碧湖水庫溢流壩水工模型試驗優化研究

陳 斌，鄔年華，邵仁建

(江西省水利科學研究院，南昌 330029)

挑流消能是應用較為廣闊的消能方式之一，但由于許多水利工程位于山區峽谷地帶，且下游河道出現較大彎道，挑射水流往往易沖擊下游對岸，對岸坡造成嚴重的沖刷，滿足不了水庫的泄洪要求。為使溢洪道出口挑射水流不直接沖擊下游岸坡，并增加消能效果，采用導流貼角或者邊墻偏轉導流可迫使水流沿邊墻側壅高并向下游傳遞，在空中相交匯而引起對沖水流，這對下游消能無疑是有利的，例如，沈祖澤[1]等通過對溢洪道兩側邊墻向內側偏轉一定的角度，解決了挑射水流對沖兩岸山體的現象，并增加了消能效果，紀志強[2]等通過在左中孔鼻坎右側和右中孔出口鼻坎左側各加三角形貼角體，有效地對挑射水舌進行導向，且水舌縱向拉伸明顯，使得下游沖刷深度較原方案減淺43%，顯著提高了下游消能效果，張為[3]等采用在閘墩尾部增加導流貼角措施有效調整了水舌落點，避免了水舌對右岸危巖體的沖刷，并且在一定程度上提高了消能效率。同時受閘墩影響，水流易在泄槽內產生水翅現象，它的存在，尤其是在高壩大流量高流速的情況下，將給溢洪道的邊墻與泄槽底板帶來嚴重的危害，嚴重影響溢洪道的安全運行[4]。水翅作為一種特殊的水力現象，機理較復雜，目前主要采用在試驗的基礎上逐步改進的方法來解決這一問題[5]，例如，楊剛[6]等通過采取變寬度斜尾墩方案有效的消減了水翅現象，李楨[7]等就溢洪道泄槽內出現的水翅現象采取了在閘墩后設置尾墩措施，基本消除了水翅現象，泄槽內水流流態得到顯著改善。

本文通過物理模型試驗對碧湖水庫溢流壩出坎水舌對沖山體及水翅現象提出可行的優化方案或改進措施，為同類型的工程設計提供參考。

1 工程概況

碧湖水庫位于萍鄉市湘東區白竺鄉會雙村境內，洞庭湖水系湘江一級支流淥水支流麻山水中游河段，控制流域面積164 km2，多年平均徑流量1.565 億m3，是一座以城鎮供水、灌溉為主，兼顧發電等綜合利用效益的中型水庫。

水庫正常蓄水位184.00 m，死水位160.00 m，設計洪水位184.27 m(P=2%)，校核洪水位186.60 m(P=0.2%)；水庫總庫容2 178 萬m3。

攔河大壩為混凝土重力壩，分為左岸非溢流壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段(長65.0 m)，溢流壩段布置在河床的中間部位，垂直水流長34.0 m，順水流長54.5 m，共設3孔，每孔凈寬9 m，堰頂高程178.00 m，堰面采用WES曲線，采用三扇弧形門控制。堰面下游面與坡比為1∶0.75斜坡相接，后接反弧段。反弧段半徑為R=18.0 m，挑流鼻坎高程144.38 m，最大出射角18°。閘墩頂高程187.50 m，中墩厚2 m，邊墩厚1.5 m。挑坎下游接護坦，寬34 m，順水流方向長30 m，護坦高程為132.5 m。工程平面布置及溢流壩段平面圖如圖1和圖2所示。

圖1 工程平面布置圖(單位：m)Fig.1 Floor plan of the project

圖2 溢流壩段平面圖(單位：m)Fig.2 Plan view of overflow dam

2 水工模型設計

2.1 水流運動相似

考慮試驗場地大小及供水條件，溢流壩水工模型按照重力相似準則，并按幾何相似進行模型設計[8-10]，選用長度比尺為1∶50，為正態定床模型，下游水舌落點附近做成局部動床，相應的其他物理量比尺見表1。

2.2 模型砂選取

模型試驗采用天然非均勻砂作為模型散粒體沖料。模型砂的粒徑依據工程現場實測河床粒徑資料，按照原型巖石河床抗沖流速與模型沖料起動流速相似法，利用伊茲巴士公式選擇模型散粒體沖料的粒徑。計算公式為:

表1 模型主要比尺關系Tab.1 The main scale relationship of the model

式中:V為巖石允許抗沖流速，m/s；D為散粒體砂或碎石粒徑，m。

根據本工程壩址區現場河床地質條件可知，河床坑沖流速為3.5 m/s，得出模型砂的粒徑范圍為(0.5～0.98)cm，模型砂的級配曲線如圖3所示，中值粒徑D50=0.75 mm。

圖3 模型砂級配曲線Fig.3 Gradation curve of model sand

2.3 試驗工況

為比較不同方案下的水流流態、下游沖刷形態，開展了以下典型工況的試驗，典型工況及相應特征水位、流量如表2所示。

表2 試驗工況Tab.2 Experimental cases

3 模型試驗及優化

3.1 原設計方案試驗

3.1.1 閘室及溢流堰面水流流態

閘室內未見不良水力現象，受中墩影響，閘室出口水流相交重疊，在溢流堰上產生水翅，在流量達到校核洪水時，水翅高度達到最大，約為6.5 m，如圖4所示。

圖4 溢流堰流態(校核工況)Fig.4 Flow pattern of overflow weir(Check flood cases)

3.1.2 挑坎及下游河道水流流態

在小流量下，水舌均落入河道中間，左右岸均未發生水流沖擊岸坡現象，隨著流量的增大，水舌挑距逐漸增大，水舌主流入水點逐漸向右岸偏移，最終直接沖擊右岸山體，在流量達到校核洪水時，沖擊右岸山體現象最明顯，不利于右岸山體穩定，同時在落水點左岸山腳一定范圍內存在逆時針回流現象，流態如圖5所示。

圖5 挑坎挑流流態(校核工況)Fig.5 Stream flow(Check flood cases)

3.1.3 下游河道沖刷情況

下游河道沖坑尺寸見表3，試驗中發現，各工況下的最大沖坑都發生在右岸山腳部位，沖坑深度隨著流量的增加而變大，在校核流量下沖坑深度達到最大，為10.77 m。

表3 下游河道沖刷情況Tab.3 Erosion of downstream channels

3.2 方案優化及試驗

根據原設計方案初步試驗結果，原設計方案存在的問題主要有：①水流從閘室出來后，兩孔的水流在閘墩后出現較高的水翅，不利于堰面流態穩定及溢流壩結構的安全，宜在閘墩后設置尾墩來消除水翅；②原設計方案隨著下泄流量的增大，水舌主流入水點逐漸向右岸山體偏移，會對右岸山體造成較大沖刷，需要對挑坎作進一步優化。

3.2.1 尾墩體型優化

為了使水流能平順的下泄，需要在閘墩末端增設一個消除水翅的尾墩。根據試驗所測的堰上最大水深及閘墩結構尺寸，確定尾墩優化尺寸如圖6所示。

圖6 尾墩體型Fig.6 The size of tail pier

設置尾墩后，各流量工況下的水翅現象均基本消失，出閘水流能平順下泄，圖7為校核工況尾墩處流態。

圖7 尾墩處的水流流態(校核工況)Fig.7 Flow pattern of tail pier(Check flood cases)

3.2.2 挑坎體型優化

原方案水流出挑坎后會直沖右岸山體，不利于山體穩定，因此需要調整出坎水舌方向，使出坎水流盡量挑入河道中，并保證下游沖刷形態不影響建筑物安全。經與設計單位溝通，并結合工程實際，對溢流壩右側局部邊墻進行偏轉優化。

優化方案Ⅰ：右邊墻逆時針偏轉5°，偏轉起始為反弧段(樁號0+30.89)，其余不變，平面布置圖如圖8所示。

圖8 優化方案Ⅰ平面布置圖Fig.8 Schematic diagram of optimization scheme Ⅰ

優化方案Ⅰ中，出坎水流方向向河道偏移，在下泄校核洪水時，水流不再對沖右岸山體，左岸山腳存在逆時針回流現象。

優化方案Ⅱ：右邊墻逆時針偏轉10°，偏轉起始為反弧段(樁號0+30.89)，其余不變，平面布置圖如圖9所示。

圖9 優化方案Ⅱ平面布置圖Fig.9 Schematic diagram of optimization schemeⅡ

優化方案Ⅱ中，出坎水流進一步向河道偏移，并且挑流出現了疊加的水翅現象，水舌寬度較方案Ⅰ進一步縮窄，水流不會沖刷右岸山體，左岸山腳存在逆時針回流現象。

優化方案Ⅰ和優化方案Ⅱ在校核工況下的水流流態如圖10所示。

圖10 優化方案Ⅰ和優化方案Ⅱ的水流流態Fig.10 Flow pattern of optimization scheme Ⅰ and Ⅱ

3.3 優化方案試驗結果分析

3.3.1 水流流態

設置尾墩后，水流經過尾墩的導流作用，能與陡槽直線段平順銜接，原設計當中較高的水翅基本消除，僅在尾墩末端產生微小的尾翅，說明尾墩體型基本合理；優化方案Ⅰ和優化方案Ⅱ均能調整出坎水流方向，優化后出坎水流均不再對沖對岸山體，有利于山體穩定；受下游河道過窄及地形所致，在出坎水流入水點左岸山腳附近依然會出現回流現象，在校核工況下，回流流速將超過5 m/s，易對左岸山體造成一定的沖刷，需要左岸山體采取防護措施。

3.3.2 下游河道沖刷情況

兩種優化方案下的下游河道沖刷情況如表4所示，對比方案Ⅰ和方案Ⅱ沖坑尺寸可知，方案Ⅱ各流量工況下的沖坑均比方案Ⅰ的沖坑深，在設計洪水、消能洪水和316 m3/s流量下沖坑深度分別比方案Ⅰ增加1.4、0.59和0.72 m；方案Ⅱ挑距較方案Ⅰ有所減小，但幅度不大；方案Ⅱ最深沖坑位置(到挑坎末端)較方案Ⅰ有較大減小，不利于建筑物安全。

表4 下游河道沖刷Tab.4 Erosion of downstream channels

3.3.3 沖坑上游坡比

沖刷坑是否會危及建筑物的基礎，這與沖刷坑深度及河床基巖節理裂隙、層面發育情況有關，應全面研究決定。一般認為，當沖坑上游側與挑坎末端的距離大于2.5～5倍的沖坑深度時，將不影響建筑物的安全[11,12]。定義上游坡比i=Δh/L，其中Δh為挑流鼻坎末端齒墻底部高程與沖坑最深點高程之差， 為沖坑最深點到護坦末端斷面水平距離，則i<1/2.5 時，可認為沖坑不會危及建筑物基礎。優化方案Ⅰ與優化方案Ⅱ上游沖坑坡比計算結果如表5所示。可以看出，方案Ⅰ和方案Ⅱ的各流量工況的沖坑上游坡比均小于 ，滿足安全要求，其中方案Ⅰ較方案Ⅱ上游坡度緩。綜上，選擇方案Ⅰ為最終方案。

表5 上游坡比Tab.5 Upstream slope ratio

4 結 語

碧湖水庫攔河壩為混凝土重力壩，通過壩身溢流段泄洪，受壩體結構及地形影響，水流下泄后會產生明顯水翅現象及出坎水流對沖右岸山體現象。通過在閘墩后設置合理尾墩和偏轉溢流壩右岸邊墻合理角度的方式，較好解決了上述問題，可為類似工程設計提供一定的參考。