某工程溢流壩消能防沖優化研究

汪 旭

（重慶大學建筑規劃設計研究總院有限公司，重慶 400045）

1 工程概況

某工程為Ⅲ等中型水庫，最大壩高77.5 m，正常蓄水位1 000.5 m，擋水大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 005.50 m。

采用壩身泄洪方式，由3 個溢流表孔組成，采用自由溢流式的布置形式。表孔堰頂高程1 000.5 m，堰面采用WES 曲線，與下游壩坡為1∶0.8 斜坡段相接，斜面通過反弧段接挑流鼻坎，反弧半徑為15 m。出口采用差動式挑流，鼻坎高坎坎頂高程945.90 m，挑角20°，底坎坎頂高程945.00 m，挑角0°；為防止水流沖擊下游岸坡坡腳，挑坎兩側分別增設寬度為1.15 m 的貼角，貼角長度13.2 m。溢流表孔采用開敞式泄洪方式，孔口凈寬30 m（10 m×3）。表孔中墩厚1.5 m，邊墩厚1 m。為防止水舌沖擊壩腳，壩后設置長度為24.8 m 的護坦，護坦高程938.00 m。溢流壩具體布置如圖1 所示。

2 設計體型試驗

圖1 溢流壩布置圖

消能防沖工況下溢流壩水流流態見圖2，可以看到，中墩墩尾產生一定程度的水翅現象，這種現象對大壩本身幾乎沒有影響，但是對于峽谷地區尤其是具有較大風速的情況下，水翅產生的霧化現象將對下游較大范圍產生不利影響，甚至影響下游邊坡的穩定。

圖2 不同部位水流流態

溢流壩水舌最左側有部分水流沖擊到護岸岸坡，這對岸坡的穩定有極為不利的影響。同時由于挑流水舌沒有完全拉伸擴散，水舌落點也比較集中，這對下游河道的防沖有極為不利的影響。

不同工況下溢流壩挑流水舌挑距見表1，可以看到，20 年一遇及其以上洪水工況時，溢流壩水舌均能夠挑離護坦（護坦長度24.8 m）；10 年一遇洪水工況時水舌近端部分水流落點位于護坦末端，5 年一遇洪水工況時水舌落點基本位于護坦之上。綜上，由于溢流壩為不設閘開敞式泄流，且下游水位較低，遭遇小洪水時水舌直接砸落在護坦之上，護坦遭受結構破壞的可能性極大。因此，可以考慮不設護坦或者縮短護坦長度，同時將溢流壩水舌沿縱向大幅拉伸，減小水舌入水單寬流量，從而減弱下游消能區的沖刷破壞。

表1 不同工況下水舌挑距

3 優化體型試驗

3.1 閘墩優化

針對閘墩尾部出現的較強水翅的現象，在墩后增設高度沿程逐漸降低、橫向寬度逐漸減小的尾墩，尾墩總長10.00 m，尾墩起點高度2.50 m（寬度1.50 m），末端高度0.50 m（寬度0.50 m），同時對尾墩邊角進行導圓處理，導圓半徑R=0.25 m，具體布置見圖3。

體型修改后進口流態見圖4，可以看到，閘墩墩后水翅基本消失，將修改后的尾墩作為推薦體型。

3.2 出口挑坎優化

針對挑坎設計體型水舌沖刷岸坡以及水舌集中的問題，將設計的高低坎方案調整為可以沿水流向大幅拉伸的燕尾坎形式。調整方案為：將挑坎反弧起點調整至壩縱0+039.79，反弧半徑R=14.50 m，挑坎近端開口位置樁號壩縱0+053.63，遠端位置樁號保持壩縱0+060.00 不變，從而使近端挑角θ1=10.00°，遠端挑角θ2=37.80°，近端出射點高程949.53 m，遠端出射點高程952.35 m，同時在挑坎開口位置設置2.00 m 高跌坎后放坡i=0.25；鑒于水舌左端沖刷下游左岸邊坡，將挑坎左側貼角末端寬度調整為4.00 m，挑坎近端開口寬度均為4.00 m，挑坎左側末端寬度1.00 m，右側末端寬度1.00 m，中間兩個挑坎寬度均為3.00 m；同時將護岸長度縮短為10.00 m。挑坎優化具體布置見圖5（優化體型一）。

圖3 閘墩優化布置圖

圖4 墩后水流流態圖

出挑水舌流態見圖6，可以看到，通過設置燕尾坎后，水舌在縱向上實現了較大幅度的拉伸，可以有效減弱對下游河床的沖刷破壞；但是，水舌近端略偏向下游，有進一步優化調整的空間，同時遠端水舌相對集中，并且挑坎左側的貼角末端收縮寬幅度過大，水舌距離左岸邊坡較遠，同樣有進一步優化調整的空間。

針對水舌近端挑距較遠且遠端水舌相對集中的問題，在優化體型一的基礎上，將近端開口位置向上游移動至壩縱0+049.85，使近端挑角θ1=-5.00°，保持近端開口寬度4.00 m 和遠端挑坎寬度3.00 m 不變；同時將左側貼角末端寬度縮窄為2.40 m，則挑坎最左側末端坎寬2.60 m，挑坎具體布置見圖7（優化體型二）。

出挑水舌流態見圖8，可以看到，挑坎近端開口位置往上游移動后（出射角由挑角變為俯角），水舌近端落點明顯往上游位置移動，水舌近端落點基本合適，挑坎左側貼角寬度變窄以后，出挑水舌左緣與河道左岸岸坡相對位置基本合適；但是水舌遠端水量依然較為集中，并且由于挑坎左側貼角的原因，靠近左岸的兩股水舌落點非常近，這不利于水流的分散消能。

圖5 優化體型一布置圖

圖6 優化體型一流態圖

圖7 優化體型二布置圖

分析認為下游左岸護坡范圍可以適當擴挖，從而避免挑坎左側邊墻收縮所造成的臨近兩股水舌匯聚集中的現象，保持右岸護坡不變，將護坦橫向寬度調整為41.22 m，左岸護坡坡度調整為1∶0.3；將挑坎作如下調整：在優化體型二的基礎上，取消挑坎左側貼角，挑坎近端開口寬度調整為2.00 m，遠端挑坎寬度為2.00 m（兩側挑坎末端寬度為0.55 m），同時將近端開口下部2.00 m 高跌坎后放坡調整為i=0.5，具體布置見圖9（優化體型三）。

圖8 優化體型二流態圖

出挑水舌流態見圖10，可以看到，水舌落點距離護坦及兩岸護坡均保持有足夠的距離，不會對護坦及護坡造成沖刷破壞；水舌沿程分布均勻，將優化體型三作為挑坎最終推薦體型。

圖9 優化體型三布置圖

圖10 優化體型三流態圖

4 推薦體型沖刷試驗

不同工況下游河道沖刷情況見圖11，不同工況下游河道最大沖刷點高程及最大沖深統計見表2（最大沖深計算將護坦高程938.00 m 作為基準面）。可以看到，下游消能區沖刷明顯減弱，沖刷范圍主要集中于左岸，校核工況（P=0.2%）時最大沖深為7.14 m，消能防沖工況（P=3.33%）時最大沖深為3.88 m，滿足消能防沖要求。

圖11 不同工況下游河床沖刷情況

表2 不同工況下游河道最大沖刷點高程及最大沖深

5 結 論

本文針對某工程溢流壩存在的一系列消能防沖問題，采用增設高程逐漸降低、橫向寬度逐漸減小的尾墩，基本消除了墩后水翅；采用陣列式燕尾坎，實現了溢流壩水舌與下游河道的良好的銜接，實現了良好的消能防沖，可以為類似的工程提供借鑒參考。