溢洪道轉(zhuǎn)彎出水渠體型及出口防沖措施優(yōu)化研究

劉艷華，王一帆，李仲權(quán)，曹 智

（1.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司麗江水網(wǎng)公司，云南 麗江 650500；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；4.安徽省招標(biāo)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 概述

對(duì)溢洪道等泄水建筑物而言，體型設(shè)計(jì)及消能防沖一直是研究的重點(diǎn)。為確保溢洪道內(nèi)流態(tài)和下游防沖能滿足規(guī)范要求，其設(shè)計(jì)方案常通過數(shù)值模擬或水工模型實(shí)驗(yàn)多次優(yōu)化確定。隨著除險(xiǎn)加固工程的增多，許多老舊工程需要增設(shè)新的泄水建筑物。而這些新建筑物受已有工程或地形的限制，往往需要設(shè)置轉(zhuǎn)彎段。彎道水流難免受慣性離心力影響，導(dǎo)致橫斷面水深與流量分布不均、水流流態(tài)復(fù)雜。周勤等［1］對(duì)“S”型溢洪道進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化后的斜檻布置改善了溢洪道水流流態(tài)，減小了橫向超高。周錫發(fā)等［3］通過系列模型設(shè)計(jì)，在彎曲段采用底板橫向超高組合導(dǎo)流墻的工程措施，降低了泄槽段彎道水流沖擊波的不利影響，使入池水流流速分布均勻。郭紅民等［4］采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同沖坑預(yù)挖結(jié)構(gòu)的防沖效果進(jìn)行了對(duì)比，提出了可靠的消能防沖優(yōu)化方案。王月華等［5］基于Flow-3D 軟件結(jié)合物理模型試驗(yàn)研究消力池流場(chǎng)，對(duì)實(shí)際工程的消能方案設(shè)計(jì)提供了有益的指導(dǎo)。楊磊［2］，何志亞等［6，7］通過物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)方案的可行性，并結(jié)合模型試驗(yàn)優(yōu)化了消能防沖措施。

因此，合理地選擇和設(shè)計(jì)溢洪道彎曲段的布局、體型和出口消能防沖方案，對(duì)溢洪道正常運(yùn)行和工程量的大小都有重要意義。依托懷安縣西洋河水庫除險(xiǎn)加固工程，主要研究了溢洪道轉(zhuǎn)彎出水渠體型參數(shù)變化時(shí)，出水渠的流態(tài)、流速等水力學(xué)參數(shù)及出口防沖效果的變化情況，并在此基礎(chǔ)上選擇了合適的轉(zhuǎn)彎出水渠體型及出口防沖措施。

1 工程概況

初設(shè)方案下，西洋河水庫除險(xiǎn)加固工程的新建溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和出水渠組成，軸線總長(zhǎng)473.8 m，最大泄量806 m3/s。新建溢洪道通過出水渠轉(zhuǎn)彎將下泄水流在京新高速前導(dǎo)入下游河床，轉(zhuǎn)彎角度達(dá)54°。初設(shè)方案下溢洪道泄槽出口采用底流消能，消力池為等寬矩形下挖式混凝土結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)63.4 m；池深4.5 m，與泄槽采用1∶4.0 的斜坡連接；消力池出口下游防沖段橫斷面為梯形，渠底采用厚0.5 m漿砌石護(hù)砌，邊坡為1∶2漿砌石護(hù)坡。消能防沖段總長(zhǎng)94.5 m，轉(zhuǎn)彎半徑180 m，防沖槽深度2.0 m，防沖槽后采用1∶5 斜坡段，在樁號(hào)Y0+339.9 m 斷面與出水渠相接；出水渠橫斷面為梯形，底部高程91.9 m，頂部高程96.9 m。底部寬度由42.20 m 漸變至70.00 m，渠底采用厚0.5 m 漿砌石護(hù)砌，兩側(cè)岸坡為1∶2 鋼絲石籠護(hù)坡。為防止出口水流沖刷河床，出口接長(zhǎng)30 m、寬100 m、厚度0.5 m鋼絲石籠護(hù)底。

初設(shè)方案溢洪道縱剖面布置如圖1 所示，平面布置如圖2所示。

圖1 溢洪道縱剖面布置圖（單位：m）Fig.1 Profile of initial design of the spillway

圖2 溢洪道平面布置圖（單位：m）Fig.2 Layout of the initial design of the spillway

2 初設(shè)方案模型試驗(yàn)成果

2.1 模型制作

為論證工程布置及水力設(shè)計(jì)的合理性，尤其是溢洪道轉(zhuǎn)彎出水渠型式以及消能防沖措施的合理性，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018）［8］，針對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。水工模型制作遵照《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》［SL155-2012］［9］，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成正態(tài)模型，幾何比尺λL=35。試驗(yàn)工況按照100 年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)及1 000 年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)上游水位分別為113.71 m與115.02 m，對(duì)應(yīng)泄流量分別為569.0 m3/s與806.0 m3/s。

為了測(cè)試下泄水流對(duì)下游河床及京新高速大橋橋墩的沖刷影響，模型中也模擬了從出水渠出口起算，向下游共計(jì)12 排橋墩及下游河床。模型河床粒徑依設(shè)計(jì)院資料按模型比例尺換算后為0.02 mm及0.22 mm，深度為43 cm（原型15 m）。

2.2 模型實(shí)驗(yàn)成果

試驗(yàn)工況下溢洪道泄槽段無不利水力現(xiàn)象，設(shè)計(jì)泄槽段邊墻高度能滿足要求；消力池內(nèi)均發(fā)生完全水躍，池內(nèi)漩滾發(fā)育，消能充分。

消能防沖段與出水渠段最高水位均未超過對(duì)應(yīng)位置的護(hù)砌頂高程，但相對(duì)渠道軸線表現(xiàn)出不對(duì)稱流態(tài)。彎道水流受離心力的影響，消能防沖段主流明顯偏向軸線左側(cè)，使渠內(nèi)水流呈現(xiàn)左深右淺狀態(tài)。同時(shí)由于水流對(duì)邊墻的不對(duì)稱沖擊，渠內(nèi)水流出現(xiàn)波狀分界，在渠道兩側(cè)邊墻附近出現(xiàn)回流，左岸回流邊線在兩種水位下均位于岸坡坡腳處，右岸回流邊線在設(shè)計(jì)水位下位于坡腳左側(cè)17 m 左右，校核水位下位于19.2 m 左右。消能防沖段流態(tài)如圖3 所示。出水渠段未見明顯回流，但左側(cè)水面仍明顯高于右側(cè)。

圖3 初設(shè)方案消能防沖段流態(tài)Fig.3 Flow pattern in energy dissipation section of the initial design

設(shè)計(jì)水位及校核水位下，防沖槽入口處底部流速分別為4.41 m/s 和4.44 m/s。兩種水位下槽內(nèi)呈左側(cè)淘刷右側(cè)淤積形態(tài)，且左側(cè)已沖刷殆盡至槽底。消能防沖段與出水渠段流速總體上呈現(xiàn)出軸線流速大，兩岸流速較小且不對(duì)稱分布的規(guī)律。校核水位下消能防沖段與出水渠底部最大流速分別為6.74 m/s和6.86 m/s，漿砌石護(hù)底不能滿足規(guī)范規(guī)定的抗沖要求。

設(shè)計(jì)水位和校核水位下，出水渠出口石籠均受到?jīng)_刷破壞，出口處最大沖深分別為4.3 m 和8.1 m。下游河床最大沖深分別為5.7 m 和6.9 m。出口水流擴(kuò)散后，左側(cè)水流沖向京新高速大橋橋墩，其最大沖深均出現(xiàn)在第二排橋墩處，沖深分別為2.1 m 和2.3 m。初設(shè)方案出水渠出口及下游河床沖刷如圖4所示。

圖4 初設(shè)方案出水渠出口及下游河床沖刷Fig.4 Scouring of the downstream riverbed of the initial design

初設(shè)方案物理模型試驗(yàn)表明：兩種水位下渠內(nèi)流態(tài)均較差；校核水位下消能防沖段及出水渠段渠底防沖不滿足要求；出水渠出口石籠大量沖毀且京新高速大橋橋墩處沖刷較嚴(yán)重。因此需要對(duì)轉(zhuǎn)彎出水渠體型及出口防護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化。

3 轉(zhuǎn)彎出水渠體型優(yōu)化

由初設(shè)方案模型試驗(yàn)成果可知：校核水位下防沖槽內(nèi)左側(cè)沖刷已至槽底，如采用該方案，需進(jìn)一步加深或擴(kuò)挖防沖槽。而出水渠內(nèi)流態(tài)相對(duì)較好，流速仍在可控范圍之內(nèi)。因此考慮在消力池后取消消能防沖段（相應(yīng)取消防沖槽），直接設(shè)置平坡出水渠，將溢洪道消能防沖的重點(diǎn)放到出水渠出口斷面。同時(shí)考慮到初設(shè)方案中出水渠梯形斷面對(duì)水流約束較差，擬將其橫斷面改為矩形斷面，渠頂高程95.0m，并將渠道護(hù)底方式改為混凝土護(hù)砌以滿足抗沖要求。以此思路設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)彎出水渠體型優(yōu)化布置方案，并采取數(shù)值模擬方法對(duì)優(yōu)化方案的可行性和合理性進(jìn)行了分析。

3.1 數(shù)值模擬成果

采用FLOW-3D 軟件對(duì)設(shè)計(jì)水位（H上=113.71 m）工況出水渠體型優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬。模型采用k-ε 紊流模型，自由液面追蹤采用TruVOF 法，采用有限體積法進(jìn)行離散。計(jì)算模型整體分為上游水庫、溢洪道泄槽段、消力池、出水渠、下游河床5 個(gè)部分，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為354 萬個(gè)。計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.5 Schematic diagram of numerical simulation model

數(shù)值計(jì)算得到的出水渠流速、水深分布如圖6所示，典型斷面流速如圖7所示，出水渠典型斷面水深、流速如表1、2所示。

圖6 數(shù)值模擬出水渠內(nèi)流速水深分布云圖Fig.6 Cloud atlas of velocity &water depth

圖7 數(shù)值模擬出水渠典型斷面流速Fig.7 Velocity of typical section of outlet channel

表1 出水渠體型優(yōu)化方案典型斷面水面線（H上=113.71 m）mTab.1 Water surface profile of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：出水渠體型優(yōu)化方案下，轉(zhuǎn)彎出水渠內(nèi)水流較為平順，兩側(cè)岸邊未出現(xiàn)回流，渠內(nèi)水面高程未超過渠頂。出水渠軸線底流速較初設(shè)方案略有增大，但未超過混凝土襯砌的抗沖流速。成果表明體型優(yōu)化方案具有可行性，隨后采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 體型優(yōu)化方案模型試驗(yàn)成果

以數(shù)值計(jì)算推薦體型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。設(shè)計(jì)水位工況體型優(yōu)化方案物理模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算渠內(nèi)水流流態(tài)如圖8所示?？梢娗?nèi)水流流態(tài)平順，兩側(cè)未見明顯回流，兩者流態(tài)結(jié)果吻合較好，表明數(shù)值計(jì)算模型合理，成果可信。

圖8 出水渠體型優(yōu)化方案渠內(nèi)水流流態(tài)對(duì)比Fig.8 Flow pattern comparison in outlet channel of shape optimization scheme

表2 出水渠體型優(yōu)化方案典型斷面流速分布（H上=113.71 m）Tab.2 Velocity of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

出水渠體型優(yōu)化方案模型試驗(yàn)中，典型斷面流速及水深與初設(shè)方案對(duì)比如表3、4所示。

表3 初設(shè)方案與出水渠體型優(yōu)化方案典型斷面底部流速對(duì)比 m/sTab.3 Velocity comparison of shape optimization scheme &initial design

表4 初設(shè)方案與出水渠體型優(yōu)化方案典型斷面水深對(duì)比 mTab.4 Water depth comparison of shape optimization scheme &initial design

由表3、4 的試驗(yàn)結(jié)果可知：出水渠體型優(yōu)化方案渠內(nèi)流速較初設(shè)方案整體增大，但改用混凝土襯砌后可以滿足防沖要求；出水渠體型改為矩形斷面平坡渠道后，對(duì)水流束窄效果明顯，各典型斷面水深增加明顯，且流態(tài)得到改善。出水渠體型采用矩形斷面平坡方案可行。

3.3 出水渠推薦體型

綜合考慮數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)成果，轉(zhuǎn)彎出水渠推薦體型如下：消力池出口下游樁號(hào)Y0+244.30 m 斷面～樁號(hào)Y0+458.80 m 斷面直接設(shè)置平坡出水渠段，總長(zhǎng)94.5 m。出水渠橫斷面為矩形，底部高程91.9 m，兩側(cè)岸坡渠頂高程95.0 m。底部寬度由42.20 m漸變至70.00 m，轉(zhuǎn)彎角54°，轉(zhuǎn)彎半徑180 m。渠底采用厚0.5 m混凝土護(hù)砌。

4 出口防護(hù)措施優(yōu)化

4.1 出口防護(hù)優(yōu)化方案

初設(shè)方案模型試驗(yàn)結(jié)果表明，初設(shè)方案設(shè)置的下游出口防護(hù)不足以保證下游河道和京新高速大橋不受宣泄水流影響。而出水渠體型優(yōu)化試驗(yàn)又表明，出水渠平坡方案出水渠出口流速明顯增加。因此需要對(duì)出水渠體型優(yōu)化方案下的出口防護(hù)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

鑒于初設(shè)方案出口設(shè)置的單層石籠被嚴(yán)重沖毀，出口左側(cè)水流偏左且流速偏大，大橋橋墩沖刷明顯，擬采取出口石籠加厚以及延長(zhǎng)左岸岸坡的方案進(jìn)行下游防護(hù)優(yōu)化模型試驗(yàn)。其中石籠加厚方案在出口一定范圍內(nèi)鋪設(shè)3 層或2 層石籠，其余仍鋪設(shè)1層石籠。左岸岸坡延長(zhǎng)方案考慮在石籠加厚方案的基礎(chǔ)上，適當(dāng)延長(zhǎng)左岸岸坡，使得出口左側(cè)水流延遲擴(kuò)散，以減小對(duì)橋墩的直接沖刷，從而保護(hù)橋墩。

4.2 出口防護(hù)優(yōu)化試驗(yàn)成果

試驗(yàn)中對(duì)石籠加厚范圍以及左岸岸坡加長(zhǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行了多組次的組合。試驗(yàn)成果表明：兩種方案下出口沖刷均較初設(shè)方案得到明顯改善。僅石籠加厚方案下出口左側(cè)水流仍可以直接對(duì)第二排橋墩產(chǎn)生沖擊；但左岸延長(zhǎng)方案下出口左側(cè)水流并沒有直接沖擊橋墩，對(duì)其防護(hù)安全有利。校核水位下僅石籠加厚方案與左岸延長(zhǎng)方案出口流態(tài)如圖9所示。

圖9 校核水位不同防護(hù)方案出口下游流態(tài)Fig.9 Downstream flow pattern at different protection scheme

比較分析各組合方案下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，最終推薦出口防護(hù)措施優(yōu)化方案如下：

（1）左側(cè)岸坡延長(zhǎng)16 m；

（2）石籠鋪設(shè)范圍：順流向長(zhǎng)28 m、寬度90 m。單個(gè)鋼絲格賓石籠尺寸2.0 m×2.0 m×0.5 m（長(zhǎng)×寬×厚），采用每3 個(gè)（或3 個(gè)以上）成串的方式進(jìn)行聯(lián)結(jié)；

（3）石籠鋪設(shè)厚度：左側(cè)出口向右側(cè)42 m范圍內(nèi)，順?biāo)飨?8 m 鋪設(shè)3 層；延長(zhǎng)段后左側(cè)6 m 寬，順?biāo)飨?2 m 鋪設(shè)3 層；右側(cè)出口向右側(cè)寬度6 m，順?biāo)飨?8 m 鋪設(shè)2層；右側(cè)出口向左側(cè)寬度28 m，順?biāo)飨?8 m 鋪設(shè)1 層；順?biāo)飨?0 m 鋪設(shè)2層。石籠下鋪設(shè)0.1 m 厚墊層，石籠頂面與出水渠底面高程齊平。

試驗(yàn)中出口防護(hù)措施優(yōu)化方案與初設(shè)方案下游沖刷特征值如表5所示。

表5 不同出口防護(hù)方案下游沖刷特征值比較 mTab.5 Downstream scouring comparison at different protection scheme

由表5 數(shù)據(jù)可知：出口防護(hù)措施優(yōu)化方案不僅可以有效保證石籠在校核水位下不被沖毀，而且橋墩在設(shè)計(jì)與校核水位下最大沖深分別較初設(shè)方案減小0.87 m和0.76 m。成果表明出口防護(hù)優(yōu)化方案的防護(hù)效果明顯，可作為設(shè)計(jì)推薦方案。

5 結(jié)論

在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合FLOW-3D 數(shù)值模擬，針對(duì)初設(shè)方案的不足之處，提出并驗(yàn)證了轉(zhuǎn)彎出水渠體型優(yōu)化方案，進(jìn)而推薦了相應(yīng)的出口防護(hù)優(yōu)化方案。論文主要成果如下：

（1）西洋河水庫新建溢洪道通過出水渠轉(zhuǎn)彎將下泄水流導(dǎo)入下游河床，轉(zhuǎn)彎角度達(dá)54°。初設(shè)方案物理模型試驗(yàn)表明渠內(nèi)流態(tài)均較差，渠底防沖不滿足要求，出口石籠大量沖毀且高速大橋橋墩處沖刷嚴(yán)重。需對(duì)轉(zhuǎn)彎出水渠體型及出口防護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化。

（2）利用FLOW-3D 軟件與模型試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)西洋河水庫除險(xiǎn)加固工程新建溢洪道轉(zhuǎn)彎出水渠進(jìn)行了體型優(yōu)化研究，結(jié)果表明：出水渠平坡方案下渠內(nèi)水流平順、流態(tài)良好，流態(tài)較初設(shè)方案明顯改善；雖渠內(nèi)底部流速較初設(shè)方案有所增大，但改用混凝土襯砌后可以滿足防沖要求。綜合考慮數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)成果，推薦了轉(zhuǎn)彎出水渠體型。

（3）考慮初設(shè)方案設(shè)置的出口防護(hù)方案效果、轉(zhuǎn)彎出水渠推薦體型下出口水流特性，結(jié)合模型試驗(yàn)多種組合方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，最終推薦了可行的出口防護(hù)優(yōu)化方案，可有效防止對(duì)京新高速大橋橋墩的沖刷危害。