龔漢忠,李小英,李振華,孫先仍

(1.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,武漢 430010;2.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)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(guān)系到整個(gè)工程安全性與經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)簡單、投資少的優(yōu)點(diǎn)[2],但也容易受到地形的限制,對挑流水舌方向、形態(tài)和地質(zhì)條件要求均較高[3],特別是當(dāng)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(shí),其洞軸線與河道往往存在一定夾角,容易產(chǎn)生水舌脫槽或水流集中的現(xiàn)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(tài)的關(guān)鍵因素;吳鵬[6]提出差動(dòng)鼻坎挑流距離與沖坑深度計(jì)算公式之中考慮空氣阻力和浮力的影響更符合工程實(shí)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(yàn)對沙河水庫的挑流鼻坎進(jìn)行優(yōu)化;張建民[9]、孫雙科等[10]指出當(dāng)狹窄河谷高壩工程岸邊溢洪道和泄洪洞采用挑流消能時(shí),水流如何順利歸槽和下游岸坡防護(hù)是必須面對的技術(shù)難題。

本文以某擬建水庫為研究對象,針對該工程設(shè)計(jì)方案中普通挑坎存在水舌集中、水舌砸岸和沖刷嚴(yán)重等現(xiàn)象,采用物理模型試驗(yàn)的研究方法,對挑坎體型進(jìn)行了深入優(yōu)化,以期通過改善挑流水舌落點(diǎn)范圍、沖刷位置和坡腳沖刷深度,從而達(dá)到保護(hù)下游岸坡和減小對下游河床沖刷的目的,為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定參考。

2 工程概況

某擬建水庫是一座以城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼顧發(fā)電的中型水利工程。溢洪道布置于大壩左岸,由進(jìn)水渠、控制段、明泄槽收縮段、洞身段及出口消能段組成。初設(shè)方案下溢洪道全長593.34 m,進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)方案如圖1所示。本工程消能防沖洪水、設(shè)計(jì)洪水和校核洪水的對應(yīng)洪水頻率分別為P=3.3%、2.0%和0.1%,對應(yīng)下泄洪水流量分別為788.0 m3/s、873.0 m3/s、1250.0 m3/s,對應(yīng)單寬流量分別為92.7 m3/(m·s)、102.7 m3/(m·s)、147.1 m3/(m·s)。

3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

3.1 模型制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)為比尺為λl=λh=30的正態(tài)模型,泄洪洞采用有機(jī)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(dāng)。下游河道水舌落點(diǎn)區(qū)域及下游河道影響區(qū)域采用動(dòng)床分層模擬,表層河道覆蓋層按原始河床級配按照起動(dòng)流速相似和推移質(zhì)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(yàn)中采用的碎石粒徑為4～6 mm,模擬高程至720.0 m。

3.2 設(shè)計(jì)方案工程水力學(xué)問題分析

設(shè)計(jì)方案泄洪洞進(jìn)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(diǎn)相對集中且部分水舌會(huì)沖擊左岸岸坡,河道(尤其河道右岸坡腳處)沖刷嚴(yán)重,最大沖刷深度為21.3 m,對右岸岸坡穩(wěn)定影響較大,且所需的防護(hù)成本較高。分析認(rèn)為,出現(xiàn)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(xué)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(dá)到26.0～27.5 m/s,挑坎右側(cè)擴(kuò)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(cè)充分?jǐn)U散,致使水流集中于挑坎左側(cè),且水流在空中亦未充分?jǐn)U散。同時(shí),在狹窄河谷內(nèi),水舌入水后的垂直逆向旋滾會(huì)淘刷河道兩岸山體坡腳,致使坡腳處沖刷嚴(yán)重。基于以上因素,本文擬通過優(yōu)化挑流鼻坎體型來實(shí)現(xiàn)河道沖刷幅度的改善。

4 挑坎體型優(yōu)化及成果分析

4.1 優(yōu)化方案簡介

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

優(yōu)化方案一(TK1)出口設(shè)計(jì)為斜切挑坎,考慮通過增大挑坎圓弧半徑和右側(cè)邊墻擴(kuò)散半徑和增加挑坎長度等措施,優(yōu)化后的挑坎圓弧半徑為45.0 m,出口高程776.13 m,右側(cè)邊墻半徑為30.0 m,挑坎水平長度增加27.53 m,具體參數(shù)如圖3(a)。為了避免左側(cè)水舌沖擊河道左岸,優(yōu)化方案二(TK2)在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上,將左側(cè)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(dāng)于挑坎左側(cè)出口向河道內(nèi)收縮2.0 m,具體參數(shù)如圖3(b)。為了進(jìn)一步分散水舌落點(diǎn)和增加落點(diǎn)范圍,讓部分水流在挑坎內(nèi)提前墜落,優(yōu)化方案三(TK3)在優(yōu)化方案二的基礎(chǔ)上在圓弧挑坎內(nèi)增加了兩個(gè)燕尾缺口,缺口首部寬度為1.0 m,具體參數(shù)如圖3(c)。優(yōu)化方案四(TK4)在優(yōu)化方案三的基礎(chǔ)上,為了使提前墜落的水體流量增大,將挑坎半徑調(diào)整為50.0 m,左側(cè)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(shù)如圖3(d)。

4.2 水舌參數(shù)對比研究

不同優(yōu)化方案下水舌落點(diǎn)參數(shù)如表1所示,水舌流態(tài)如圖4所示。研究結(jié)果表明:方案TK1和TK2下,水舌擴(kuò)散較均勻,挑流水舌在空中形態(tài)比較舒展,挑流水舌落點(diǎn)整體呈“一字型”順河道向跌流進(jìn)入河道,水舌寬度整體呈前窄后寬的狀態(tài),鑒于高速水流難以充分?jǐn)U散,大量水體仍沿挑坎左側(cè)流動(dòng),位于遠(yuǎn)端的主落點(diǎn)區(qū)分擔(dān)了50%左右的流量。方案TK2下挑流水舌落點(diǎn)均位于河道范圍內(nèi),水舌落點(diǎn)砸蝕左岸岸坡現(xiàn)象消失。由于高速水流對過流邊界適應(yīng)性較差,在水流慣性作用和左側(cè)圓弧邊墻共同作用下,挑坎左側(cè)水體產(chǎn)生翻卷和疊加現(xiàn)象,左側(cè)水舌較厚且落點(diǎn)相對集中。

表1 各工況下挑流水舌參數(shù)對比

(a)TK1

方案TK3中燕尾缺口相對較小,僅有少量水體經(jīng)由燕尾缺口下泄,未實(shí)質(zhì)性改善挑坎左側(cè)出流集中的現(xiàn)象,對水舌落點(diǎn)范圍改善較小。經(jīng)缺口下泄部分水流與經(jīng)左側(cè)挑坎下泄的部分水流仍然存在重疊區(qū),此外主流落水點(diǎn)范圍右側(cè)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(diǎn)后移,挑坎右側(cè)擴(kuò)散充分,水舌縱向拉升顯著,水舌落點(diǎn)呈“T字型”,燕尾缺口能分擔(dān)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(diǎn)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(diǎn)在68～115 m,右岸平均落點(diǎn)為100～140 m。

4.3 河床沖刷

不同優(yōu)化方案下沖刷形態(tài)如圖5和圖6所示,水舌落點(diǎn)范圍內(nèi)的河床覆蓋層均會(huì)沖刷流失,最大沖刷深度點(diǎn)位于主落點(diǎn)區(qū)內(nèi),但隨水舌落點(diǎn)位置不同,沖刷范圍和沖刷深度均存在差異,本文重點(diǎn)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(diǎn)位于挑坎出口下游50～80 m坡腳部位,最大沖刷深度點(diǎn)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(diǎn)位于挑坎出口下游80～130 m的坡腳部位,最大沖刷深度點(diǎn)高程約為733.60 m,相對沖刷深度約17.40 m。方案TK2時(shí)較方案TK1的沖刷范圍相對減少,但沖刷區(qū)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(diǎn)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(diǎn)位于挑坎出口下游110～130 m的坡腳部位,最大沖刷深度區(qū)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(qū)水舌落點(diǎn)呈“T字型”,最大沖刷深度點(diǎn)跟隨主落點(diǎn)向河道中部移動(dòng),不會(huì)存在水體砸落岸坡的現(xiàn)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(shí)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(kuò)大,最大沖刷深度點(diǎn)位置相應(yīng)移動(dòng)。消能防沖洪水、設(shè)計(jì)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(yīng)的最大沖刷深度點(diǎn)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(shè)計(jì)洪水下,沖坑上游側(cè)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(yuǎn),能夠確保泄洪建筑物的安全。

表2 下游河道沖淤參數(shù)對比

4.4 消能率

分別選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵绾榈莱隹诤臀菜岔斔诘拇瓜蜻^水?dāng)嗝孀鳛樯稀⑾掠斡?jì)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(jì)算斷面水深,m;a0、a1分別為上、下游動(dòng)能修正系數(shù);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(yōu)化方案下的消能率計(jì)算結(jié)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(diǎn),通過增大水舌落點(diǎn)范圍以減小單位面積水流功率,進(jìn)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(diǎn)范圍的同時(shí)也會(huì)相對增大河道的沖刷范圍,進(jìn)而增加了消能水體,故可相對增加消能率。

表3 消能率計(jì)算

5 結(jié)論

針對某擬建水庫工程溢洪洞出口河道河谷狹窄、地質(zhì)條件差、單寬流量大等工程問題,采用水工模型試驗(yàn)的方法對溢洪洞出口挑坎體型進(jìn)行深入優(yōu)化。研究表明,當(dāng)溢洪洞出口位于狹窄河谷且地質(zhì)條件差(覆蓋層深厚、基巖抗沖流速低)的河道時(shí),如果選擇采用挑流消能方式,挑坎設(shè)計(jì)需盡量分散水舌落點(diǎn)范圍,斜切燕尾挑坎能夠使挑流水舌呈“T字型”分布,實(shí)現(xiàn)了一定幅度增大水舌落點(diǎn)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(qū)的整體消能率,使消能率達(dá)到65%以上。

總體分析認(rèn)為,斜切燕尾型挑坎能夠較好控制高速水流在挑坎內(nèi)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(shí)質(zhì)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(qū)存在河谷狹窄、覆蓋層深厚、岸坡地質(zhì)條件差、單寬流量大等不利因素,工程設(shè)計(jì)中建議謹(jǐn)慎選擇采用挑流消能措施,且必須根據(jù)沖刷試驗(yàn)成果做好岸坡防護(hù)。