狹窄河谷溢洪洞出口挑坎體型優化研究

龔漢忠,李小英,李振華,孫先仍

(1.長江設計集團有限公司,武漢 430010;2.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司,重慶 401121)

1 研究背景

在水利水電樞紐工程中,選擇合理的泄水建筑物及消能工型式,是關系到整個工程安全性與經濟性的重要因素[1]。近年來,隨著對泄水建筑物及消能工的研究不斷深入,挑流消能逐漸成為常見的消能方式。

挑流消能工雖具有結構簡單、投資少的優點[2],但也容易受到地形的限制,對挑流水舌方向、形態和地質條件要求均較高[3],特別是當位于狹窄河道的水利工程的岸邊溢洪道或泄洪洞采用挑流消能時,其洞軸線與河道往往存在一定夾角,容易產生水舌脫槽或水流集中的現象[4]。張守磊等[5]研究指出斜切挑坎出切角是影響挑流水舌形態的關鍵因素;吳鵬[6]提出差動鼻坎挑流距離與沖坑深度計算公式之中考慮空氣阻力和浮力的影響更符合工程實際;余挺等[7]基于水流特性與下游沖刷淤積情況提出了一種新型橢圓型挑流鼻坎;何志亞等[8]采用模型試驗對沙河水庫的挑流鼻坎進行優化;張建民[9]、孫雙科等[10]指出當狹窄河谷高壩工程岸邊溢洪道和泄洪洞采用挑流消能時,水流如何順利歸槽和下游岸坡防護是必須面對的技術難題。

本文以某擬建水庫為研究對象,針對該工程設計方案中普通挑坎存在水舌集中、水舌砸岸和沖刷嚴重等現象,采用物理模型試驗的研究方法,對挑坎體型進行了深入優化,以期通過改善挑流水舌落點范圍、沖刷位置和坡腳沖刷深度,從而達到保護下游岸坡和減小對下游河床沖刷的目的,為實際工程的設計優化提供一定參考。

2 工程概況

某擬建水庫是一座以城鎮供水、農業灌溉為主,兼顧發電的中型水利工程。溢洪道布置于大壩左岸,由進水渠、控制段、明泄槽收縮段、洞身段及出口消能段組成。初設方案下溢洪道全長593.34 m,進水渠呈喇叭形,長78.78 m,底部高程814.00 m;控制段長度33.00 m,堰頂高程819.00 m,堰面采用WES實用堰;洞身段長度418.86 m,采用城門洞型,斷面尺寸8.50 m×13.50 m～8.50 m×10.00 m(寬×高),底坡為1∶11。出口采用挑流消能,挑流鼻坎頂高程772.39 m,反弧段半徑40.00 m,挑角25°,挑坎水平長度20.53 m。溢洪道設計方案如圖1所示。本工程消能防沖洪水、設計洪水和校核洪水的對應洪水頻率分別為P=3.3%、2.0%和0.1%,對應下泄洪水流量分別為788.0 m3/s、873.0 m3/s、1250.0 m3/s,對應單寬流量分別為92.7 m3/(m·s)、102.7 m3/(m·s)、147.1 m3/(m·s)。

3 設計方案驗證

3.1 模型制作

試驗模型按重力相似準則設計為比尺為λl=λh=30的正態模型,泄洪洞采用有機玻璃制作,其糙率為0.008,按比尺換算至原型約為0.014,與原型混凝土糙率基本相當。下游河道水舌落點區域及下游河道影響區域采用動床分層模擬,表層河道覆蓋層按原始河床級配按照起動流速相似和推移質輸沙相似采用天然砂模擬,模擬高程至740.0 m。覆蓋層以下的基巖層按抗沖流速1.5～2.0 m/s考慮,采用碎石模擬,模型試驗中采用的碎石粒徑為4～6 mm,模擬高程至720.0 m。

3.2 設計方案工程水力學問題分析

設計方案泄洪洞進口溢流堰體型滿足泄流能力要求,挑坎出流基本順暢,能形成完整的挑流水舌,但水舌落點相對集中且部分水舌會沖擊左岸岸坡,河道(尤其河道右岸坡腳處)沖刷嚴重,最大沖刷深度為21.3 m,對右岸岸坡穩定影響較大,且所需的防護成本較高。分析認為,出現上述工程問題是由河谷狹窄、河床覆蓋層深厚、挑坎體型缺陷及高速水力學等因素綜合引起的。不同泄流工況下,挑坎入口部位水流流速達到26.0～27.5 m/s,挑坎右側擴散段較短(9.0 m)且邊墻圓弧半徑相對較小(12.0 m),高速水流在挑坎范圍無法向右側充分擴散,致使水流集中于挑坎左側,且水流在空中亦未充分擴散。同時,在狹窄河谷內,水舌入水后的垂直逆向旋滾會淘刷河道兩岸山體坡腳,致使坡腳處沖刷嚴重?；谝陨弦蛩?本文擬通過優化挑流鼻坎體型來實現河道沖刷幅度的改善。

4 挑坎體型優化及成果分析

4.1 優化方案簡介

體型優化以減小河道(尤其河道右岸坡腳)部位的局部沖刷為目標,重點從分散挑流水舌落點、減小單位面積水流功率、水舌落點控制于河道中部等方面考慮,對挑坎體型和邊墻體型進行優化?；诒竟こ酞M窄河谷、深厚覆蓋層、基巖抗沖流速小的特點,提出了“斜切挑坎”“斜切挑坎+圓弧形左邊墻”“雙差動燕尾坎+圓弧形左邊墻”和“差動燕尾挑坎+圓弧形邊墻”等四種方案。

優化方案一(TK1)出口設計為斜切挑坎,考慮通過增大挑坎圓弧半徑和右側邊墻擴散半徑和增加挑坎長度等措施,優化后的挑坎圓弧半徑為45.0 m,出口高程776.13 m,右側邊墻半徑為30.0 m,挑坎水平長度增加27.53 m,具體參數如圖3(a)。為了避免左側水舌沖擊河道左岸,優化方案二(TK2)在優化方案一的基礎上,將左側邊墻亦采用圓弧銜接,圓弧半徑為190.0 m(約22倍洞寬、40～50倍水深),相當于挑坎左側出口向河道內收縮2.0 m,具體參數如圖3(b)。為了進一步分散水舌落點和增加落點范圍,讓部分水流在挑坎內提前墜落,優化方案三(TK3)在優化方案二的基礎上在圓弧挑坎內增加了兩個燕尾缺口,缺口首部寬度為1.0 m,具體參數如圖3(c)。優化方案四(TK4)在優化方案三的基礎上,為了使提前墜落的水體流量增大,將挑坎半徑調整為50.0 m,左側邊墻圓弧半徑為220.0 m,燕尾坎首部缺口寬度增大2.5 m,出口處斜寬為10.3 m,缺口處出口高程為770.51 m,具體參數如圖3(d)。

4.2 水舌參數對比研究

不同優化方案下水舌落點參數如表1所示,水舌流態如圖4所示。研究結果表明:方案TK1和TK2下,水舌擴散較均勻,挑流水舌在空中形態比較舒展,挑流水舌落點整體呈“一字型”順河道向跌流進入河道,水舌寬度整體呈前窄后寬的狀態,鑒于高速水流難以充分擴散,大量水體仍沿挑坎左側流動,位于遠端的主落點區分擔了50%左右的流量。方案TK2下挑流水舌落點均位于河道范圍內,水舌落點砸蝕左岸岸坡現象消失。由于高速水流對過流邊界適應性較差,在水流慣性作用和左側圓弧邊墻共同作用下,挑坎左側水體產生翻卷和疊加現象,左側水舌較厚且落點相對集中。

表1 各工況下挑流水舌參數對比

(a)TK1

方案TK3中燕尾缺口相對較小,僅有少量水體經由燕尾缺口下泄,未實質性改善挑坎左側出流集中的現象,對水舌落點范圍改善較小。經缺口下泄部分水流與經左側挑坎下泄的部分水流仍然存在重疊區,此外主流落水點范圍右側岸坡坡腳仍然被淘刷。方案TK4下,隨著燕尾缺口寬度增大和起挑點后移,挑坎右側擴散充分,水舌縱向拉升顯著,水舌落點呈“T字型”,燕尾缺口能分擔部分流量,挑坎各部位流量分配基本合理,說明燕尾缺口有效增大了水舌落點范圍。不同流量下的水舌厚度介于2.5～3.4 m,左岸水舌落點在68～115 m,右岸平均落點為100～140 m。

4.3 河床沖刷

不同優化方案下沖刷形態如圖5和圖6所示,水舌落點范圍內的河床覆蓋層均會沖刷流失,最大沖刷深度點位于主落點區內,但隨水舌落點位置不同,沖刷范圍和沖刷深度均存在差異,本文重點對比了消能防沖洪水(788.0 m3/s,P=3.3%)的河床沖刷。方案TK1下河道右岸最大沖刷深度點位于挑坎出口下游50～80 m坡腳部位,最大沖刷深度點高程約為732.80 m,相對沖刷深度約18.20 m;河道左岸最大沖刷深度點位于挑坎出口下游80～130 m的坡腳部位,最大沖刷深度點高程約為733.60 m,相對沖刷深度約17.40 m。方案TK2時較方案TK1的沖刷范圍相對減少,但沖刷區域集中于挑坎出口下游60～90 m的右岸坡腳,最大沖刷深度點高程約為731.50 m,相對沖刷深度約19.50 m。方案TK3下右岸最大沖刷深度點位于挑坎出口下游110～130 m的坡腳部位,最大沖刷深度區均集中于河道右岸坡腳,高程約為731.04 m,平均沖刷深度約19.9 m。方案TK4下主流區水舌落點呈“T字型”,最大沖刷深度點跟隨主落點向河道中部移動,不會存在水體砸落岸坡的現象,河道右岸最大沖刷高程約為732.88 m,位于挑坎出口下游80～100 m。

(a)TK1

(a)最大沖刷斷面橫剖面

在方案TK4下特征工況時的沖刷成果如表2所示,隨下泄流量增大河道沖坑深度增大,沖刷侵蝕面積擴大,最大沖刷深度點位置相應移動。消能防沖洪水、設計洪水和校核洪水下,沖刷坑位置分別位于挑坎出口下游80～100 m、80～120 m和75～105 m,相應的最大沖刷深度點高程分別為732.88 m、728.80 m和726.41 m,相對沖刷深度分別為18.12 m、22.20 m和24.59 m。消能防沖洪水和設計洪水下,沖坑上游側最陡坡度分別為1∶3.85和1∶3.45,距挑坎末端分別約35 m和60 m。整體而言,沖刷坑和最大沖刷深度二者與泄洪洞出口距離均相對較遠,能夠確保泄洪建筑物的安全。

表2 下游河道沖淤參數對比

4.4 消能率

分別選取試驗模型溢洪道出口和尾水渠坎頂所在的垂向過水斷面作為上、下游計算斷面,建立上、下游斷面的能量方程,有:

(1)

(2)

(3)

式中,η為消能率,%;Z0為上下游斷面相對高程,m;H0、H1為上、下游計算斷面水深,m;a0、a1分別為上、下游動能修正系數;v0、v1分別為上、下游斷面水流流速,取表中底平均流速,m/s;g為重力加速度,m2/s。

不同優化方案下的消能率計算結果如表3所示。由表3可知,同工況下,TK1的消能率最低,介于65.18%～71.31%,TK2、TK3、TK4的消能率分別為66.13%～73.31%、65.41%～72.82%和68.26%～74.42%,方案TK4綜合消能率較其他方案略有增大,但整體增幅不明顯。以上成果表明:一方面采用燕尾坎能夠分散水舌落點,通過增大水舌落點范圍以減小單位面積水流功率,進而增加消能率;另一方面,由于基巖抗沖流速低,采用燕尾坎在增加水舌落點范圍的同時也會相對增大河道的沖刷范圍,進而增加了消能水體,故可相對增加消能率。

表3 消能率計算

5 結論

針對某擬建水庫工程溢洪洞出口河道河谷狹窄、地質條件差、單寬流量大等工程問題,采用水工模型試驗的方法對溢洪洞出口挑坎體型進行深入優化。研究表明,當溢洪洞出口位于狹窄河谷且地質條件差(覆蓋層深厚、基巖抗沖流速低)的河道時,如果選擇采用挑流消能方式,挑坎設計需盡量分散水舌落點范圍,斜切燕尾挑坎能夠使挑流水舌呈“T字型”分布,實現了一定幅度增大水舌落點范圍、減小水舌入水單寬功率和局部沖刷等目的,繼而增大了河道消能區的整體消能率,使消能率達到65%以上。

總體分析認為,斜切燕尾型挑坎能夠較好控制高速水流在挑坎內的流量分配和一定程度上改善工程消能防沖效果,但無法實質性地改善局部河道沖刷。對于具有高流速的中高水頭水利水電工程,如果泄洪建筑物出口區存在河谷狹窄、覆蓋層深厚、岸坡地質條件差、單寬流量大等不利因素,工程設計中建議謹慎選擇采用挑流消能措施,且必須根據沖刷試驗成果做好岸坡防護。