某工程泄洪洞挑坎體型優(yōu)化試驗(yàn)

代雙鍵

（重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 404100）

1 工程概況

某工程泄洪洞由引水渠、進(jìn)水塔段、明流隧洞段、挑流鼻坎段、護(hù)坦段和出水渠組成。 從進(jìn)水塔前緣至挑坎末端全長(zhǎng)約721.9m。 進(jìn)口底板高程1 369.00m，工作閘門孔口尺寸為7.0m×8.0m；閘門井段后接無壓隧洞，采用城門洞型斷面，樁號(hào)洞0+478.000 之前， 無壓洞斷面凈尺寸為7.0m×9.5m（寬×高），樁號(hào)洞0+518.000 之后，無壓洞斷面凈尺寸為7.0m×8.0m（寬×高），洞底坡在樁號(hào)洞0+478.000 之前為2.5%，在樁號(hào)洞0+518.000 之后為8%，中間由拋物線銜接，無壓洞全長(zhǎng)671.9m。 無壓洞出口接挑流鼻坎，設(shè)計(jì)體型長(zhǎng)23.0m，反弧半徑為30.0m，挑角24.69°，挑坎末端頂高程1 284m。校核工況下泄洪洞全開泄流能力為901m3/s， 泄洪洞結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案布置如圖1 所示。

圖1 泄洪洞布置圖

2 設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)

圖2 為校核工況下泄洪洞出口水舌流態(tài)情況，可以看到由于泄洪洞出口消能條件較好（河道較為順直），洞軸線與主河槽交角也比較小，泄洪洞水舌落點(diǎn)基本位于河槽以內(nèi)， 但是水舌相對(duì)靠近右岸邊坡， 這對(duì)下游河岸的邊坡穩(wěn)定有著不利的影響；此外，設(shè)計(jì)體型為常規(guī)等寬挑坎，這是一種比較簡(jiǎn)單常規(guī)的體型， 目前在實(shí)際工程當(dāng)中已經(jīng)較少采用[1-3]，僅作為設(shè)計(jì)單位初始設(shè)計(jì)方案以供參考；但是該體型水舌落點(diǎn)較為集中，這將對(duì)下游河床造成相對(duì)較大的沖刷破壞， 故挑坎有進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整的空間。

圖2 設(shè)計(jì)體型挑流水舌流態(tài) （校核工況）

3 體型優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 優(yōu)化體型一

一般地，對(duì)于出口挑坎來說，想要實(shí)現(xiàn)下游河床的消能防沖，通?？梢圆捎玫姆绞接姓p坎[4]、斜切坎[5]、燕尾坎[6-8]等，這是由于上述各種挑坎可以在不同方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)出挑水舌的拉伸擴(kuò)散，從而減小水流的入水單寬流量，進(jìn)而降低河床的沖刷。

斜切坎是把泄洪洞垂直于出口軸線改為斜交形式， 形成一側(cè)短一側(cè)長(zhǎng)的邊墻將水舌導(dǎo)向主河槽并實(shí)現(xiàn)水舌縱向和橫向的拉伸擴(kuò)散， 從而使原本常規(guī)等寬挑坎的單一挑角變成一系列連續(xù)挑角，進(jìn)而增大水舌入水范圍，降低下游河床的沖刷破壞[9]。 斜切坎由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、水舌分散效果好等優(yōu)點(diǎn)在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用，原設(shè)計(jì)體型觀察到挑流水舌略偏右岸， 考慮可以采用邊墻略微收縮的斜切坎，本次調(diào)整方案如下：保持底板圓弧半徑不變， 挑坎右側(cè)在樁號(hào)洞0+698.897 位置開始起弧并逐漸向洞軸線收縮，半徑R=120m，圓心角10.48°，末端相對(duì)于右側(cè)直墻橫向收縮寬度為2.0m；左邊墻同樣從樁號(hào)洞0+698.897位置開始起弧并逐漸向外側(cè)擴(kuò)散， 擴(kuò)散半徑R=25m，圓心角25.84°，末端相對(duì)于左側(cè)直墻橫向擴(kuò)散寬度為2.5m，具體布置如圖3（a）所示，將其作為出口挑坎優(yōu)化體型一。

優(yōu)化調(diào)整后泄洪洞出口水舌流態(tài)見圖3（b），可以看到出挑水舌比較分散， 水舌落點(diǎn)整體位于河道，但是由于挑坎右邊墻橫向收縮稍大，出口挑坎水舌遠(yuǎn)端落點(diǎn)略微偏左岸； 而由于挑坎左側(cè)邊墻橫向擴(kuò)散稍大，坎內(nèi)出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象，這一定程度上會(huì)增大挑坎發(fā)生空蝕破壞的可能性， 需要進(jìn)一步對(duì)挑坎體型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖3 優(yōu)化體型一

3.2 優(yōu)化體型二

針對(duì)優(yōu)化體型一出現(xiàn)的問題， 將出口挑坎做如下調(diào)整： 在樁號(hào)洞0+707.817 位置底板起弧，圓弧半徑R=20m，圓心角38.14°；左側(cè)邊墻從樁號(hào)洞0+698.897 位置向外側(cè)擴(kuò)散， 擴(kuò)散半徑R=40m，圓心角15.60°，左邊墻末端樁號(hào)洞0+709.657，末端相對(duì)于左側(cè)邊墻橫向擴(kuò)散寬度1.47m；右側(cè)邊墻從樁號(hào)洞0+698.897 位置向洞軸線側(cè)收縮， 收縮半徑R=120m， 圓心角8.36°， 右邊墻末端樁號(hào)洞0+720.707， 末端相對(duì)于右側(cè)邊墻橫向收縮寬度1.60m，具體布置見圖4（a），將其作為出口挑坎優(yōu)化體型二。

出口挑坎優(yōu)化體型二水舌流態(tài)見圖4 （b），可以看到，水舌整體位于河道中心，且水舌拉伸范圍也比較舒展，水舌落點(diǎn)也相對(duì)分散，這有利于下游河床的抗沖， 且對(duì)降低兩側(cè)河岸的水位波動(dòng)也有積極作用， 這也會(huì)一定程度上減少兩側(cè)河岸的防護(hù)難度以及工程量。

圖4 優(yōu)化體型二

3.3 優(yōu)化體型三

燕尾挑坎是在常規(guī)挑坎的中部開口， 使下泄水流沿程逐漸釋放壓力并漏入開口中， 形成和窄縫式挑坎類似的縱向水舌， 但不是依靠?jī)蓚?cè)邊墩擴(kuò)寬壓縮流道，兩側(cè)邊墻不額外受力，所以同等流量下所需邊墻高度也遠(yuǎn)低于窄縫挑坎出口兩側(cè)邊墻；此外，燕尾型挑坎還具有起挑流量小的特點(diǎn)[10]。

試驗(yàn)中同樣論證了在泄洪洞設(shè)置燕尾坎的可能性，燕尾坎體型如下：從樁號(hào)洞0+708.057 位置底板開口2.0m， 開口位置左側(cè)底板寬度1.85m，右側(cè)底板寬度3.15m；底板反弧半徑R=16m，圓心角49.90°，挑坎末端高程1 287.00m；為了保證水舌不沖擊到右岸邊坡，在樁號(hào)洞0+713.207 位置的挑坎右側(cè)邊墻起弧， 設(shè)置反弧半徑R=25m， 圓心角為17.47°的圓弧， 挑坎末端左側(cè)寬度0.5m， 右側(cè)4.85m，具體布置如圖5（a）所示。

出口挑坎優(yōu)化體型三水舌流態(tài)見圖5 （b），可以看到，水舌落點(diǎn)基本位于河道中心，且水舌縱向拉伸非常均勻；并且由于燕尾坎中心開口的緣故，出挑水舌近端大幅向上游區(qū)域移動(dòng)， 這進(jìn)一步增大了水舌的入水范圍， 從而進(jìn)一步地減弱對(duì)下游河床的沖刷作用；同樣地，也可以觀察到兩側(cè)河岸的水位波動(dòng)比較小， 這將大幅減小兩側(cè)河岸的防護(hù)范圍。 和斜切挑坎進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于燕尾坎采用的是縱向拉伸的方式對(duì)水舌進(jìn)行分散， 這使得水舌在橫向上的入水寬度比斜切坎要窄， 其對(duì)于下游河道內(nèi)的水體在橫向上的作用也要輕一些，這使得兩岸水位的波動(dòng)也明顯減弱， 從而更有利于兩岸邊坡的防護(hù)，降低工程量。 但是，由于出口挑坎下游護(hù)坦與挑坎末端高差較小， 水舌近端直接沖擊到護(hù)坦之上， 這對(duì)于挑坎結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定有不利影響， 可以通過將近端開口向下游適量延伸的方式使水舌近端稍微向下游區(qū)域移動(dòng)， 從而避免水舌對(duì)挑坎末端護(hù)坦的沖擊作用。

圖5 優(yōu)化體型三

3.4 優(yōu)化體型四

考慮到地形地質(zhì)條件，施工環(huán)境等方面因素，對(duì)洞身進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整。 從反弧段起點(diǎn)截?cái)啵叱烫Ц?m，并與前面斜直段洞身相連。 其布置圖如圖6 所示。 對(duì)泄洪洞挑坎調(diào)整，泄洪洞挑坎起點(diǎn)樁號(hào)為0+692.649，高程1 288.00m。 為了使起挑水流向河道中心偏移，對(duì)燕尾坎進(jìn)行調(diào)整，燕尾坎底板反弧半徑不變，僅對(duì)右邊墻弧度進(jìn)行調(diào)整。右邊墻從樁號(hào)0+706.969 開始起弧， 反弧半徑R=30m， 圓心角為14.49°。 燕尾坎末端開口調(diào)整為5.05m，具體布置如圖7（a）所示。

圖6 泄洪洞布置圖

出口挑坎水流流態(tài)如圖7（b）所示，可以看到，通過將挑坎右側(cè)邊墻調(diào)整為略微向左側(cè)收縮的形式，泄洪洞水舌落點(diǎn)基本位于河道中間，縱向拉伸較大且均勻；由于泄洪洞挑坎的整體抬高，水舌近端也基本遠(yuǎn)離了挑坎末端護(hù)坦， 這進(jìn)一步保證了挑坎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 綜合來看，優(yōu)化體型四能夠在縱向上大幅拉伸水舌長(zhǎng)度， 從而盡可能地利用下游河道內(nèi)水體對(duì)水舌實(shí)現(xiàn)剪切消能； 相對(duì)于斜切坎來說， 燕尾坎的中間開口可以使水舌近端大幅向上游區(qū)域移動(dòng)，從而可以更進(jìn)一步地拉伸水舌，減小水流入水單寬流量， 進(jìn)而降低下游河床的沖刷破壞， 綜上將優(yōu)化體型四作為泄洪洞最終體型的推薦方案。

圖7 優(yōu)化體型四

4 結(jié)論

針對(duì)某泄洪洞出口挑坎水舌集中的問題，本文分別對(duì)斜切坎和燕尾坎進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)， 并最終得到了滿足消能防沖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的推薦方案。主要結(jié)論如下： 斜切坎和燕尾坎都能夠?qū)崿F(xiàn)水舌的拉伸擴(kuò)散，從而降低下游河床的沖刷破壞。 相對(duì)于斜切坎，燕尾坎由于中間開口的緣故，水舌近端能夠大幅上移，從而增大水舌拉伸范圍，進(jìn)一步降低水舌入水單寬流量， 并最終實(shí)現(xiàn)消能防沖的目的；此外，燕尾坎由于橫向擴(kuò)散不大，其橫向入水范圍也比斜切坎偏小， 可以一定程度上減弱下游河道兩岸的水位波動(dòng)， 從而可以降低下游河岸的防護(hù)難度，減少工程量。