泄水建筑物各阶段的设计，紧密结合水工模型试验。可行性研究和初步设计阶段的试验，由湖南省水电设计院科研所完成。在20世纪80年代试验的基础上，进行了中、表孔和中孔半整体模型试验（中孔进口底高程190m方案）、整体模型试验、中孔模型试验、施工导流试验、施工度汛试验和导流洞改建为放空隧洞试验。招标和技施设计阶段，水工试验由长江科学院水工所完成，先后进行了中孔模型掺气试验、减压试验（进口底高程180m方案）和整体模型试验。

图5-6　大坝及溢洪道平面布置图（单位：cm）

（一）溢流表孔

4个溢流表孔布置在河床中央的5号、6号、7号坝段，孔口净宽14.0m，堰型采用WES曲线：Y=0.0515X 1.85，堰体上游部分采用圆弧曲线与上游坝面相接，堰面曲线以下接坡比为1∶0.8的下游坝面，并分别以反弧形式与坝面直线段相切，通过高、低坎挑流将水舌抛入下游河床（见图5-7）。

图5-7　高、低坎标准剖面图

1.高、低坎设计

高、低坎设计主要考虑以下原则：

1）高、低坎的堰顶设在同一高程上（224.0m），使高、低坎上的单宽流量和能量分配大体一致，以利加大碰撞消能的效果。

2）低坎出口高程略高于下游最高洪水位，以便形成自由挑流。根据江垭的具体情况，低坎设在150.0m高程上。

3）根据经验，高坎位置设在正常蓄水位至低坎高差的1/2处，据此，高坎顶部高程取191.2m。

4）为使低坎水舌挑得最远，宜选用最优挑角。根据多方面经验，设计初选低坎挑角30°。

5）为使碰撞消能效果最佳，高坎水舌应落在低坎水舌最高挑射点的前方。为此，高、低坎之间水平距离与高、低坎的高差比约为1.0左右；同时，高坎的出射角一般应在0°～20°之间，设计初选高坎挑角为15°。

6）一般来说，不允许高坎单独运行。为防万一，要求高坎水舌形成的冲坑起点距低坎应不小于30m，并在低坎以下设短护坦保护坝脚，设计取护坦长20m。

7）根据对国内50多个工程的统计分析，得到反弧半径与鼻坎上的弗劳德数Fr以及坎上水深h的经验关系，R/h=0.2264Fr+0.2959Fr2-0.0097Fr3，该工程高、低坎的反弧半径分别取为20m和26m。

根据以上原则设计之后，取高坎挑角为15°～20°，低坎挑角取30°～35°，组成9个不同高、低坎组合，在半整体模型上进行了试验，最终选定高坎挑角为15°，低坎挑角为35°。碰撞点出现在低坎下游30～36m处，碰撞点高程为170～171m，碰撞角为50°～55°。以上成果与设计计算大体一致。入水前的总能量损失，经验估算约为50%～55%。

2.边导墙形式的确定

溢洪道的边墩厚4m，长31.0m。接边墩之后为边导墙，厚度亦为4m，从0+53.74m处开始，以6°角向内收缩，至低挑坎未端，两边导墙间的总宽度为70m。

经整体模型试验发现，沿两边导墙出射的水舌扩散较宽，部分水舌直接跌落在两岸坡上。为此进行了试验修改，确定两边导墙从0+53.74m处开始改为8°角向内侧收缩，至挑坎处两边导墙间距净宽为61.5m。

3.溢流面的掺气减蚀措施

常压试验时，曾在各种不同库水位和泄流量下观测坝面压力，发现溢流曲面头部有轻微负压（设计流量时为-0.83×9.81kPa，校核流量时为-1.33×9.81kPa）。溢流坝面的直线段上，一般为（1～3）×9.81kPa的正压，但气穴指数不大。考虑到库水位到低坎之间的高差超过90m，流速达30～40m/s，为安全计，对两边表孔在高程190m处各设置了1个掺气槽（见图5-8），并在整体模型上进行了试验。观测表明，坝面掺气的效果良好。

图5-8　坝面掺气槽图（单位：m）

（二）中孔

1.进口底高程为190m方案（初设阶段）

在3个各宽7.5m的表孔闸墩内分别设置5m×7m（宽×高）的中孔，孔口中心线与闸墩中心线重合。进口设检修和工作平板门各1道。进口顶曲线为X 2/82+Y 2/22=1，经直线段与曲线Y=0.0111（X-8.619）2+27相接，出口为1∶5的压坡段。中孔底部由R=1.0m的圆弧经直线段与抛物线Y=0.101（X-8.619）2+34相接，下接表孔低挑坎。进口侧曲线为X 2/22+Y 2=1。该方案经试验修改，进口段与出口段的负压基本消除，气穴数均在0.2以上，能保证安全泄洪。惟库水位为210.6m时，3孔总泄流量为1607.9m3/s，不满足下泄1700m3/s的要求。初设审查时，为加大泄流量，同时企图以中孔替代由导流底孔改建的龙抬头放空底孔，因而确定将进口底高程降到180m。

2.进口底高程为180m方案（招标与技设阶段）

进口形式完全同190m高程方案，唯进口只设1道平板检修门。全洞用钢衬，出口设弧门控制泄洪。出口断面为5m×5.81m，收缩比0.83。出口洞顶曲线为Y=0.0167（X-24.79）2+37（AB段）和Y=0.0425（X-32.072）2+38.459（BC段）。底曲线为Y=0.0157（X-24.79）2+44（DE段），下接低坎反弧段。

经试验，泄流能力满足设计要求，洞身为正压，体型基本可行，但明流槽底部的负压较大。为此，将泄洪洞出口底曲线由1根抛物线改为3根圆滑连接的抛物线（见图5-9）。

图5-9　中孔（单位：高程为m；尺寸为cm）(www.daowen.com)

修改后的出口段体型曲线如下：

顶曲线：

Y=0.0167（X-24.79）2+37（AB段）

Y=0.0425（X-32.072）2+38.49（BC段）

底曲线：

Y=0.0157（X-24.79）2+44（DK段）

出口底曲线：

Y=0.06236（X-42.106）2+50.734（KP段）

坝坡段：

Y=0.0157（X-24.79）2+44（PE段）

常压试验时发现出口以后的泄槽底部存在负压，气穴数δ=0.09，存在发生空化水流的危险。为此，在泄槽底部的172.71m高程处设置了掺气槽。

曾比较了坎高为0.3m、0.2m和0m 3种坎槽形式。掺气槽的设置固属使槽底部的负压置于空腔范围内，免除了气蚀破坏的危险，但从掺气槽前的小坎上抛射下来的水舌直接跌落在低坎的反弧面上。小坎越高，水舌在反弧面上形成的冲击力越大。为此，选用了跌坎式掺气槽，即小坎高=0的方案。这时，水舌跌落部位前移，冲击力和脉动压力均方根值均有所减小，但水舌冲击反弧段和流态比较混乱的问题未能根本解决。

在常压试验的基础上，对中孔可能发生空化的部位（6处）设置了BV—1水听器，测试水下噪声信息。结果表明，各部的声级差ΔSPL值在6～10dB之间，空化量在0.7～1.0之间（最小为0.915），有产生初生阶段空化的可能，但上述量级的变化，在240.85～210.6m运行库水位内，对一般水工混凝土不会产生气蚀破坏，因此中孔的体型就空化而言基本可行，是安全的。

（三）挑流冲刷

根据SDJ341—89《溢洪道设计规范》，江垭工程的消能防冲标准按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。根据一些工程的类比，岩石的抗冲流速定为8m/s。

按冲坑处的最大冲刷水深T=1.35q0.5H 0.25估算（式中q为入水单宽流量m2/s，H 为上、下游水头差 m），P=0.02%时，河床（平均高程125.0m）最大冲深27.57m，挑距约为134m，其冲坑上游坡比为1∶4.8，缓于规范要求的1∶3.0，故大坝是安全的。

在可行性研究和初步设计阶段，分别在不同比例尺的整体模型上做了动床冲刷试验，获得了与设计计算大体一致的成果（见表5-25，其中以Lr=90时模拟粒径d=1.43cm为代表）。

表5-25　动床试验成果表

注　1.当碎石粒径为1.43cm时，连续放水冲刷，未移走下游堆丘。
2.当碎石粒径为0.77cm时，冲刷2h后移去一半高度的堆丘，再冲2h。

由表5-25可见，冲刷最深点距低坎68～117m，冲坑上游坡比分别为1∶4.89和1∶4.52，缓于安全坡比1∶3，不会危及大坝的安全。

试验同时表明，挑流冲刷所形成的堆丘虽延伸较长（355～580m），但水电站尾水渠里淤积甚少。为了防止大洪水（500年一遇）将砂石带入尾水渠，在尾渠前设置了1道丁坝，起导砂和防砂作用，效果良好。施工期又对尾水隧洞出口轴线走向做了调整，使尾水渠大体上平行右岸坡布置，尾水渠靠河床一侧的边墙同时可起防砂导砂作用，因而取消了丁坝。这样，行洪更为顺畅，尾水渠更无淤砂之虞，工程量也有所减少。

1994年，在世界银行江垭大坝安全评审会期间，有专家根据在坝轴线附近两岸补打的2个钻孔取芯和平硐调查，认为岩块粒径约为30～50cm，因而提出岩石冲刷的模拟粒径应按几何缩小，即取d=3～5mm。按这一意见，反算岩石抗冲流速仅3m/s左右，这和江垭的实际以及国内的经验不符。为了回复世界银行专家的意见，进行了以下几方面的工作：

1）冲刷区地质调查。冲坑位于岩组处，风化浅，完整性好，弹模为18～25GPa，声波值大于4200m/s，钻孔取芯获得率高，粒径在50cm以上。根据工程类比，取抗冲流速为8m/s左右是可行的。

2）模拟方法的探讨。曾收集国内几处大型工程的原型和模型冲刷资料，以综合冲刷系数为评价指标，绘制相关曲线。分析表明，只要抗冲流速工程类比得当，采用抗冲流速模拟岩石冲刷比较接近实际（见图5-10）。图中江垭一点是原型观测后补充的。

图5-10　K原型—K模型相关曲线图

3）复核试验。为了给工程安全留有余地，将模拟粒径适当减小（由原d=14.33mm，改为d=7.7mm），亦即降低抗冲流速为6m/s左右再进行试验（成果见表5-25）。复核试验表明，冲刷深度虽有所加深（4m），但冲坑上游坡尚有1∶4.12（100年洪水）和1∶4.44（500年洪水），均缓于规范允许的1∶3，因而大坝的抗滑稳定是有保障的。世行专家对上述结论不持异议。