复式挑流鼻坎在公伯峡水电站中的应用

电力18讯：    摘　要：通过复式挑流鼻坎在公伯峡水电站整体水工模型试验中的应用情况，说明复式挑流鼻坎对减小岸边冲刷深度和降低下游淤积高程具有良好的效果。

　　挑流消能的关键是挑坎体型的选择，挑坎的基本原理是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，使射流在预定位置进入下游水垫。由于在挑射过程中消杀大量能量，可避免下游发生严重的局部冲刷。随着坝工建设的蓬勃发展，各具特色的挑坎形式陆续产生，并被工程采用。其中连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎和窄缝坎等6种挑坎形式应用较广［1］。
　　连续坎，尽管结构简单，不易发生空蚀破坏，但挑流时水股密实集中，高水头大流量时下游冲刷较深；差动坎，水流挑射时水股上下错开，加强在空中的扩散作用，故可减轻下游的局部冲刷，但齿坎的棱线和侧面易受空蚀破坏，为此，有些工程采用梯形齿坎，其抗空蚀破坏能力有所提高；斜挑坎，其特点是坎顶与水流方向斜交，挑出的水股不与坎顶正交，适用于宽度较小的岸边泄洪建筑物，目的是使射流的入水位置满足预期要求；扭曲坎，在斜挑坎的基础上，对长边墙一侧的槽底设置超高或贴角，使水流在挑射过程中转向变形，以便顺着水流方向散开，适用于峡谷高坝泄水孔和岸边泄洪建筑物；高低坎，此坎常用于混凝土坝的表、中、底孔，主要利用坎的设置高差，当各坎水流挑射时，在空中相互碰撞而消杀大量能量；窄缝坎，基于挑射水流在空气中获得充分的竖向和纵向扩散，不仅局部冲刷大为减轻，同时能满足峡谷高岸坡稳定要求，鉴于此坎很有发展前途，其体型优化尚在进一步研究之中。




　　对上述6种鼻坎，当下游河道较宽且几个泄水建筑物相距较近时，均难取得好的消能效果。而复式挑流鼻坎（即在普通挑流鼻坎的边墙上加一压板）不仅能使水流纵向扩散，而且能使水流平面扩散并分为2层，因而取得了良好的消能效果。
　　复式挑流鼻坎，过去曾在个别工程试验中进行过研究，但相关的试验资料很少报道。本文通过复式挑流鼻坎在公伯峡水电站整体水工模型试验中的应用情况，说明复式挑流鼻坎对减小岸边冲刷深度具有良好的效果。


1　工程概况
　　公伯峡水电站正常蓄水位2005．0 m，最大坝高139．0 m，总库容620 Mm3，装机容量1500MW，工程规模属一等大（Ⅰ）型。
　　枢纽由大坝、引水发电系统及泄水建筑物3大部分组成（见图1）。坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2 010．0 m。引水发电系统布置于右岸，泄水建筑物分3层布置：左岸2孔12 m×18 m表孔溢洪道，1孔7．5 m×6 m的左岸泄洪洞；右岸结合导流洞的1孔7 m×10 m龙抬头右岸泄洪洞。
　　坝址区两岸坡陡且不对称，左岸高，右岸低，河道基本平直，流向为NW50°，平水期水位为1 900．0 m，水面宽40～60 m，水深约为12～18 m，河床覆盖层厚度为1．1～3．4 m，泄水建筑物出口及下游冲刷地段为下古生代花岗岩，中细粒结构，块状构造，岩石比重2．68 t／m3，湿抗压强度23．55MPa，出口冲刷区无较大断裂带通过。







2　＜＇2001方案＞体型修改与优化思路　　
　　对公伯峡水电站各泄水建筑物的布置、体型及挑流消能方式曾进行了大量设计和试验研究工作，并对发包设计阶段整体水工模型试验（即＜＇2000方案＞）进行专家评审，提出了修改意见。
　　根据以往的试验成果①、下游河道的特点及泄洪消能存在的主要问题，确定扩散与导向型鼻坎为消能工修改的主导方向。另外，对溢洪道右槽鼻坎，仅仅靠扩散与导向还不够，必须给鼻坎左边墙出口段加一压板，即采用复式挑流鼻坎才能有效地调整水舌形态，消除右岸的回流，为了达到降低下游河道冲淤之目的，先后进行了20多种方案的比较试验。最后得出的优化方案（即＜＇2001方案＞或复式挑流鼻坎方案②）大大地降低了河道的冲淤高度，降低了下游泄洪后电站尾水位的壅高，满足了枢纽不同工况的泄流要求。
2．1　溢洪道左槽
　　溢洪道左槽出口与下游河道交角较小，且河面较宽，因此，其鼻坎体型只能是平面扩散型。为了使溢洪道左槽水流对下游河道的冲刷较小，要求左槽水舌尽量扩散，另一方面，为了减小水舌对下游河道左岸的冲刷并为了在与右泄洪洞联合运行时，减小右泄洪洞对下游黄河大桥左岸的冲刷，水舌又不能扩散太多，为此，试验中主要是修改鼻坎末端的反弧半径及挑角，同时，为合理调整下游冲淤形态及节省工程投资，对鼻坎末端分别上移（缩短）10 m、20 m进行了试验，最后发现鼻坎末端上移10 m时，下游冲淤形态较好，优化后的鼻坎体型见图2b。　　






　
2．2　溢洪道右槽
　　由于左岸受左槽出口的限制，溢洪道右槽只能采用向右导向的纵横向扩散鼻坎。另外，为了消除下游河道右岸回流，减小水流对右岸的冲刷，在纵横向扩散鼻坎的左边墙顶上加一压板，可基本消除右岸的回流。试验中，主要修改了鼻坎的挑角，导向角及鼻坎出口底