吊洞水庫(kù)工程溢洪道模型試驗(yàn)優(yōu)化

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(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

隨著壩工建設(shè)的快速發(fā)展，近年來(lái)新型消能工不斷出現(xiàn)，其中挑流消能已成為高水頭、大單寬流量泄水建筑物的主要消能措施。目前主要的挑流消能技術(shù)有連續(xù)式消能工、差動(dòng)式消能工、窄縫消能工或聯(lián)合消能工等形式。對(duì)于狹窄河谷地形的拱壩，表孔挑流消能容易產(chǎn)生向心集中問(wèn)題，流速大且水股集中，能量較大，不妥善處理，將會(huì)導(dǎo)致下游河床和岸坡沖刷嚴(yán)重，而差動(dòng)式挑坎能有效地在空中消能，控制射流的落水位置和范圍，能較好地保護(hù)岸坡和減輕對(duì)河道沖刷。但泄洪建筑物對(duì)消能工體型要求嚴(yán)格，體型不合理會(huì)帶來(lái)水舌形態(tài)不穩(wěn)定、空化、下游沖刷等一系列問(wèn)題，需要通過(guò)模型試驗(yàn)或模擬等方法對(duì)消能工體型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)對(duì)吊洞水庫(kù)溢洪道水工模型試驗(yàn)工程實(shí)例，運(yùn)用水工模型試驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)成果對(duì)溢洪道差動(dòng)式消能工體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

吊洞水庫(kù)位于丹寨縣興仁鎮(zhèn)擺泥河上，工程任務(wù)為工業(yè)供水、城鎮(zhèn)供水和農(nóng)田灌溉。水庫(kù)校核洪水位744.25 m，總庫(kù)容2210萬(wàn)m3，正常蓄水位742 m，興利庫(kù)容2012萬(wàn)m3。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。

水庫(kù)樞紐主要建筑物由碾壓砼拱壩、壩頂開(kāi)敞式溢洪道、左岸壩身放空底孔、右岸取水口等建筑物組成。

溢流表孔沿拱壩中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，為有閘控制的開(kāi)敞式表孔，設(shè)三孔8 m×7 m弧形鋼閘門(mén)，堰頂高程735 m，溢流前沿凈寬24 m，最大單寬泄流量為55.4 m3/(s·m)，閘墩最大厚度3.5 m、最小厚度1.6 m，上游圓形墩頭半徑為1.75 m。

溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂下游的堰面曲線(xiàn)為：y=0.09529x1.85，堰面曲線(xiàn)前接x2/2000+y2/1200=1的橢圓曲線(xiàn)，后接半徑為9 m的反弧段，出口采用挑流消能，坎頂高程726.525 m，挑角α=10°。

2 模型設(shè)計(jì)及制作

水力學(xué)模型試驗(yàn)采用正態(tài)整體模型，按重力相似設(shè)計(jì)，選定水工模型的幾何比尺Lr=1∶50。模型地形部分采用斷面板法控制，水泥砂漿抹制，其高程誤差控制在±2 mm，平面誤差控制在±10 mm。壩體用樣板控制，磚砌、水泥砂漿抹制而成，閘門(mén)、底孔用柏木制作。溢流堰面按溢流曲線(xiàn)用樣板控制，采用水泥砂漿刮制，邊墩用水泥制作，其高程誤差控制在±0.3 mm。

3 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

3.1 堰面流態(tài)

設(shè)計(jì)方案庫(kù)區(qū)水流流經(jīng)溢流表孔時(shí)，左右兩邊孔的水流出現(xiàn)擾動(dòng)，其中左、右邊孔受取水口和底孔閘門(mén)井的影響，使得經(jīng)過(guò)左、右邊孔的水流擺動(dòng)，并且隨著下泄流量的加大，左、右邊孔內(nèi)的擺動(dòng)水流范圍也在加大，當(dāng)下泄流量達(dá)到校核流量時(shí)，左、右邊孔的擺動(dòng)水流的擺動(dòng)范圍超過(guò)了2/3的孔口寬度。

3.2 泄流能力

模型試驗(yàn)在各級(jí)流量下分別對(duì)溢流表孔各特征流量的泄流能力進(jìn)行測(cè)試，其成果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)方案溢流面特征流量水位流量關(guān)系成果

由試驗(yàn)看出：當(dāng)下泄流量達(dá)到校核流量1350 m3/s時(shí)，試驗(yàn)庫(kù)水位為744.39 m，比設(shè)計(jì)庫(kù)水位高0.14 m。

3.3 下游流態(tài)及沖刷情況

溢流堰后接連續(xù)式挑坎，堰頂與挑流鼻坎高差為6.671 m，挑流鼻坎的反弧半徑僅為9.0 m。在P=3.33%洪水頻率時(shí)，反弧最低點(diǎn)水深2.80 m，反弧半徑為水深的3.21倍；在設(shè)計(jì)流量P=2%時(shí)，反弧最低點(diǎn)水深2.81 m，反弧半徑為水深的3.20倍；在校核流量P=0.2%時(shí)，反弧最低點(diǎn)水深4.89 m，反弧半徑為水深的1.84倍。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)R=(4～10)hc和長(zhǎng)江科學(xué)院提出的自由挑射最小反弧半徑公式Rmin=23h/Fr，判斷反弧半徑偏小，反弧段控制水流挑射作用不明顯，故在各級(jí)流量下，下泄水流在鼻坎處起挑的效果不明顯。

下泄水流入水后形成的涌浪，掏刷兩岸坡腳，同時(shí)由于河床狹窄，下泄水流單寬流量大、動(dòng)能大，使得各級(jí)洪水流量下，下游河床形成較大的沖刷坑。由于溢流表孔的中心線(xiàn)略偏向下游河床左岸，下泄水流也是偏向左岸的，所以河床左岸的沖刷坑深度大于右岸沖刷坑深度。下游沖刷成果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)方案表孔下游沖刷成果表

3.4 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)主要結(jié)論

(1)各級(jí)流量下，左、右邊孔受取水口和放空底孔閘門(mén)豎井的影響，溢流水流在孔內(nèi)擺動(dòng)，并且隨著下泄流量的加大，擺動(dòng)范圍也逐漸加大。

(2)溢流表孔在設(shè)計(jì)工況下，試驗(yàn)庫(kù)水位低于設(shè)計(jì)庫(kù)水位0.02 m；在校核工況下，試驗(yàn)庫(kù)水位高于設(shè)計(jì)庫(kù)水位0.14 m。故溢流表孔的泄流能力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)由于溢流堰面反弧半徑僅有9.0 m，且鼻坎與堰頂?shù)穆洳顬?.475 m，造成反弧水深過(guò)大，挑流效果不明顯。

(4)溢流表孔中心線(xiàn)略偏向左岸，致使下泄水流也偏向左岸，造成下游河床左岸坡腳的下切深度大于右岸坡腳的下切深度。而且河床較為狹窄，下泄水流的入水單寬流量較大，造成下游河床較大的沖刷坑深度和岸坡下切深度。在校核洪水流量(P=0.2%)時(shí)，下游沖刷坑最低點(diǎn)高程648.26 m，最大沖刷坑深度19.74 m，其后坡比1∶9.52，左岸坡腳最大下切深度16.52 m，右岸坡腳最大下切深度9.57 m。

4 修改方案試驗(yàn)及成果分析

修改方案主要解決問(wèn)題為：(1)左、右邊孔過(guò)堰水流平順的問(wèn)題。(2)下泄水流攜帶巨大能量泄入下游河床，造成下游河床形成巨大的沖刷坑和岸坡下切。

采取的措施為取水口閘門(mén)井左側(cè)前沿的直角設(shè)置成半徑1.0 m的圓弧，在放空底孔閘門(mén)井右側(cè)前沿直角設(shè)置成半徑1.0 m的圓弧，使得通過(guò)閘門(mén)井的水流平順進(jìn)入溢流左、右邊孔，水流平順后泄流能力也會(huì)有所增加。同時(shí)考慮挑流鼻坎修改為梯形差動(dòng)式鼻坎，達(dá)到使出坎水流縱向拉開(kāi),橫向擴(kuò)散，增大下泄水流的入水面積，減小入水單寬流量，從而減小沖刷坑深度和岸坡下切的目的。

4.1 差動(dòng)式齒坎體型選擇

在溢流表孔鼻坎處設(shè)置4種差動(dòng)式齒坎消能工。經(jīng)試驗(yàn)，各級(jí)頻率洪水，高坎與低坎水流上下層次明顯，各孔出坎水流為馬蹄形，出坎水舌的縱向拉開(kāi)效果較好。試驗(yàn)情況見(jiàn)表2、表3。

表2 差動(dòng)式齒坎成果表

表3 下游沖刷情況比較表

4.2 差動(dòng)式齒坎方案比較

(1)方案1的齒坎高度為3.0 m,各級(jí)流量下，在齒坎的作用不明顯，尤其是在校核工況下齒坎上水舌較厚，下游沖刷坑深度及兩岸坡下切深度與設(shè)計(jì)方案差不多。

(2)方案2的齒坎高度為4.0 m，每孔齒坎位置居中。該齒坎的高度較為合適，使得出坎水流較為充分起挑和擴(kuò)散，水舌入水的單寬流量就減小了，沖刷坑深度和兩岸坡下切深度也有明顯的改善。由于溢流表孔齒坎的高度為4.0 m，堰頂與鼻坎的落差為4.475 m，如果繼續(xù)再增加梯形齒坎的高度，則將使得堰頂和鼻坎落差進(jìn)一步減小，下泄水舌的挑流效果更加不好。故選定溢流表孔輔助消能工梯形差動(dòng)齒坎的高度為4.0 m。

(3)方案3溢流表孔梯形齒坎的尺寸是采用方案2的尺寸，在設(shè)置上則為左齒坎靠左邊墻，右齒坎靠右邊墻。主要是考慮下游河床狹窄，兩岸坡下切深度較大，將梯形齒坎向兩邊墩靠攏后，則會(huì)進(jìn)一步使下泄水舌向河床中央集中，減小對(duì)兩岸坡腳的沖刷。在試驗(yàn)中，左右兩邊孔的出坎水流與中孔出坎水流在空中有更大程度上的碰撞，空中消能效果比方案2好一些。使得兩邊孔出坎水流向河床集中，但未增加下游河床的沖刷坑深度。

(4)考慮到溢流表孔中心線(xiàn)偏向左岸，造成下泄水流也偏向左岸，使得左岸坡腳下切深度比右岸坡腳深。為進(jìn)一步減小左岸坡腳的下切深度，方案4是在方案3的基礎(chǔ)上，再次修改左邊孔梯形齒坎的形狀和位置，使梯形齒坎在一定程度上起到貼角的作用，左邊孔孔內(nèi)水流完全從齒坎右側(cè)泄出。試驗(yàn)中，校核工況下左岸坡腳下切深度較方案3減小了1.14 m。故采用齒坎方案4。

4.3 修改方案成果分析

(1)試驗(yàn)表明，取水口和放空底孔閘門(mén)井迎水段直角修改為圓弧，圓弧連接曲線(xiàn)的設(shè)置，使得各級(jí)流量下，經(jīng)過(guò)取水口和放空底孔閘門(mén)井進(jìn)入左、右邊墩的水流均較原方案平順流入，且孔內(nèi)擺動(dòng)水流的現(xiàn)象也大大減弱了。

(2)在校核工況下，試驗(yàn)庫(kù)水位僅比設(shè)計(jì)庫(kù)水位高0.02 m，已基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要，說(shuō)明溢流表孔左、右邊孔流態(tài)的改善，對(duì)大壩的泄流能力略有增加。

(3)溢流表孔梯形差動(dòng)式齒坎的設(shè)置，使溢流表孔出坎水流縱向拉開(kāi)，增大了水舌的入水單寬面積，減小了入水水舌的單寬流量，從而減小了下游河床沖刷坑深度和兩岸岸坡下切深度。特別是左右邊孔的梯形坎緊靠左右邊墩，使得左右邊孔下泄水流與中孔下泄水流有更加充分碰撞，消耗下泄水流攜帶的能量，進(jìn)一步減小了兩岸坡腳的下切深度，尤其是左岸坡腳的下切深度有明顯的減少。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)新型挑坎的挑距和沖坑深度與傳統(tǒng)的連續(xù)式挑坎計(jì)算成果相差較大，由于挑坎型式不同，導(dǎo)致水流能量分配方式也不同，挑距及沖坑深度也不同。因此通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)挑坎型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)更加必要。

(2)根據(jù)工程實(shí)際地形及建筑物布置，造成下泄水流偏向時(shí)，可考慮非對(duì)稱(chēng)布置差動(dòng)式挑坎，能較好地達(dá)到保護(hù)岸坡的目的。

(3)工程實(shí)際運(yùn)用表明吊洞水庫(kù)溢洪道采用差動(dòng)式挑坎，經(jīng)過(guò)水力學(xué)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)研究所確定的優(yōu)化方案，能夠很好地解決下游消能及沖刷問(wèn)題。