階梯布置對(duì)溢洪道尾水二次消能及流態(tài)影響研究

楊銳國,邱 勇,陳玉斌,岳翠云,尹興湯

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201)

底流消能可以在較大范圍內(nèi)適應(yīng)下游尾水變化，同時(shí)對(duì)出口工程地質(zhì)條件要求不高，在水利工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。對(duì)于開挖深度受限的抬坎式底流消能，通常需要對(duì)出池水流進(jìn)行二次消能，并且保證其尾水和下游河道平順銜接。

對(duì)于消力池正對(duì)下游河道情況，張建生等[1]通過布設(shè)池尾的柵式尾坎和池后的二級(jí)消力墩進(jìn)行二次消能；而增設(shè)階梯，能夠有效降低泄槽末端的水體動(dòng)能[2]。對(duì)于消力池和下游河道斜交或正交情況，胡欣等[3]將直線型消力池優(yōu)化為曲線布置，在避開高邊坡開挖帶來的工程量增加的同時(shí)，較好地解決了下泄水體的消能及平順歸河問題；王震等[4]通過試驗(yàn)研究，采用側(cè)泄式底流消能，將出池水流轉(zhuǎn)向90°，避免了對(duì)河岸的沖刷。

云南省鳳慶縣大擺田水庫溢洪道下游河道左岸發(fā)育大型古滑坡，現(xiàn)狀滑體中、上段已大部分下滑到中、下部堆積，河床兩岸灘地沖洪積層厚度達(dá)20～30 m；右岸物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，靠近河床位置有完整基巖出露。左岸山體巖層為順向坡，地形坡度30～35°，巖層傾角48°；右岸山體巖層為逆向坡，穩(wěn)定性好?？紤]到溢洪道消力池出口軸線與下游河道近呈40°斜交，其布置設(shè)計(jì)(圖1)要求水流在平順歸河時(shí)盡量避免對(duì)河道左岸及岸坡的局部沖刷。

a)平面布置

消力池出口緊接彎道—階梯組合段，對(duì)尾水渠水流流態(tài)不利，可能威脅到左岸順向岸坡及古滑坡體的安全，誘發(fā)次生災(zāi)害。

1 底流消能水力特性研究

1.1 模型設(shè)計(jì)

為滿足工程設(shè)計(jì)要求，采用水工模型試驗(yàn)，通過彎道布置及階梯體型變化，對(duì)不同特征流量工況下的消力池二次消能及下游尾水渠水流流態(tài)進(jìn)行研究。

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型[5]。幾何比尺λL=35，相應(yīng)流量比尺λQ= 7 247.20、時(shí)間比尺λT=5.92、流速比尺λv=5.92、糙率比尺λn=1.81。

1.2 原設(shè)計(jì)方案水力特性

1.2.1消能率

設(shè)計(jì)洪水情況下(P=2%，Q=45.49 m3/s)，躍后斷面位于樁號(hào)0+209.250附近，消能率η=81.1%；校核洪水情況下(P=0.1%，Q=81.78 m3/s)，躍后斷面位于樁號(hào)0+212.500附近，消能率η=79.2%。原設(shè)計(jì)方案消力池布置能夠滿足消能要求。

1.2.2消力池下游水流流態(tài)

消能防沖流量下(Q=14.74 m3/s)，消力池出口斷面處水流平穩(wěn)，但由于二次消能所采用的階梯布設(shè)于彎道內(nèi)，出池水流出現(xiàn)分股(表1)：近左側(cè)水流在臺(tái)階頂托作用下，沿邊墻偏轉(zhuǎn)壅高明顯(最大水深3.19 m)，并形成斜向右前方的股狀水流；軸線附近水流沿階梯跌落，從左側(cè)水股下方直沖彎道末端左側(cè)邊墻(呈立面交叉)后偏折，加劇水流折沖；近右側(cè)水流，由于階梯長度不足，水流跌落明顯，并在底板位置形成彈射后匯入折沖水流(最大水翅高度達(dá)1.58 m)[6]。

折沖水流從彎道末端(樁號(hào)0+231.140處左側(cè)邊墻水深達(dá)2.14 m，右側(cè)邊墻水深僅為0.18 m)向右偏折，左側(cè)水股流速(9.97 m/s)明顯大于右側(cè)水流流速(3.17 m/s)；至樁號(hào)0+248.640處，盡管沖擊波波峰和波谷的流速較為接近[7]，但水面高差依然較大(0.63 m)；樁號(hào)0+269.940位置，折沖現(xiàn)象仍然未見改善(橫斷面水深差幾近2倍)，見表1。

表1 原設(shè)計(jì)方案尾水渠水力特性(P=3.33%)

由于階梯跌落水流的加速作用[8]，彎道下游水流平面上呈“Z”形大幅擺動(dòng)折沖(圖2)，最大流速接近10 m/s，對(duì)左岸岸坡的安全構(gòu)成威脅。

圖2 原設(shè)計(jì)方案尾水渠折沖水流示意(m)

常遇洪水流量下，尾水渠流態(tài)有所改善，但折沖現(xiàn)象依然存在，水流橫斷面水深分布仍不均勻。

5年一遇洪水情況下(Q=17.46 m3/s)，階梯處水流呈跌落狀，彎道水流在邊墻作用下發(fā)生偏折，致使尾水渠主流基本位于軸線左側(cè)：樁號(hào)0+231.140處Hl=1.40 m(vl=6.81 m/s)，Hr=0.18 m(vr= 2.43 m/s)；樁號(hào)0+243.740處vl=6.77 m/s(Hl= 0.65 m)，vr=1.56 m/s(Hr=0.86 m)；樁號(hào)0+262.290處vl=5.39 m/s(Hl= 0.93 m)，vr= 3.39 m/s(Hr= 0.74 m)。

10年一遇洪水情況下(Q=24.73 m3/s)，尾水渠內(nèi)的折沖現(xiàn)象加劇(樁號(hào)0+231.140附近)，左側(cè)近邊水深1.51 m(流速9.16m/s)，右側(cè)近邊水深0.35 m(流速4.15 m/s)，高差達(dá)1.18 m；樁號(hào)0+245.140附近，盡管橫斷面水深差值減小(左側(cè)近邊水深0.70 m，右側(cè)近邊水深0.86 m)，但流速差值加大(左側(cè)近邊流速7.74 m/s，右側(cè)近邊流速2.75 m/s)。下泄流量增大到20年一遇洪水時(shí)(Q=33.33 m3/s)，尾水渠內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)一步變差，折沖水流擺動(dòng)幅度也更大。

1.3 修改方案階梯及尾水流態(tài)變化

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的問題，考慮對(duì)彎道內(nèi)的階梯布置進(jìn)行調(diào)整：階梯前置至彎道上游，盡管底流消能仍然能夠滿足要求，但由于彎道緊鄰階梯，其對(duì)階梯加速后的水流擾動(dòng)依然存在，尾水渠水流流態(tài)未見明顯改觀。

為了避免消力池下游開挖深度的增加導(dǎo)致松散堆積體邊坡穩(wěn)定性下降，在階梯位置后置至彎道下游(修改方案)的同時(shí)，樁號(hào)0+217.500到樁號(hào)0+240.140段設(shè)置為斜坡，以滿足上下游的高程銜接(尾水渠底坡維持不變)，階梯數(shù)量不變，末級(jí)階梯高度由1.50 m調(diào)整為0.90 m(圖3)。

a)平面布置

消能防沖流量下，階梯水流呈現(xiàn)滑行狀態(tài)[9-11]，樁號(hào)0+266.340 處橫斷面水深Hl=0.81 m、Ha=0.91 m、Hr=0.88 m；樁號(hào)0+283.840處橫斷面水深Hl=0.77 m、Ha=0.74 m、Hr=0.84 m。尾水渠水流流態(tài)總體較為均勻。

5年一遇洪水時(shí)，可觀察到出池水流在彎道內(nèi)的折沖現(xiàn)象，但由于調(diào)整段的作用，臨近首級(jí)階梯附近主流偏左(左側(cè)水舌下緣有氣囊狀空腔，靠近右側(cè)邊墻可見跌落狀水流)，但橫斷面水深較為均勻(樁號(hào)0+240.740位置Hl=0.67 m、vl=5.95 m/s；Hr=0.74 m、vr= 4.47 m/s)。一級(jí)階梯位置右側(cè)的彈射水流(最大水翅高度達(dá)0.60 m)幾乎呈拋射狀越過二級(jí)階梯位置[12]，致使末級(jí)階梯水流紊亂加劇(階梯角隅處有明顯的橫軸旋渦[13]，旋渦上方有空腔存在)，水流互相摻混以后呈跌落狀進(jìn)入尾水渠(水股落點(diǎn)距離階梯1.58 m左右)，見圖4a。跌落水流和空氣的混摻使得尾水渠水深加大[14]，水面菱形狀沖擊波互相疊加，階梯下游近25 m范圍內(nèi)的尾水渠水流流態(tài)惡化，紊動(dòng)加劇(樁號(hào)0+259.140斷面平均水深0.49 m，臨邊流速最大達(dá)6.48 m/s；波峰處水深超過0.70 m)[15-16]。

a)修改方案

隨流量增大，階梯水流流態(tài)均有所改善，P=5%時(shí)，仍可觀察到靠近右側(cè)邊墻階梯上的水流跌落和彈射現(xiàn)象。而尾水渠水流流態(tài)則隨流量增大趨于紊亂，P=10 %的下游尾水渠內(nèi)折沖水流現(xiàn)象依然存在(樁號(hào)0+259.140位置，Hl=0.63 m、vl=7.88 m/s；Hr=0.84 m、vr= 6.77 m/s)。

1.4 改進(jìn)方案階梯及尾水流態(tài)變化

1.4.1階梯體型尺寸

過渡水流變?yōu)榛兴鞯慕缦匏?滑行水流的下限)he2由下式得到[17]：

(1)

式中he2——為界限水深；a——階梯高度；θ——階梯坡角。

由此得到不同特性流量所對(duì)應(yīng)的階梯體型尺寸見表2。

表2 特征流量下階梯體型尺寸計(jì)算成果 單位：m

考慮到消力池下游尾水渠及河道防洪標(biāo)準(zhǔn)不高，為了保證小流量常遇洪水時(shí)的尾水渠水流流態(tài)及岸坡穩(wěn)定性[18]，階梯高度不宜大于0.76 m。結(jié)合工程實(shí)際，將階梯體型尺寸由2.50 m×1.50 m調(diào)整為1.00 m×0.60 m(改進(jìn)方案)，階梯數(shù)量相應(yīng)增加為九級(jí)[19](末級(jí)階梯高度0.40 m)。

1.4.2階梯及尾水渠水流流態(tài)

階梯體型尺寸調(diào)整后，對(duì)彎道水流流態(tài)變化影響不大，對(duì)于常遇洪水流量，階梯水流及下游尾水水流的流態(tài)均明顯好轉(zhuǎn)：5年一遇洪水情況下，階梯呈滑行狀，僅在首級(jí)階梯下游近左側(cè)邊墻附近可觀察到水流平挑現(xiàn)象(首級(jí)階梯附近Hl=0.84 m、vl=5.18 m/s；Hr=0.89 m、vr=3.63 m/s)，其后的階梯水深沿程下降(圖4b)，下游尾水渠沿程水深逐漸增大，橫斷面水深分布相對(duì)均勻，摻氣現(xiàn)象基本消失：樁號(hào)0+259.140附近流速5.31 m/s，較之階梯體型調(diào)整之前，流態(tài)改善明顯[20]。

2 結(jié)語

云南省鳳慶縣大擺田水庫溢洪道出口坎式底流消力池和下游尾水渠之間在進(jìn)行二次消能的同時(shí)需要通過彎道予以銜接：將二次消能所采用的階梯布設(shè)于彎道內(nèi)，凹岸一側(cè)水流爬升、凸岸一側(cè)階梯水流跌落明顯，并在底板位置交匯加劇下游折沖。鑒于消力池長度相對(duì)富余，考慮將階梯前移至彎道(里程不變)上游布置：客觀上，階梯對(duì)水流存在加速作用，彎道對(duì)加速后的階梯水流擾動(dòng)明顯，尾水渠水流折沖依舊。

在此基礎(chǔ)上，將階梯后移至彎道下游，消能防沖流量下的尾水渠流態(tài)較為平順，但小流量常遇洪水情況下，階梯跌落水流加劇了下游尾水渠的水流紊亂；故在階梯后移至彎道下游的組合布置方案中，將階梯體型尺寸由2.50 m×1.50 m調(diào)整為1.00 m×0.60 m，使之能夠在滿足二次消能同時(shí)，很好地平順階梯水流流態(tài)，保證小流量洪水平順歸河，滿足工程設(shè)計(jì)要求。