧化的范圍和強(qiáng)度的因素十分復(fù)雜。根據(jù)泄洪霧化原觀資料分析，參照自然降雨中暴雨的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和地質(zhì)災(zāi)害氣象等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合霧化降雨特點(diǎn)，對(duì)泄洪霧化降雨進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 泄洪霧化降雨影響的等級(jí)劃分

1#深孔泄洪時(shí)大雨區(qū)(Ⅲ級(jí))縱向范圍距出口約80 m，橫向擴(kuò)散至左岸約1 992 m高程，向右擴(kuò)散區(qū)域處于河道內(nèi)；小雨區(qū)(Ⅱ級(jí))縱向范圍距出口約120 m，橫向擴(kuò)散至左岸約1 996 m高程，擴(kuò)散至右岸約1 992 m高程，1#深孔泄流霧化等值線(xiàn)圖見(jiàn)圖7。根據(jù)霧化試驗(yàn)成果，下游霧化會(huì)對(duì)岸坡穩(wěn)定、交通有一定的影響，但霧化影響不嚴(yán)重，霧化問(wèn)題不突出。為避免霧化對(duì)下游岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生破壞，對(duì)下游左右岸岸坡采用噴錨支護(hù)處理。

圖7 泄洪霧化范圍及強(qiáng)度影響等值線(xiàn)

4 結(jié) 論

1#深孔從水頭、流量、單寬流量等指標(biāo)上來(lái)看并不突出，但其特殊性在于下游河道十分狹窄，水面寬僅25 m左右，橫向擴(kuò)散空間受限；射流軸線(xiàn)與下游河道軸線(xiàn)夾角約20°，水流縱向難以拉開(kāi)；從原設(shè)計(jì)消能效果來(lái)看，下游河道水墊深度僅約7 m，河道底部及兩岸邊坡面臨較嚴(yán)重沖擊與淘刷，而采用常規(guī)大夾角挑流消能的有效空間嚴(yán)重不足，因此通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化挑坎體型，以解決工程面臨和存在的問(wèn)題十分必要。最終優(yōu)化的挑坎體型，適宜了工程的條件，從下游水流流態(tài)、沖刷坑深度、霧化影響范圍來(lái)看，均得到了有效控制，采取較小的工程措施即可有效解決岸坡穩(wěn)定帶來(lái)的安全問(wèn)題。但該異型挑坎體型給工程的實(shí)施也帶來(lái)了一定的難度，受分層出流高差的影響，挑坎基礎(chǔ)開(kāi)挖處理較為困難。

總體來(lái)說(shuō)，囿于特殊的地形條件和窄深河槽條件限制，采用特殊的異型挑坎是可取的，其“左挑右俯、分層出流、縱向拉伸”的挑坎體型對(duì)同類(lèi)型的工程有一定借鑒作用。