某水庫(kù)工程泄洪排沙洞出口消能防沖方案模型驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈紅娟

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某水庫(kù)總庫(kù)容4910萬(wàn)m3，其中興利庫(kù)容3510萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容115萬(wàn)m3，淤積庫(kù)容1285萬(wàn)m3。水庫(kù)大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高82.4m。樞紐采用溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪，水庫(kù)主要建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量Q2%=534m3/s；1000年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量Q0.1%=957m3/s；經(jīng)過調(diào)洪演算，校核洪峰流量經(jīng)水庫(kù)滯洪消峰后的最大下泄流量為832.8m3/s。泄洪洞洞徑5.0m，按照水庫(kù)泄洪設(shè)計(jì)要求，在正常蓄水位(設(shè)計(jì)洪水位)情況下(1961.60m)，泄洪洞需滿足下泄流量為336.56m3/s，在校核洪水位(1962.25m)情況下，泄洪洞需滿足下泄流量為338.13m3/s。

2 泄洪排沙洞出口消能設(shè)計(jì)

泄洪洞由進(jìn)口塔式進(jìn)水口、洞身段、工作閘室段及出口消能段四部分組成。

2.1 泄洪洞出口消能型式比選

泄洪洞出口表層巖性為洪積砂卵礫石土，松散-稍密，主要組成物為卵石、礫石、砂、土，來(lái)源于兩岸基巖風(fēng)化產(chǎn)物及高階地砂礫石，厚10～21m。下部及地基巖性為新近系上新統(tǒng)疏勒河組砂質(zhì)泥巖夾礫巖，局部夾砂巖，巖性軟弱破碎，完整性差，遇水易軟化，強(qiáng)風(fēng)化帶厚4～5m。根據(jù)地質(zhì)條件，針對(duì)泄洪洞出口消能方式進(jìn)行了理論比較。

2.1.1底流式消能型式

泄洪洞出口采用底流式消能6型式，斷面形式為擴(kuò)散式矩形斷面。依據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，消力池消能計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 底流消能計(jì)算結(jié)果表

經(jīng)計(jì)算，泄洪洞出口消力池池長(zhǎng)設(shè)計(jì)取值85m，池深7.5m，首端寬度6m，末端寬度20m。計(jì)算各工況均能安全泄流。

2.1.2挑流式消能型式

泄洪洞出口采用挑流消能型式，挑流水舌外緣挑距計(jì)算如下：

(1)

式中，L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，(°)；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計(jì)。

泄槽流程長(zhǎng)度S與單寬流量q滿足S<18q2/3，鼻坎處平均流速v可按下式計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中，V—鼻坎末端平均流速，m/s；Z0—鼻坎末端斷面水面以上的水頭，m；φ—流速系數(shù)；hf—泄槽沿程水頭損失，m；hj—泄槽各項(xiàng)局部水頭損失之和，m，可取hj/Z0為0.05；S—泄槽流程長(zhǎng)度，m；q—泄槽單寬流量，m3/s。

泄槽流程長(zhǎng)度S與單寬流量q不滿足S<18q2/3，鼻坎處平均流速v按推算水面線方法計(jì)算，即單寬流量除以泄槽末端斷面水深可近似得鼻坎斷面平均流速。

沖刷坑最大水墊深度計(jì)算：

T=kq1/2Z1/4

(5)

式中，T—自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q—鼻坎末端斷面單寬流量，m3/s；Z—上、下游水位差，m；k—綜合沖刷系數(shù)，取1.4。

泄洪洞出口挑流消能計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 泄洪洞出口挑流消能計(jì)算結(jié)果表

經(jīng)計(jì)算，泄洪洞出口挑流消能在各工況下均能安全泄流，沖坑邊坡系數(shù)約為1∶2.5，略不滿足沖坑處巖石穩(wěn)定邊坡系數(shù)(1∶3～1∶6)。

經(jīng)過以上計(jì)算，挑流消能沖坑邊坡系數(shù)雖然略不滿足穩(wěn)定邊坡系數(shù)，但可以通過工程措施進(jìn)行預(yù)防護(hù)。即鼻砍下游護(hù)坦采用預(yù)開挖方式護(hù)砌，護(hù)坦邊坡采用1∶1.5護(hù)砌，并依據(jù)計(jì)算沖坑位置和深度確定護(hù)坦水平長(zhǎng)20m，護(hù)坦下游開挖面采用大粒徑(D≥500mm)鋼筋籠卵石拋填至弱風(fēng)化線。通過該項(xiàng)措施完全可以保證鼻砍安全。

通過分析比較，泄洪洞出口采用底流消能方式，消力池較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，所以本次采用挑流消能的方式。

2.2 出口消能段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作閘室段出口與下游挑流消能段相接，挑流鼻坎段長(zhǎng)12m，寬6.0m，弧半徑25.0m，挑角20°。挑流段進(jìn)口底高程1887.90m，出口挑流鼻坎頂高程1889.11m。挑流段整體采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，過流面現(xiàn)澆C30鋼筋纖維混凝土厚800mm。洪水經(jīng)挑流消能后至下游河道。

挑流消能段后接45m長(zhǎng)護(hù)坦，寬6～34.67m，厚1.8m，下游齒墻深度16m，為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。護(hù)坦后鋪設(shè)預(yù)制C20混凝土四面體，寬度34.67～48.64m，長(zhǎng)20m。

依據(jù)消能工計(jì)算成果，挑砍下游沖坑邊坡系數(shù)略不滿足穩(wěn)定邊坡系數(shù)，為保證挑流鼻砍安全，本次設(shè)計(jì)鼻砍下游護(hù)坦采用預(yù)開挖方式護(hù)砌。即護(hù)坦邊坡采用1∶1.5護(hù)砌，并依據(jù)計(jì)算沖坑位置和深度確定護(hù)坦水平長(zhǎng)20m，護(hù)坦下游開挖面采用大粒徑鋼筋籠卵石拋填至原基弱風(fēng)化線。

2.3 泄洪建筑物出口防護(hù)設(shè)計(jì)

本工程受地形地貌和地質(zhì)條件影響，泄洪建筑物出口距大壩下游壩腳較近，且溢洪道與泄洪洞出口相鄰，容易造成壩腳和泄洪建筑物出口淘、沖刷破壞。本設(shè)計(jì)采用漿砌石護(hù)坡與鋼筋籠塊石防護(hù)相結(jié)合的措施來(lái)防止淘、沖刷破壞。

本工程建設(shè)期在大壩下游設(shè)有施工擋水圍堰，后期作為永久工程保留，將圍堰下游側(cè)左端50m長(zhǎng)度段和泄洪建筑物出口兩側(cè)河岸邊坡采用貼坡式漿砌石防護(hù)，并在護(hù)坡腳鋪設(shè)鋼筋籠塊石。

3 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本工程布置及主要建筑物設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)水庫(kù)樞紐進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)，從水力學(xué)角度驗(yàn)證樞紐及各建筑物布置及體型的合理性，提出布置及體型優(yōu)化建議，對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工提出優(yōu)化建議。

3.1 原設(shè)計(jì)方案各工況水流流態(tài)與流速分布

為研究各設(shè)計(jì)工況下泄水建筑物下泄水流特點(diǎn)，試驗(yàn)中觀測(cè)了各工況泄洪洞出口水流流態(tài)，量測(cè)了各特征斷面的水流流速分布。

3.1.1校核工況

在水庫(kù)泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水、Q0.1%=832.80m3/s工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至校核洪水位1962.25m，閘門開度2.48m。

出泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，但因挑坎高程及下游河道往復(fù)回流的影響，挑流水舌底部會(huì)間歇性受底部水體的影響；出溢洪道水流通過出口挑坎順利起挑，但同樣因挑坎高程及下游河道往復(fù)回流的影響，挑流水舌底部會(huì)間歇性受底部水體的影響。兩股水舌交匯后匯集為一股主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū)，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區(qū)，并補(bǔ)充受高速主流區(qū)卷吸帶走的水體。

出泄洪洞挑流水舌長(zhǎng)度坎后56.00m，水舌最大高度12.4m；出溢洪道挑流水舌長(zhǎng)度坎后56.00m，水舌最大高度8.80m；下游水流最大流速12.04m/s。

3.1.2設(shè)計(jì)工況

在水庫(kù)泄洪建筑物下泄50年一遇洪水、Q2%=534.00m3/s時(shí)，對(duì)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行來(lái)說(shuō)，可有不同的調(diào)度運(yùn)行方式，即以溢洪道為主要泄洪通道或以泄洪洞為主要泄洪通道。考慮水庫(kù)地處西北地區(qū)，庫(kù)區(qū)來(lái)沙較多，應(yīng)盡可能利用下泄洪水排沙，建議水庫(kù)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡可能以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m，此時(shí)閘門開度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，因以泄洪洞為主要泄洪通道，出泄洪洞水流在水舌落點(diǎn)后部形成一定范圍的急流區(qū)，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄。受高速主流的剪切作用，在下游河道右側(cè)形成大范圍回流區(qū)。

出泄洪洞挑流水舌長(zhǎng)度至坎后34.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌長(zhǎng)度坎后32.00m，水舌最大高度5.20m；下游水流最大流速15.24m/s。

3.1.3消能防沖工況

在水庫(kù)泄洪建筑物下泄30年一遇洪水、Q3.33%=464.00m3/s時(shí)。基于上節(jié)考慮的庫(kù)區(qū)排沙問題，此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m，此時(shí)閘門開度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，因以泄洪洞為主要泄洪通道，下游水流流態(tài)與設(shè)計(jì)工況基本相同，出泄洪洞水流在水舌落點(diǎn)后部形成一定范圍的急流區(qū)，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄，因溢洪道側(cè)出流流量減小，出溢洪道水流所受卷吸作用更為明顯。受高速主流的剪切作用，在下游河道右側(cè)形成大范圍回流區(qū)。

出泄洪洞挑流水舌外緣至坎后40.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌長(zhǎng)度坎后22.00m，水舌最大高度4.00m；下游水流最大流速15.01m/s。

3.2 修改方案試驗(yàn)成果及分析

3.2.1原設(shè)計(jì)方案調(diào)整

根據(jù)試驗(yàn)研究成果，因溢洪道及泄洪洞挑坎坎頂高程、挑射角度及下游回流影響，某些工況下，挑流水舌會(huì)間歇性受下游水體影響。且在以溢洪道為主要泄洪通道情況下，挑射水流進(jìn)入下游河道后斜沖右岸，在右岸沒有防護(hù)措施或防護(hù)不當(dāng)情況下有可能造成右岸岸坡嚴(yán)重沖刷甚至岸坡坍塌的情況。擬調(diào)整泄洪洞挑坎挑角20°-25°，并建議綜合考慮庫(kù)區(qū)排沙需求，盡可能以泄洪洞為首要泄洪通道。

3.2.2修改方案后水流流態(tài)與流速分布

(1)校核工況

修改方案下，在水庫(kù)泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水Q0.1%=832.80m3/s工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至校核洪水位1962.25m，閘門開度2.48m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調(diào)整挑坎高度及挑角后，挑流水舌偶受底部水體影響，且影響大為降低。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū)，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區(qū)。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后56.00m，內(nèi)緣距坎后47.60m，水舌最大高度8.80m；；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后66.40m，內(nèi)緣距坎后46.00m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速15.27m/s。

(2)設(shè)計(jì)工況

修改方案下，在水庫(kù)泄洪建筑物下泄50年一遇洪水Q2%=534.00m3/s工況下，泄洪洞閘門局部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m，此時(shí)閘門開度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調(diào)整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，從流態(tài)觀察，強(qiáng)度大為降低。部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū)，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區(qū)。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后38.40m，內(nèi)緣距坎后26.80m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后28.00m，內(nèi)緣距坎后23.20m，水舌最大高度6.40m；下游水流最大流速10.51m/s。

(3)消能防沖工況

修改方案下，在水庫(kù)泄洪建筑物下泄30年一遇洪水Q3.33%=464.00m3/s時(shí)。如前考慮庫(kù)區(qū)排沙問題相同，此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫(kù)區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m，此時(shí)閘門開度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調(diào)整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū)。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后35.20m，內(nèi)緣距坎后25.60m，水舌最大高度8.40m；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后22.40m，內(nèi)緣距坎后12.40m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速13.23m/s。

3.2.3下游局部動(dòng)床模型及消能防沖修改方案試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)類似工程壩址區(qū)地質(zhì)資料中巖性與沖刷系數(shù)的關(guān)系，確定下游局部動(dòng)床基巖對(duì)應(yīng)允許抗沖流速2.00～3.00m/s。在原下游河道定床地形基礎(chǔ)上，結(jié)合各特征工況下泄水流下游流態(tài)，確定下游河道局部動(dòng)床范圍，并按原地形鋪設(shè)模型沙。

本階段試驗(yàn)中，在下游河道局部設(shè)置為動(dòng)床時(shí)，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動(dòng)床，沖刷河床，會(huì)在短時(shí)期內(nèi)在下游河道內(nèi)形成沖坑，下泄水流能量的消除主要為水墊塘消能。因此下游河道水流呈現(xiàn)不同于定床模型試驗(yàn)的水流流態(tài)，下泄水流在水墊塘內(nèi)消除大量能量后，受沖坑后泥沙二次堆丘的影響，主流偏向于左岸下泄，水流流態(tài)如圖1所示，水流對(duì)左岸沖刷較為明顯，需要加強(qiáng)對(duì)左岸岸坡及坡腳的防護(hù)。

消能工況左岸岸坡處水流最大流速4.17m/s，右岸岸坡處水流最大流速0.96m/s，壩后回流區(qū)最大流速0.32m/s；設(shè)計(jì)工況左岸岸坡處水流最大流速4.39m/s，右岸岸坡處水流最大流速0.64m/s，壩后回流區(qū)最大流速0.38m/s；校核工況左岸岸坡處水流最大流速2.81m/s，右岸岸坡處水流最大流速1.81m/s，壩后回流區(qū)最大流速0.47m/s。

各特征工況下游河道沖淤地形如圖2—7所示。

圖1 下游河道水流流態(tài)

圖2 下游河道泥沙沖淤情況(消能工況)

圖3 下游河道泥沙沖淤情況(設(shè)計(jì)工況)

圖4 下游河道泥沙沖淤情況(校核工況)

圖5 下游河道泥沙沖淤地形(消能工況)

圖6 下游河道泥沙沖淤地形(設(shè)計(jì)工況)

圖7 下游河道泥沙沖淤地形(校核工況)

根據(jù)前階段模型試驗(yàn)情況，在下游河道局部設(shè)置為動(dòng)床時(shí)，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動(dòng)床，沖刷河床，會(huì)在短時(shí)期內(nèi)在下游河道內(nèi)形成沖坑，水流對(duì)左岸沖刷較為明顯。

為改善下游河道左岸沖刷明顯的狀況，根據(jù)上階段水流流態(tài)及河道沖刷情況，對(duì)泄洪洞消能方案進(jìn)行調(diào)整。為盡可能使水舌遠(yuǎn)離河道左岸，延長(zhǎng)泄洪洞尾端平直段10.00m，即平直段末端由0+741.66m調(diào)整至0+751.66m。并考慮使出泄洪洞尾坎水流盡可能向右擴(kuò)散，提前解除右邊墻的約束，采用切向挑坎，在保持原挑坎半徑及起挑位置基礎(chǔ)上，挑角由連續(xù)20°調(diào)整為右側(cè)20°、左側(cè)35°。泄洪洞尾部挑坎型式如圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，此泄洪洞消能型式修改方案確能起到使挑流水舌遠(yuǎn)離下游河道左岸，降低左岸直接沖刷的效果。同時(shí)，下游回流沿左岸回掏左岸，形成左岸部分沖刷。

但需說(shuō)明的是，此回流受下游二次堆丘的準(zhǔn)確模擬、下游河床覆蓋層的準(zhǔn)確模擬及下游河道前期泥沙沖刷均相關(guān)，主要是部分下泄水流主流不能沿主河槽順利下泄引起，存在隨機(jī)及不確定性，只能判定左岸有受回流淘刷的風(fēng)險(xiǎn)。需要加強(qiáng)對(duì)左岸岸坡及坡腳的防護(hù)與監(jiān)測(cè)。

此方案下，校核工況下游河道泥沙沖淤地形如圖9所示。

4 結(jié)論

根據(jù)水工模型試驗(yàn)泄流存在問題，調(diào)整泄洪洞出口挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響，出泄洪洞水流能通過出口挑坎順利起挑，改善了主流偏向左岸的情況。在下游河床固定床面情況下，挑射水舌未能在下游形成沖坑及水墊塘，因消能不充分造成下游水流流態(tài)惡劣；在下游局部動(dòng)床模型試驗(yàn)中，下游河道水流流態(tài)有所改善，說(shuō)明挑流消能體型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮下游地形及下泄水流在各工況下的實(shí)際流態(tài)情況，確定最終下游河道防護(hù)方案。

圖8 泄洪洞挑坎型式

圖9 下游河道水流流態(tài)及河道泥沙沖淤情況(校核工況，消能方案修改)