大石澗水庫溢流壩挑流鼻坎體型優(yōu)化試驗研究

趙建坤 張曉雷 張桂花

摘 要：為解決大石澗水庫溢流壩設(shè)計挑坎水舌空中擴散程度低、水流落點過于集中、兩岸淘刷嚴(yán)重、影響岸坡穩(wěn)定的問題，對其進(jìn)行了水工模型試驗研究，提出了4種修改方案，包括3種差動挑坎以及在差動坎基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化的新型舌瓣挑坎。通過分析比較各方案30 a一遇（消能防沖設(shè)計洪水）工況下水舌擴散形態(tài)、下游河道沖淤情況等，得出新型舌瓣挑坎的各參數(shù)較優(yōu)，能夠較好地解決兩岸淘刷嚴(yán)重的問題，滿足下游消能防沖要求，將其確定為推薦方案。推薦方案下校核工況及設(shè)計工況的試驗結(jié)果表明：采用新型舌瓣挑坎消能對泄水建筑物安全性無影響;校核工況下對下游消能區(qū)兩岸產(chǎn)生沖刷，可能造成局部岸坡坍塌，護(hù)坦末端左半部有淘刷，但仍比壩基礎(chǔ)高8.5 m，不會影響壩體穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：挑流鼻坎;溢流壩;模型試驗;大石澗水庫

Abstract： In order to solve the problem in the flip bucket original scheme for Dashijian Reservoir overflow dam， such as the less spreading degree of water tongue in air， the concentrated drop point of the flow， the serious scouring on both banks and the influence to the stability of the bank slope， the hydraulic model test was carried out. In this paper， four modified schemes were proposed， including three kinds of differential flip bucket and one types of flap flip bucket were optimized on the basis of it. By analyzing and comparing the hydraulic characteristics such as morphology of water tongue diffusion and characteristics of scouring and deposition in the 30-years frequency flood （energy dissipation and anti-scouring design flood）， it was concluded that the hydraulic parameters of flap flip bucket were better， which could solve the problem of the serious scouring on both banks and meet the requirements of downstream energy dissipation and scour prevention and was determined as the recommended scheme. The test results of the design condition and the checking condition of the recommended scheme show that the use of flap flip bucket has no effect on the safety of the drainage building. Scour on both sides of downstream energy dissipation area in the checking condition， which may cause local bank slope collapse， in addition， the left half of the terminal of the apron is brushed， but still 8.5 m higher than that of the dam foundation， which will not affect the stability of the dam body.

Key words： flip bucket; overflow dam; model test; Dashijian Reservoir

挑流消能是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的溢流重力壩消能方式，不同體型的挑坎對過流水體具有不同的導(dǎo)向作用。隨著壩工建設(shè)的蓬勃發(fā)展，眾多學(xué)者從不同角度對挑坎形式進(jìn)行了較為全面、深入的研究。田莉等[1-4]結(jié)合溢洪道相關(guān)實例，通過水工模型試驗對差動式挑坎、曲面貼角窄縫挑坎進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的挑坎可以滿足工程需要。劉飛鵬等[5]借助BIM三維建模技術(shù)對傳統(tǒng)挑流鼻坎進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計;虞佳穎等[6]利用三維數(shù)值模型研究了適用于溢洪道的新型縱向錯落差動式挑坎的水力特性;吳新宇等[7]通過模型試驗對工程泄洪洞出口的挑坎進(jìn)行了研究;朱雅琴等[8]基于拱壩表孔泄流試驗，分析了舌形挑坎曲率和挑角的變化對水流橫向擴散及下游水墊塘底板時均壓力的影響。上述研究成果多是基于長短差動、高底差動研究水流在河道縱向上的擴散，對于自由溢流壩而言，如何解決水流橫向擴散問題鮮有深入研究。本文以大石澗水庫為例，基于水工模型試驗結(jié)果對4種挑坎優(yōu)化方案下水舌形態(tài)、下游沖淤情況進(jìn)行綜合對比，并給出挑坎的推薦方案。

1 工程概況與模型設(shè)計

1.1 工程概況

大石澗水庫工程壩址位于河南省陜縣店子鄉(xiāng)東部山區(qū)黃河一級支流洛河支流渡洋河中上游。水庫控制流域面積173 km2，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇。水庫總庫容3 309萬m3，興利庫容2 081萬m3。大壩為碾壓混凝土重力壩，設(shè)計壩高68.9 m，壩頂長度308 m。水庫樞紐建筑物主要包括大壩、放空排沙底孔和基流放水管等。溢流壩布置在河床中部，堰頂不設(shè)閘門，為開敞式自由泄流，出口采用挑流消能方式將水流挑入下游河道。兩岸均為中低山山體，階地基本不發(fā)育，兩岸岸坡坡度35°～50°，局部近直立。河床縱比降1.0%～1.5%，河谷呈較寬的U形，底寬80～130 m。下游消能段河床覆蓋層厚8～10 m，靠左岸發(fā)育有一級階地，覆蓋層最厚達(dá)12.4 m。覆蓋層的抗沖刷能力差，下部基巖為質(zhì)地堅硬的安山玢巖。設(shè)計挑坎為連續(xù)式挑坎，見圖1。

1.2 模型設(shè)計

根據(jù)溢流堰堰上水頭及泄流能力，試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶40。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，其相關(guān)比尺：幾何比尺λL=40、流速比尺λV=6.32、壓力比尺λP=40、流量比尺λQ=λ5/2L=10 119。大石澗水庫整體模型縱剖面見圖2。

試驗研究范圍：模擬上游庫區(qū)、下游河道及溢流壩段等樞紐建筑物，總長度為890 m，其中：上游庫區(qū)至壩軸線以上210 m;壩下520 m處河道突然縮窄，為保證下游河道流態(tài)相似，準(zhǔn)確觀測下游水位，模型下游模擬至壩下680 m處。

溢流堰泄流特征見表1。由表1可知，計算水舌最大挑距約73 m，預(yù)測下游消能沖刷區(qū)集中在壩下80～250 m，因此表孔鼻坎末端至壩下游0～400 m范圍河床按動床模擬，其余地形按定床模擬。擋水壩段及定床用紅磚砌筑、水泥砂漿抹面，擋水壩段下游壩面不予模擬，動床用模型沙依照斷面板鋪設(shè)，挑坎及溢流表孔用有機玻璃加工制作，以便于觀測。動床模擬方法：設(shè)計方案及差動坎1、2沖刷試驗按覆蓋層模擬;差動坎3以及新型舌瓣挑坎按兩岸邊坡分層模擬。根據(jù)已有剖面圖，沖刷區(qū)附近河中覆蓋層厚度約8 m，左岸邊坡較緩，覆蓋層范圍較大，且厚度為10～12 m，右岸邊坡較陡，覆蓋層厚僅2 m左右。為了還原工程原型地質(zhì)地形的真實狀態(tài)，提高模型沖刷與原型的相似性，試驗將消能區(qū)左岸動床邊界適當(dāng)外移，擴大動床范圍，并將左岸動床模型沙按基巖和覆蓋層分層模擬，其中下層基巖用中值粒徑3 cm的鵝卵石模擬，其抗沖流速折合原型5 m/s左右。

2 各方案試驗分析

2.1 設(shè)計方案存在的問題

試驗結(jié)果表明，設(shè)計方案挑射水流形成與泄槽等寬（62.1 m）的挑射水舌，水舌集中落在壩下100 m附近，橫向基本無擴散，形成一較深的沖刷坑，位于河道中間位置。水舌左、右兩側(cè)河道至水舌下方分別形成范圍和強度均較大的逆時針和順時針回流，導(dǎo)致岸邊回流強度大，兩岸淘刷嚴(yán)重，影響岸坡的安全穩(wěn)定，因此需要對挑流鼻坎體型進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化方案試驗分析

共提出了3種差動挑坎以及1種新型舌瓣挑坎，以30 a一遇（消能防沖設(shè)計洪水）工況下的放水試驗為例進(jìn)行探討。

（1）試驗思路及水舌擴散分析。挑流水舌擴散時，橫向擴散寬度越大，單位面積流量和能量越小，對下游河床的沖刷程度越輕。首先從拉大水舌前后縱向落點位置的思路出發(fā)，將連續(xù)坎改為差動坎，尺寸見圖3，差動坎1出流分成上下兩層多股水舌，上下層水舌互相擠壓、摻混，水舌摻氣充分，齒坎處水舌空中擴散形態(tài)較好，消能充分。上層水舌挑距約70 m，下層約20 m，落水范圍較大，不足之處在于下層水舌落點距離護(hù)坦較近，導(dǎo)致下游河床沖刷嚴(yán)重。各方案挑距見圖4。

針對差動坎1存在的問題，修改差動坎1尺寸并定義為差動坎2，尺寸見圖5，在提高水舌擴散程度的基礎(chǔ)上，加大下層水舌挑距，達(dá)到減輕下游護(hù)坦及河道沖刷的目的。差動坎2上層多股水舌擴散程度提高和范圍加大，水舌變薄，各股水舌橫向擴散后相互碰撞。其下層水舌挑距約30 m，較差動坎1有所改善，下游沖刷坑整體變淺，但下層橫向落水范圍較差動坎1減小，消能區(qū)左右岸邊沖刷情況較設(shè)計方案沒有改善。

差動坎3增大缺口挑角，縮短邊墻，其尺寸見圖6，加大了左側(cè)水流擴散范圍，試圖封堵回流，減小左岸回流強度，試驗表明出槽水流向左擴散程度有限，并未達(dá)到減輕左岸回流的效果。將挑角缺口繼續(xù)增大至20°后進(jìn)行試驗，左岸回流強度依然未改善，且水舌落水范圍進(jìn)一步減小。

試驗在保持長短差動的基礎(chǔ)上，將齒坎修改成舌型挑流鼻坎，以提高其橫向擴散程度，使水流擴散更加均勻，降低岸邊回流強度，其尺寸見圖7。水流從3個鼻坎挑射向空中形成3個獨立擴散的“燈泡形”水舌，水舌左右兩側(cè)落點前后均勻拉開，橫向?qū)挾燃s50 m，平面擴散范圍大，雖然缺口處挑流水舌短且較為集中，但落點遠(yuǎn)離護(hù)坦且能與舌型鼻坎水舌落點錯開。

（2）下游沖刷分析。河床沖刷程度關(guān)乎壩體及岸邊穩(wěn)定，也是挑流鼻坎體型優(yōu)化的意義所在。各方案較設(shè)計方案在河中及左右兩岸的沖刷深度均有較大幅度的減小，下游河道兩岸、河中的最低點高程均有所抬升。各方案沖坑最低點高程及沖深見表2，差動坎1雖然改善了兩岸沖刷情況，但護(hù)坦末端沖刷較嚴(yán)重。差動坎2、3兩岸及護(hù)坦末端沖刷尺寸大于新型舌瓣挑坎的，僅在河中部分小于新型舌瓣挑坎的。新型舌瓣挑坎在兩岸及護(hù)坦末端的沖刷情況為各方案最優(yōu)，因此能夠較好地解決設(shè)計方案中兩岸淘刷嚴(yán)重的問題，按照護(hù)岸不護(hù)中的原則，將新型舌瓣挑坎作為推薦方案。

2.3 推薦方案其他工況試驗結(jié)果分析

對推薦方案（新型舌瓣挑坎）進(jìn)行校核工況及設(shè)計工況下的模型試驗，驗證其泄洪消能效果。其水舌形態(tài)均與消能防沖工況時相同。水舌落點遠(yuǎn)離護(hù)坦，落點錯開，最遠(yuǎn)落點相對靠近河道中間，距離岸邊遠(yuǎn)，強度降低。兩種工況沖刷坑水力參數(shù)見表3。設(shè)計工況下兩岸沖刷范圍均減小，基巖裸露無沖刷;校核工況消能區(qū)兩岸基巖有2～3 m的沖刷，可能造成局部岸坡坍塌，護(hù)坦末端左半部有淘刷，沖深4.5 m，但仍比壩基礎(chǔ)高8.5 m，不會影響壩體穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

差動坎缺口挑角小于15°時，水舌落點距離護(hù)坦較近，致使護(hù)坦有所沖刷，整體沖刷情況改善有限;當(dāng)缺口挑角大于15°時，前后兩層水舌拉開程度有限。此外，差動坎橫向擴散有限，導(dǎo)致岸邊回流情況改善有限?；谶B續(xù)坎和差動坎，探索研究了溢流壩挑坎新體型——新型舌瓣挑流鼻坎，其水舌在縱向和橫向均有較好的擴散效果，彌補了差動坎橫向擴散有限的不足;合適的橫向擴散減小了岸邊回流強度，有效降低了岸邊淘刷程度、減小了回水流量，達(dá)到了較好的消能防沖效果。各工況下采用新型舌瓣挑坎消能對泄水建筑物安全性無影響;校核工況下對下游消能區(qū)兩岸產(chǎn)生沖刷，可能造成局部岸坡坍塌。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】