導流隧洞出口小挑坎體型參數試驗研究

丁鵬宇，馬旭東，李 強，聶銳華

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

施工導流是水利工程建設中的一個重要環節，關系到整個工程的施工工期、質量、造價、防洪度汛、岸坡安全等。然而，受導流隧洞自身特點影響，其出口水流存在出流單寬流量大、流速高、與原河道匯流角度大等缺點，繼而容易造成較為嚴重的局部沖刷與岸坡失穩。尤其是對于覆蓋層深厚、河谷狹窄的山區河道，較大的岸邊流速嚴重威脅河道局部穩定，具有一定的安全隱患。因此，導流隧洞出口消能措施的布置及其合理性至關重要[1]。

對于常規的導流隧洞出口消能措施的布置，我國已有許多研究，通常采用各種消能工或局部防護措施。吳曉銘等[2]在導流隧洞出口設置斜尾坎消力池，改善了下游左岸的流態，并使水流沖刷的基本趨勢不變，以便于做出相對應的措施；花立峰[3]通過研究發現消力墩、T型墩與消力池聯合消能對導流隧洞出口水流的消能效果較好；李鳳蘭等[4]通過在導流隧洞出口的消力池內置入懸柵，破壞了水躍結構，提高了消力池的消能率，同時降低了其內的水深。對于導流隧洞出口地形陡峻、狹窄，布置空間有限的工程，余勝祥等[5]比較分析了底流消能和挑流消能的優缺點后，推薦采用挑流消能。

對于山區河流，導流隧洞出口消能研究較少。本文對布置于導流隧洞出口的小挑坎進行了深入研究，重點分析了不同體型參數對其消能效果的影響。

1 工程概況

某擬建大型水電站的施工導流采用全年圍堰、隧洞過流的導流方式。導流隧洞位于左岸，長918.79 m，進、出口高程分別為1 912.00 m與1 910.00 m，隧洞斷面采用城門洞型，斷面尺寸為16.50 m×19.00 m。上游圍堰為復合土工膜心墻+混凝土防滲墻的土石圍堰，堰頂高程為1 965.00 m，最大堰高為57.00 m，在下游圍堰下游左岸100 m范圍內岸坡為滑坡體，右岸300 m范圍為卸荷傾倒體。將導流隧洞出口設置于下游圍堰軸線下游140 m處，距堰腳約70 m，出口與河道的交角為48°，見圖1。

現場地形地質條件分析成果與設計方案模型試驗成果表明，該工程存在隧洞出口部位河道狹窄(僅為70 m左右)、河床覆蓋層淺且抗沖能力極差(中值粒徑約10 mm，抗沖流速約為1.0 m/s)、導流隧洞出口兩岸地質條件差、空間有限(距河床基覆分界線長度僅22 m)等諸多不利因素。對此，郭靜瑜等[6]提出了在導流隧洞出口布置小挑坎的方案，可基本達到減小覆蓋層沖刷、減緩岸邊流速的目的。

圖1 導流隧洞出口布置圖(單位：m)Fig.1 Diversion tunnel exit layout

本文將采用物理模型試驗對該小挑坎的體型參數進行深入研究，以期獲得較優的體型參數，進而為類似的小挑坎設計提供參考。試驗模型按重力相似準則設計為比尺1∶60的正態模型，河床覆蓋層采用天然沙模擬，中值粒徑約為2 mm，基巖按不可沖刷考慮。

2 小挑坎體型參數研究

2.1 研究體型

本文對7種小挑坎體型進行了研究，重點研究了小挑坎的首部坎高與出口挑角兩種體型參數。小挑坎布置示意圖及體型參數如圖2所示，試驗方案如表1所示。此外，本工程的設計洪水標準為10年一遇洪水，對應流量為5 587 m3/s，常年洪水流量為3 000～4 000 m3/s。

圖2 挑流坎體型示意圖(單位：m)Fig.2 Flip bucket shape schematic diagram

表1 試驗方案表Tab.1 Test program

2.2 首部坎高試驗成果

在出口挑角52°基礎上，不同首部坎高均可改善出口水流銜接流態和增加導流隧洞出口水流橫向擴散寬度以及減小河道左岸和導流洞上游的回流區范圍。首部坎高對下游河道岸邊流速影響較小，設計頻率洪水下，坎高分別為0、1、2和4 m時，岸邊流速最大值分別為7.7、6.6、7.4和8.1 m/s，均小于無小挑坎方案時的最大流速14.6 m/s，但仍大于河床覆蓋層及兩岸岸坡的抗沖流速。隨著導流隧洞出口水流橫向擴散增加，導流隧洞與下游圍堰之間的回流幅度減弱，回流區內岸邊流速與堰腳流速均減小，下游圍堰堰腳處的流速最大值從無挑坎時的7.0 m/s降至5.0 m/s左右，堰腳處防護大塊石(直徑為0.5～0.7 m，抗沖流速約為4.6 m/s)未發生整體沖刷破壞，但因下游河床沖刷會出現局部滑塌。不同坎高方案下的河床沖刷范圍、最大沖刷深度基本相當(見圖3)，表明首部坎高對河床沖刷的影響相對較小，但都相對于無挑坎方案有較大的改善。然而，首部坎高對上游水位的影響卻較為顯著(見圖4)，上游水位會隨坎高的增加而抬升，并且流量越大影響越顯著。在設計頻率洪水下，當H1/H洞高>10.5%時，ΔZ/H堰會陡增，如果進一步增大首部坎高，則上游水位升高幅度會持續增加。因而上游水位可作為小挑坎首部坎高的控制性參數。

圖3 導流隧洞出口軸線段沖刷線(Q=5 100 m3/s)Fig.3 The scour line of the diversion tunnel axis section(Q=5 100 m3/s)

圖4 首部坎高對上游水位的影響Fig.4 The impact of the first ridge height on the upstream water level 注：圖中ΔZ為增設挑坎后上游水位與無挑坎時的差值；H堰為上游圍堰的堰高；H洞高為導流隧洞出口斷面的高度；H1為各體型首部坎高。

整體而言，小挑坎的首部坎高對銜接流態、岸邊流速、河床沖刷等指標的影響相對較小，對上游水位的影響卻相對顯著。當首部坎高小于導流隧洞出口高度的10%時，既可改善局部流態而增大出洞水流橫向擴散幅度，又能減小下游河道的沖刷幅度，而且對上游水位的影響也相對較小。

2.3 出口挑角試驗成果

在首部坎高2.0 m基礎上，繼續研究了出口挑角體型參數，挑角分別為30°、45°、52°和60°。不同挑角時的水流流態如圖5所示，挑角30°時，水流仍整體呈下潛趨勢，右岸最大岸邊流速為13 m/s；隨挑角增大，水流擴散越充分，當挑角位于45°～60°范圍時，擴散幅度基本相當，岸邊流速最大值也相應改善，最大岸邊流速為8.3 m/s。不同挑角時導流隧洞出口軸線斷面河床沖刷形態如圖6所示，挑角30°時，其最大沖刷點已發展至基巖，且覆蓋層流失較多；隨挑角增大，水流擴散更充分，沖刷范圍與最大沖刷深度逐漸改善，挑角位于45°～60°范圍時，最大沖刷深度與沖刷范圍相比于無挑坎時已有較大程度的改善。此外，不同挑角對上游水位的影響相對較小。

圖5 導流隧洞出口水流流態銜接(Q=5 100 m3/s)Fig.5 Water flow state connection of diversion tunnel outlet(Q=5 100 m3/s)

圖6 導流隧洞出口軸線段沖刷線(Q=5 100 m3/s)Fig.6 The scour line of the diversion tunnel axis section(Q=5 100 m3/s)

分析認為，挑坎角度對銜接流態和河床沖刷影響較大，而對上游水位的影響相對較小，故河床沖刷和岸邊流速是小挑坎挑角參數的控制性指標。試驗成果表明，當挑角位于45°～60°范圍時，對銜接流態、河床沖刷等方面的改善明顯。

3 結 語

對于單寬流量大、出口空間局促、常規消能設施布置受限的山區河流導流隧洞工程，在隧洞出口布置首部凸坎式連續挑流坎能夠達到改善銜接流態、減小河床沖刷等效果。挑坎的首部坎高對銜接流態、河床沖刷等參數影響較小，而對上游水位的影響顯著，坎高宜小于導流隧洞出口高度的10%。挑坎的出口挑角對上游水位影響較小，而對銜接流態、河床沖刷等方面的影響顯著，挑角宜介于45°～60°范圍內。

對于抗沖能力弱的深厚覆蓋層河道，尤其在具有不良地質的情況下，均需進行重點防護。在隧洞出口加設小挑坎可相對減小岸邊流速和河床沖刷幅度，進而可減小防護范圍和防護標準。即便不降低防護標準，也可增加工程運行的安全富余。但增設小挑坎后會對上游水位有一定的影響，在實際工程設計中應結合工程的經濟性等具體情況綜合考慮。