改善泄洪放空洞挑流消能效果的試驗(yàn)研究

孫東坡，曹 帥，宋永軍，吳新宇

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

某水庫設(shè)計(jì)洪水位1 061 m，校核洪水位1 063.67 m，死水位1 042 m，設(shè)有溢洪道與泄洪放空隧洞.泄洪放空隧洞全長303.63 m，洞身設(shè)計(jì)為城門洞型無壓隧洞，末端設(shè)挑流消能工.隧洞包括進(jìn)水塔、明流隧洞段、出口泄槽段、挑流段和出口護(hù)坦.消能工為連續(xù)式挑坎，反弧半徑35 m，挑角25°，坎頂高程1 020.89 m.放空洞下游為一彎道，挑坎軸線斜對(duì)河道右岸防護(hù)堤，堤后為施工方營地.為保證右岸防護(hù)堤的安全，須對(duì)設(shè)計(jì)方案中的挑流消能工的挑流消能效果及下游河道流態(tài)做進(jìn)一步深入分析.

1 研究方法

研究對(duì)象為放空洞挑流消能工，涉及范圍包括部分庫區(qū)、放空洞全部及下游部分河道，如圖1所示.采用水力模擬方法進(jìn)行試驗(yàn)研究.根據(jù)泄洪放空洞的運(yùn)用特點(diǎn)，水力模擬采用正態(tài)水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，泄流建筑物采用有機(jī)玻璃制作，下游河道為動(dòng)床模擬.模型設(shè)計(jì)中，水流遵循重力－慣性力準(zhǔn)則，兼顧紊動(dòng)阻力相似;下游河床質(zhì)遵循泥沙起動(dòng)相似選擇模型沙粒徑比尺，同時(shí)還考慮了氣候?qū)λ黟ば缘挠绊懀?］. 模型按《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5244—2010)設(shè)計(jì)，模型主要控制比尺見表1.

圖1 泄洪放空洞下游平面布置

表1 模型設(shè)計(jì)比尺

2 研究成果及分析

2.1 泄洪放空洞泄流能力

泄洪放空洞閘門全開泄流時(shí)，進(jìn)口處為壓力流，其后逐漸轉(zhuǎn)變成無壓流;隨著水庫水位增高，放空隧洞過流能力逐漸增大，實(shí)測庫水位－流量關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 閘門全開時(shí)庫水位－流量關(guān)系曲線

2.2 原設(shè)計(jì)方案泄洪放空洞挑流消能特點(diǎn)

水庫放空洞在校核洪水位時(shí)閘門全開，全洞為急流，洞身段水流順暢，挑流段出口形成自由挑射水舌，流速最大可達(dá)30 m/s，如圖3所示.

圖3 校核洪水時(shí)挑流水舌及下游流態(tài)

出挑流鼻坎后射流水股直沖右岸防護(hù)堤，水舌跌落后引起水面劇烈波動(dòng)，形成水墊塘;同時(shí)還形成長達(dá)30 ～40 m 的沖刷坑，最大沖刷深度15 m 左右，沖刷最深點(diǎn)距挑流鼻坎下游55 m. 設(shè)計(jì)洪水位(1 061.00 m)及校核洪水位(1 063.67 m)時(shí)挑流水舌、下游河床沖刷及涌浪等相關(guān)水力數(shù)據(jù)見表2.

表2 泄洪放空洞挑流消能及沖刷水力要素統(tǒng)計(jì)

由于水舌入水點(diǎn)距右邊岸很近(30 ～40 m)，形成對(duì)右岸強(qiáng)烈的波動(dòng)沖擊，水流頂沖岸坡的位置正對(duì)營地，涌浪波動(dòng)幅度平均2.3 m.頂沖邊岸的水流部分反轉(zhuǎn)，順右岸防護(hù)堤形成強(qiáng)度很高的順時(shí)針環(huán)流，邊岸回流流速達(dá)2. 2 ～4. 2 m/s，最大流速達(dá)5.0 m/s，沖刷深度一般在5.0 ～7.0 m;在涌浪和邊岸回流的共同作用下，右岸洪水位明顯偏高，校核洪水時(shí)有部分右岸防護(hù)堤漫溢.

受跌落水舌的摩擦影響，水舌左側(cè)也有環(huán)流產(chǎn)生，但回流范圍、回流強(qiáng)度與邊岸沖刷都明顯低于右岸，回流流速一般為1.2 ～2.3 m/s，局部沖刷深度一般為3.2 ～4.3 m.挑射水流在沖刷河床形成沖坑的同時(shí)，還將泥沙推向下游形成沙坎.水流沖刷防護(hù)堤護(hù)岸坡腳，沖深較大，一般為1.65 ～5.20 m;下游左岸山根近岸流速一般在1.6 ～2.5 m/s，近岸沖刷深度一般為0.6 ～2.5 m，設(shè)計(jì)洪水時(shí)挑流水舌下游河床沖刷地形如圖4所示.

圖4 設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游河床沖刷地形

由于挑射水流直沖河道右岸防護(hù)堤，水舌跌落后引起水面劇烈波動(dòng)，波浪爬坡較高，危及防護(hù)堤后的施工營地安全［2］，因此有必要對(duì)對(duì)泄洪放空洞下游挑流消能工進(jìn)行適當(dāng)?shù)捏w型調(diào)整.

2.3 存在問題及解決思路

原設(shè)計(jì)挑坎中心線與洞軸線重合，出挑水流沖刷下游河床形成沖坑，泥沙推向下游河道形成攔沙坎，水舌入河道后受攔沙坎頂沖，沖向右岸防護(hù)堤，護(hù)岸處涌浪爬越岸坡頂.由圖3可以看出，頂沖水流部分貼右邊岸下行，大部分頂沖水流折轉(zhuǎn)越過沙坎左側(cè)，沖向下游左岸山體，被山體頂沖后又折向河道右岸防護(hù)堤，因此在營地護(hù)岸轉(zhuǎn)折附近形成淤積區(qū).

為了減小挑射水流入水后頂沖河道右岸護(hù)岸坡腳的威脅，降低下游形成的攔沙坎和涌浪爬坡高度，應(yīng)該盡量使挑射水流能順著河道，沿護(hù)岸下行，這就需要將挑流坎向左扭轉(zhuǎn)，使挑流坎軸線偏離放空洞軸線一定角度，使挑射水股軸線與下游河道方向基本一致.針對(duì)放空洞末端原設(shè)計(jì)方案存在的問題，提出對(duì)挑流鼻坎進(jìn)行如下改進(jìn):①泄洪放空洞在距出口11 m 處開始，其軸線向左側(cè)扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角為32°，形成轉(zhuǎn)角挑流坎;②挑流段出口處寬度由原來的9 m縮窄為8 m，起到束高、送遠(yuǎn)水流的作用;③挑流段左、右側(cè)均設(shè)計(jì)為圓弧邊墻，使挑流段水股在彎道段平順轉(zhuǎn)向;④新方案挑流坎底部為扭面，在距泄洪放空洞出口8 m 處，設(shè)一個(gè)三角體，以抬高右側(cè)水流，平衡離心慣性力［3］.

優(yōu)化后的挑流鼻坎設(shè)計(jì)如圖5所示.新方案的扭面轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)不僅可以避免挑流水舌對(duì)出口下游右岸堤防的頂沖，消除爬坡涌浪，挑射水股轉(zhuǎn)向左側(cè)，還可以減輕右邊岸的回流淘刷，保證護(hù)岸后的營地安全.

圖5 修改方案設(shè)計(jì)鼻坎平面布置及A—A 剖面(單位:m)

2.4 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

2.4.1 洞身及挑流流態(tài)

修改挑坎后的泄洪放空洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，水深及凈空余幅都滿足規(guī)范要求［4］. 經(jīng)修改后挑流段中心線相對(duì)洞身軸線向左偏轉(zhuǎn)32°，挑流段底板改為適應(yīng)彎道離心力影響的扭曲面. 不同水力條件的放水試驗(yàn)表明，在挑流段水股平順轉(zhuǎn)折，在挑坎處穩(wěn)定出挑，且束窄后的出口使挑流水舌挑得更高.在挑流段水流受離心慣性力影響，形成與扭曲面一致的水面橫比降，如圖6所示;凹岸水深低于設(shè)計(jì)邊墻，出流順暢.挑流水舌形成明顯偏向左側(cè)的轉(zhuǎn)折，如圖7所示.出挑坎后，挑射水流偏轉(zhuǎn)角度較大. 與原方案相比，設(shè)計(jì)洪水時(shí)的水舌中心入水點(diǎn)向左偏離洞軸線31.2 m，挑高平均增大2 m，水舌左側(cè)射程比右側(cè)略低，形成縱向拉長的入射區(qū);基本實(shí)現(xiàn)了挑射水流軸線與下游河道的平行，水舌入水后主流沿基本河道相對(duì)平順傳播，有關(guān)水力要素見表3.

圖6 設(shè)計(jì)洪水時(shí)優(yōu)化方案挑流段流態(tài)

圖7 設(shè)計(jì)洪水時(shí)優(yōu)化方案水舌及下游流態(tài)

2.4.2 下游河道流態(tài)及消能沖刷

挑射水流入河后不再頂沖右岸堤防，大大減輕了頂沖右岸的涌浪和邊岸回流強(qiáng)度，使右岸洪水位明顯降低;設(shè)計(jì)洪水與校核洪水時(shí)，右岸洪水位降低3 ～5 m，均低于右岸現(xiàn)狀堤防.由于水舌左偏，對(duì)右岸堤防頂沖威脅減弱，岸邊水流的波動(dòng)也基本消失;右側(cè)回流強(qiáng)度大大衰減，邊岸流速一般為0. 7 ～2.5 m/s，與原設(shè)計(jì)相比降低38% ～56%.僅左側(cè)回流強(qiáng)度及鼻坎附近左側(cè)邊岸流速略有增大，右岸河床沖刷大大降低.當(dāng)設(shè)計(jì)洪水位(Hs=1 061.00 m)與校核洪水位(Hj=1 063.67 m)時(shí)，優(yōu)化方案的相關(guān)水力要素?cái)?shù)據(jù)見表3.

表3 優(yōu)化方案的相關(guān)水力要素?cái)?shù)據(jù)

修改后的挑流水股入河后，與河道走向一致，出流順暢.與原方案相比，該方案形成的挑流射程及沖刷坑深度基本相同，但沖刷坑最深點(diǎn)明顯向左岸偏移37 m，因此右邊岸涌浪與回流強(qiáng)度大大減弱，防護(hù)堤不再受頂沖威脅，對(duì)堤防的沿岸淘刷比原設(shè)計(jì)方案減輕許多，沖刷深度一般為2.0 ～3.6 m. 模型試驗(yàn)中下游河道河勢及洪水后河道沖淤地形如圖8—9 所示.由表3及圖8、圖9可以看出:優(yōu)化方案解除了水流頂沖護(hù)岸坡腳的威脅;右側(cè)回流減弱，涌浪基本消失;優(yōu)化后的扭面轉(zhuǎn)角挑流鼻坎使挑射水流的消能效果更好;沖刷坑向左側(cè)移動(dòng)，原設(shè)計(jì)方案沖坑下游形成的攔沙坎消失，下游淤積高度降低，解除了原設(shè)計(jì)方案鼻坎下游河道的嚴(yán)重壅水現(xiàn)象;下游河道主流方向與右岸堤防近似平行，水流下行順暢.

圖8 優(yōu)化方案泄洪放空洞下游河勢

圖9 優(yōu)化方案泄洪放空洞下游河道沖淤地形

3 結(jié) 語

1)采用水力模擬方法研究了某水庫泄洪放空洞泄流狀況及下游消能、沖刷、流態(tài)等問題.

2)泄洪放空洞原軸向布置與下游河道邊界不相適應(yīng)，隧洞末端挑流水舌跌落后會(huì)引發(fā)水流頂沖右岸防護(hù)堤及涌浪波動(dòng)強(qiáng)烈、流態(tài)惡劣等問題［5］.

3)通過分析研究，提出了將挑流鼻坎向左轉(zhuǎn)角32°的優(yōu)化方案，并采用束窄出口及圓弧扭面銜接的技術(shù)，調(diào)整挑射水流方向，有效地保證了下游消能安全，同時(shí)避免了主流頂沖右岸堤防.由于消除了攔沙坎，下游出流平順，邊岸涌浪基本消失，大大降低了下游洪水位，削減了邊岸回流強(qiáng)度與淘刷，保證了右岸施工營地的安全.

［1］解偉，孫東坡.伊洛河偃師城區(qū)段二期水面工程河工模型研究報(bào)告［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2001.

［2］孫雙科，劉之平.小灣水電站大型導(dǎo)流洞改建泄洪洞研究［J］.水力發(fā)電，2001(1):26－31.

［3］吳持恭.水力學(xué):上冊(cè)［M］.3 版. 北京:高等教育出版社，2003.

［4］水利部東北勘測設(shè)計(jì)研究院. SL 279—2002 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［5］王才歡，張?jiān)?水布埡水利樞紐放空洞158 水工整體模型終結(jié)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢:長江科學(xué)院，2002.