1　概述
　　爽岛水电站位于贺江支流东安江分支流的太平河下游苍梧县梨埠乡旺湾村附近。坝址处于“V”型峡谷，两岸山体宏厚，基岩出露，工程地质条件良好。坝址以上集雨面积588km²，总库容2.12×10⁸m³，工程规模为大(2)型水库，属二等工程，主要建筑物为2级建筑物，按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水核校。工程以发电为主，装机容量为2×6000kW。
　　该工程由双曲混凝土埋石拱坝、中孔滑雪道和坝后式厂房等建筑物组成。拱坝坝顶高程93m，拱底高程37m。最大坝高61m，是我区目前最高的双曲拱坝。坝顶中心线弧长151.5m，坝顶宽3m，坝底拱冠厚13m，拱端厚14.4m。拱坝泄洪方式采取中孔滑雪道泄洪，泄洪中孔共3孔，孔口中心线呈径向布置，孔口底部高程为70.5m，孔口为矩形喇叭口，其侧面、顶面为椭圆曲线，底面为圆弧曲线，孔口控制断面宽×高=6.0m×6.8m，闸门为弧形闸门，滑雪道斜坡段坡度i=0.5302,上端与泄洪孔口底面圆弧相切，反弧半径R=20m，挑流鼻坎顶高程50.3m，挑射角θ=25°，滑雪道总长度为54.43m，净宽由闸门尾部的33.4m逐渐缩小到18.0m直段，设计流量为2032m³/s。枢纽布置见图1。

(单位：m)

图1　枢纽布置示意图

　　该工程在初设阶段，曾委托广东省水利水电科学研究所进行整体水工模型试验，技施阶段则对初设阶段总体布置进行了较大的修改：将厂房位置由右岸移至左岸，中孔滑雪道由河床左岸移至河中，布置于厂房右边，厂房右边墙距出流鼻坎左边墙只有1m，增加110kV开关站布置于厂房上游，将主厂房向下游移到滑雪道鼻坎左侧下游13m处；将35kV开关站布置在厂房下游左岸山边，使回车场突入河床。
　　爽岛水电站于1991年6月28日下闸蓄水，并于1992年5月开始经历了几次低水头排洪，根据排洪观察，出坎水舌扩散直冲厂房边墙，直接危及厂房安全。为确保厂房等枢纽建筑物的安全，使工程发挥正常效益，建设单位于1992年7月委托广西水利科学研究所进行整体水工模型试验研究。

2　消能工研究
2.1　水工模型试验验证
　　试验采用局部动床的正态整体水工模型，模型的几何比尺为1∶66.67。
　　模型试验表明滑雪道消能工主要存在如下问题：
　　(1)　下泄水流在挑坎横断面上呈凹字型，两边水股较厚，中间水股较薄(边上水深是中间水深的1.6倍～4倍)，使得出坎水流单宽流量分布严重不匀，两边水股直冲右岸山体和左边基脚，对山体稳定和开关站安全构成严重威胁；
　　(2)　挑流水舌横向过于扩散，在右孔闸门开度比左孔大时，左边水股直冲厂房边墙及下游左岸护墙尤为明显，对厂房安全不利；
　　(3)　下泄水流消能不足，造成下游两岸边冲刷严重(正常运行水位90m，下泄设计流量2032m³/s时，左边冲坑最低点高程为18.9m，右边的为20.52m)。
2.2　消能工对比研究
　　由于拱坝、滑雪道、厂房等建筑物均已建成，不宜从整体布置上作大的改动，只能进行局部修改。因此，试验研究重点放在滑雪道上。
　　针对原布置消能工存在的主要问题，方案修改着重于既使挑流水舌偏离厂房边墙、左岸护墙及右岸山体，又能减轻河床冲刷深度。要达到这个目的，就必须使挑坎两边导墙内移，同时又不致于下游入水水体过于集中。因此，在挑坎缩窄同时，必须通过其它工程措施减轻下游河床的冲刷。由于滑雪道上水流流速一般都在20m/s～26m/s，考虑到空蚀破坏问题，不考虑布设辅助消能工，而采取其它措施使出坎水流均匀，并使挑流水舌在空中消除部分能量。
　　模型试验共比较了12个方案，包括边墙内移幅度比较、直立边墙和倒悬边墙及倒悬扭曲面边墙比较、差动坎方案(目的是减薄两边水股，使出流均匀并纵向拉开)、斜挑坎方案(使出流纵向拉开)、滑雪道上加龟背消力墩方案(在滑雪道内消除部分能量)、滑雪道拉长方案(避免出流水舌冲厂房边墙)、圆锥面贴角方案(使出坎水流均匀)以及这些方案的组合等。

3　修改措施及其消能机理、技术特点
3.1　修改措施
　　经过方案比较，确定了锥面帖角倒悬扭曲面消能工方案。见附图2。

(单位：m)

图2　锥面帖角倒悬扭曲面挑坎示意图

　　试验表明，锥面帖角倒悬扭曲面消能工方案工程量小，并能较好地解决原消能工存在的问题：在闸门控制渲泄两年一遇(Q=636m³/s)以下洪水时，出坎水流分布比原来均匀，水舌离厂房边墙间距较大，尽管因挑坎出口束窄，单宽流量有所增加，但下游最大冲深比原来增加不超过2m。当渲泄稍大的流量，出坎水深超过倒悬起点时，两边水股沿倒悬曲面向中间卷起，边上水股呈圆筒状，两边水流受锥体的作用部分被抛向中间，使出坎水流趋于均匀并纵向拉开，下游冲坑深点离开岸边偏向中间，且冲坑深度明显减小(正常运行水位90m，下泄设计流量2032m/s时，左岸冲坑最低点高程22.91m，冲坑深度比原来减少了4.0m；右岸冲坑最低点高程为25.94m，冲坑深度比原来减少了5.42m)。
3.2　消能机理
　　锥面帖角倒悬扭曲面挑坎利用锥面帖角倒悬扭曲面控制射流导向，水舌沿程扩散、碰撞、掺气良好，并在下游水垫中产生了三元水跃，能较大幅度地提高了下泄水流的综合消能率，达到良好的消能防冲效果。其消能机理可总结为：
　　(1)　利用锥面帖角倒悬扭曲面使两边水股在卷向中间时在空中和底层水股相撞，同时两边回卷的水股在入水前相互对撞，从而消杀了部分能量；
　　(2)　水舌经锥面帖角倒悬扭曲面形成的倒“B”形三维挑流水舌与空气接触面积大大增加，在空气中的紊动掺气扩散作用剧烈。射流大量掺气，使其体积膨胀，形成了许多不连续的破碎带，促使水流质点减速，气泡在随水流的运动中起到缓冲作用，并与水体进行局部动量交换，从而耗散了部分能量；
　　(3)　利用锥面帖角将两边较厚的水股摊薄并纵向拉开(边上挑角大，中间挑角小)，而且倒悬扭曲面将摊薄的水股导向中间，使水股入水面积增大(入水水股由原来的倒“［”形变成现在的倒“B”形)，并在下游水垫中产生了三元水跃。同时由于大量吸卷空气，水舌形成许多在空间不连续的破碎水体，使水舌散落范围大大增大，在与下游水垫的对撞中相应消除了更多的能量。加之两边回旋水股吸卷了大量空气带入水中，大量气泡在水垫中的紊动扩散，既起到缓冲作用又促进了水流的紊动和相对运动，达到进一步消能的目的。
3.3　技术特点
　　传统的连续鼻坎(或差动鼻坎)挑流消能工主要是把高速水流挑向下游较远的河中，大部分动能在水垫内消散。而适用于狭窄河谷的窄逢式鼻坎主要是使水流纵向拉开，水股厚而窄，使射流在空气中纵向获得充分的扩散，使射流在空气中消散的能量趋于最大。当下游河道宽阔，而泄水建筑物的出口较窄时所常用扩散式鼻坎或扩散式扭曲鼻坎，主要是使挑出的射流水股在空气中横向充分掺气扩散，使其在入水前尽可能多消耗动能。而爽岛水电站滑雪道所采用的，则是使传统挑坎具有在空中三维充分掺气扩散、在同一挑坎使水股空中回转产生碰撞而在入水前消除更多的能量。兹把这几种挑坎的消能情况比较如下：

表1　几种挑流鼻坎消能方式的比较

4　原型观测
　　爽岛水电站中孔泄洪滑雪道按照水工模型试验提出的消能工修改方案，1993年11月开始挑坎改建，1994年1月完工，主要工程量为：混凝土198m³，钢筋11t，清堆积石渣1000m³，改建费用共计23.6万元。
　　1994年7月8日，根据广西水利学会的咨询意见由广西水利科学研究所现场指导进行了现场泄洪试验，结论主要为：
　　(1)　试验实放最大流量为1247m³/s(调洪计算后实为1323m³/s)。下泄流量由小到大，当流量大于350m³/s时，左边水舌部分水花呈间断性拍打厂房边墙。当水深超过倒悬起点后(边上水深大于3.0m)，水舌向中间卷起成圆筒状。流量加大拍打厂房边墙的水花没有继续增多，即使流量加大，也不至于对厂房边墙造成破坏。这与水工模型试验的结果吻合；
　　(2)　挑流水舌呈松散状，水舌最大挑距为52m～58m(流量648m³/s～1323m³/s)，模型试验为60m～70m(流量636m³/s～1550m³/s），相同流量现场挑距一般比模型的少8m左右，这主要是现场中水股在空气中的紊动气扩散作用更为剧烈，空气中的消能率比模型试验中的大得多；
　　(3)　下游冲坑横向呈左深右浅状，左边最深点高程为32.12m。冲坑形状与模型试验的相似，但冲坑深度明显减小(如模型试验在1120m³/s流量时，冲坑左边最深点高程为28.28m)，这主是由于实际在空气中的消能率比模型试验的大得多造成的结果，但与冲刷历时较短有一定的关系。
　　对于本次现场泄洪试验，《爽岛电站现场泄洪试验会议纪要》认为：“试验获得完满成功。达到了阶段性的工程验收效果。也验证了厂房和大坝的安全，特别是对厂房没有大的影响。现试验泄洪达到1247m³/s，泄洪流态与广西水科所1992年12月的水工整体模型试验基本上是吻合的，根据流态如继续加大泄洪量，达到设计泄流能力是可能的，鉴于下游左岸护坡被洪水冲毁情况，因此试验泄洪到此为止。”
　　1994年7月23日水库来大洪水，溢洪道再次经历了大流量排洪的考验，库水位达到89.41m，最大排洪流量达1500m³/s(右孔开度为5.5m，中右孔开度为6.0m，左孔开度为6.2m，从上午10时至12时历时两个小时)，接近十年一遇流量1550m³/s，1995年2月实测冲坑最深点高程也只有31.38m(模型试验在Q=1550m³/s时冲坑最深点高程为25.33m)，其它状况也与1994年7月8日现场泄洪试验相符。
　　通过原型观测，证明了现场泄洪流态与模型试验基本上吻合，锥面帖角倒悬扭曲面鼻坎的实际应用效果良好。

参考文献
　1 华东水利学院主编.水工设计手册6.北京：水利电力出版社.1986：341～363.