太湖水庫(kù)溢洪道挑流鼻坎優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

成永華，曾一夫，黃志文，廖冬芽

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌，330029；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌，330029）

0 引 言

泄洪建筑物應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足允許最大下泄流量，出口水流與下游河道平順銜接，并能有效地減少水流對(duì)下游河床和岸坡的淘刷，從而保障樞紐建筑物的安全正常運(yùn)行[1，2]。 由于太湖水庫(kù)溢洪道上、下游水位落差較大，且泄槽為彎道相接，水力條件較差，因此需要通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)于溢洪道的消能方式，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已經(jīng)做了大量的研究。有關(guān)挑流水舌的研究成果很多，多集中于其運(yùn)動(dòng)軌跡及水舌的沖刷特性方面[3-5]。本文通過(guò)對(duì)太湖水庫(kù)溢洪道挑流消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，提出合理體型結(jié)構(gòu)，對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

太湖水庫(kù)地處江西省尋烏縣西北部的水源鄉(xiāng)太湖村境內(nèi)，距尋烏縣城約47km；壩址坐落在珠江流域東江支流尋烏水上游峽谷河段，控制流域面積42.8km2；水庫(kù)正常蓄水位443.00m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），總庫(kù)容2 384×104m3（其中調(diào)節(jié)庫(kù)容1 816×104m3，防洪庫(kù)容153×104m3），是一座以供水為主，兼有灌溉、防洪等綜合效益的中型水庫(kù)。

溢洪道為3級(jí)建筑物，相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)：校核1000年一遇，設(shè)計(jì)50年一遇；消能設(shè)施設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。校核洪水位（P=0.1%）446.55m，設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）445.01m，正常蓄水位443.00m。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

2.1 主要技術(shù)依據(jù)

模型試驗(yàn)主要按水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012）執(zhí)行[6]。

2.2 相似準(zhǔn)則

在水工模型試驗(yàn)中，主要外力為重力，所以多采用重力相似準(zhǔn)則，因重力相似準(zhǔn)則中要求原型與模型的弗勞德數(shù)必須相等，故又稱(chēng)作弗勞德相似準(zhǔn)則。

2.3 模型參數(shù)比值

溢洪道采用整體正態(tài)水力模型，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)條件，綜合考量試驗(yàn)的精度和經(jīng)濟(jì)性，溢洪道整體水力模型水平比尺、垂直比尺為λL=λH=40（原型：模型）。其他物理量比尺如表1所示。

表1 各種模型比尺關(guān)系

2.4 模型制作

溢洪道模型由于水深較淺，主要需滿(mǎn)足糙率相似的要求，原型溢洪道為現(xiàn)澆砼表面糙率為0.014～0.016，本次模型制作中溢流堰采用有機(jī)玻璃制作，對(duì)溢流堰表面進(jìn)行刮灰打磨噴漆處理，泄槽采用水泥砂漿抹面，用砂紙進(jìn)行拋光及噴漆處理，使得模型糙率為0.008～0.010，基本能夠滿(mǎn)足糙率相似性的要求。下游河道模型預(yù)留挑流沖坑深20m。根據(jù)基巖的抗沖能力（3.0m/s），采用依茲巴什公式，計(jì)算模擬基巖的模型沖料散粒體的大小，以模擬在恒定流量下最大可能的沖刷深度，經(jīng)計(jì)算，模型采用粒徑范圍為0.45～0.90cm，中值粒徑0.63cm的石子。

3 原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果及分析

太湖水庫(kù)模型試驗(yàn)主要是對(duì)溢洪道的泄流能力，堰面、泄槽、挑坎的結(jié)構(gòu)布置以及下游消能防沖等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要闡述在滿(mǎn)足溢洪道的泄流能力要求的前提下，著重從挑流鼻坎的挑流水舌形態(tài)、下游沖刷情況等方面進(jìn)行分析，提出挑流鼻坎的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 溢洪道原設(shè)計(jì)方案

溢洪道布置于右岸壩端，為開(kāi)挖式岸邊溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、挑流段、出水渠組成。溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程439.00m。泄槽段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)117.52m，其中圓弧段長(zhǎng)70.52m，圓弧半徑為120.00m（中心線的長(zhǎng)度及半徑），縱向坡度為1:3，泄槽為底寬17.50m的矩形斷面，左側(cè)邊墻高為7.00m，右側(cè)邊墻高為10.00m。泄槽末端為挑流段，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.50m，出口鼻坎高程為393.39m。

圖1 溢洪道平面布置圖

圖2 溢洪道縱剖面圖

表2 溢洪道泄流能力成果表

由于受到地形、地質(zhì)條件的限制，太湖水庫(kù)采用岸邊式溢洪道，泄槽設(shè)有彎道，彎道產(chǎn)生橫斷面水面差，使流態(tài)發(fā)生變化，其消能防沖受到影響。本設(shè)計(jì)采用挑流消能，要求沖刷坑適當(dāng)遠(yuǎn)離建筑物，避免下游出現(xiàn)回流沖刷壩腳及河岸。通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)挑流鼻坎在不同運(yùn)行水位時(shí)的消能效果，水流歸槽程度，消能結(jié)構(gòu)以后的水力條件、沖刷情況以及對(duì)鄰近建筑物及下游岸坡的影響，提出挑流鼻坎合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖1和圖2）。

3.2 泄流能力

試驗(yàn)觀測(cè)了在溢洪道閘門(mén)敞泄時(shí)，各級(jí)特征流量下溢洪道的泄流能力，結(jié)果見(jiàn)表2。

3種特征流量條件下，模型試驗(yàn)得到的水庫(kù)水位比設(shè)計(jì)計(jì)算的庫(kù)水位略低，溢洪道的泄流能力能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.3 挑流段出口流態(tài)

由各流量（P=0.1%、P=2%、P=3.33%）下挑流段出口（從右向左）流速、水深分布可知，受泄槽彎段的影響，挑流鼻坎段出口仍存在一定的橫向水面差，水力條件復(fù)雜，更加需要通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證其消能設(shè)施的合理性。

3.4 泄流流態(tài)

圖3 各流量下挑流出口段流速、水深關(guān)系變化圖

原方案挑坎未能產(chǎn)生挑泄水流，水流跌落護(hù)坦，直接掏刷護(hù)坦底部，并且受落水點(diǎn)位置離壩腳較近。由于出水河道狹窄、左岸為凹岸等原因，落水點(diǎn)左側(cè)壩腳及岸坡附近形成逆時(shí)針的回流區(qū)（照片1），回流強(qiáng)度隨泄流量增加而增大。

3.5 局部沖刷

沖坑位于護(hù)坦腳部，護(hù)坦底部掏刷嚴(yán)重并且影響左側(cè)岸坡穩(wěn)定，同時(shí)出射水流未能形成挑流，直接跌落河床，在壩腳處產(chǎn)生巨大回流，對(duì)壩腳淘刷嚴(yán)重，危及大壩安全，結(jié)果見(jiàn)照片2和表3。

照片1 校核工況（Q=622m3/s）挑坎水舌形態(tài)

照片2 設(shè)計(jì)及校核工況下游沖刷坑分布

表3 下游沖坑尺寸表

表4 消能防沖水力計(jì)算成果表 m

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)模型試驗(yàn)的分析，需調(diào)整優(yōu)化挑流段減少?zèng)_刷，優(yōu)化設(shè)計(jì)從增大挑角和增加挑流半徑兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整，采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018）附錄A.4公式。

式中：L自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s；θ為鼻坎的挑角，°；h1為坎頂垂直方向水深，m；h2為坎頂至河床面高差，m；tk為水墊厚度m；q為單寬流量，m3/（m·s）；H為上下游水位差，m；k為沖刷系數(shù)；φ為堰面流速系數(shù)。

挑距及沖坑深度均隨著挑角及挑流半徑的增大而增大，挑流半徑的加大使挑流段的長(zhǎng)度加長(zhǎng)。根據(jù)綜合比選確定優(yōu)化方案為：挑角調(diào)整增大到28°，挑流半徑為15.00m，挑流段的長(zhǎng)度由7.50m增加到12.703m，護(hù)坦高程不變，挑流鼻坎出口與護(hù)坦成45°角連接，挑射水流在空中充分?jǐn)U散。優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 挑流鼻坎優(yōu)化方案

4.2 泄流流態(tài)試驗(yàn)

挑流鼻坎段出水處左右側(cè)水流分布基本均勻，挑流鼻坎將水流挑出，校核流量下最大挑距80m（照片3）。與原設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)比較，優(yōu)化后能形成挑流，挑距加大，但是與理論計(jì)算L=120.39m相差比較大（表4）。由于泄槽縱坡和彎段的影響，使泄流流態(tài)發(fā)生變化，因此，復(fù)雜的水力條件下，進(jìn)行模型試驗(yàn)是十分必要的。

4.3 局部沖刷試驗(yàn)

校核下泄流量挑流落入河床，沖坑離壩腳60.00m，不影響壩腳穩(wěn)定。下游沖坑位于挑坎下游21.00m～80.00m之間，沖坑上游坡比介于1:2.82～1:5.88之間，最大沖坑邊緣距離左岸岸坡60m，也不會(huì)影響左側(cè)岸坡穩(wěn)定（表5）。優(yōu)化后的挑流段其消能更充分，不會(huì)影響建筑物及岸坡的穩(wěn)定（照片4）。

照片3 校核工況（Q=662m3/s）挑坎水舌形態(tài)

表5 下游沖坑尺寸表

照片4 設(shè)計(jì)及校核流量下游沖刷坑分布

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)模型試驗(yàn)，復(fù)核太湖水庫(kù)原設(shè)計(jì)方案溢洪道過(guò)流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但挑流鼻坎未能形成挑流水流形態(tài)，水舌空中消能不充分，主流直接跌落于近河床位置，對(duì)壩腳淘刷嚴(yán)重。

（2）挑流鼻坎通過(guò)將挑角從20°增大至28°，反弧半徑由10.00m調(diào)整為15.00m，長(zhǎng)度由7.50m增加到12.70m等優(yōu)化設(shè)計(jì)后，挑流落入河床，沖坑離壩腳60m，對(duì)壩腳穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生影響，沖坑尺寸也有明顯縮小，滿(mǎn)足工程正常運(yùn)行需要。

（3）太湖水庫(kù)溢洪道已投入運(yùn)行，運(yùn)行現(xiàn)狀與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明復(fù)雜水力學(xué)問(wèn)題通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演、預(yù)測(cè)很有必要。