福建省洋口水庫(kù)溢洪道模型試驗(yàn)和挑流鼻坎優(yōu)化研究

李昌垣

(江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330029)

0 引 言

溢洪道是水庫(kù)泄洪的主要建筑物,其建筑形式設(shè)計(jì)與布置的合理性關(guān)系到水庫(kù)的運(yùn)行安全。為研究溢洪道的泄洪能力,分散挑流能量,改善沖坑形態(tài),科研人員對(duì)泄流建筑物挑坎型式做出研究和改進(jìn),如提出差動(dòng)式、寬尾墩式、窄縫式、舌瓣式等挑坎型式[1]。黃智敏等[2-4]研究了各型式挑坎,特別是差動(dòng)式挑坎的水力學(xué)特性;虞佳穎等[5]重點(diǎn)研究了縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑坎;趙建坤等[6]通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了差動(dòng)式鼻坎的消能效果。為驗(yàn)證洋口水庫(kù)設(shè)計(jì)合理性并提出優(yōu)化意見(jiàn),本文開(kāi)展了水庫(kù)模型試驗(yàn),包括水工模型試驗(yàn)和局部動(dòng)床沖刷試驗(yàn),選擇了差動(dòng)式鼻坎的優(yōu)化方案,優(yōu)化方案下挑流水舌在縱向上前后距離拉長(zhǎng),可有效分散挑流能量,減輕對(duì)下游河道的沖刷,使下游沖坑形態(tài)得到改善。

1 工程概況

洋口水庫(kù)位于福建省南平市順昌縣,是一座以灌溉為主、兼有供水任務(wù)的中型水庫(kù)。正常蓄水位為298.00 m,相應(yīng)庫(kù)容1 410萬(wàn)m3。大壩設(shè)計(jì)為三心圓雙曲中厚拱壩,壩底高程241.00 m,最大壩高61 m,壩頂厚4 m,壩底厚14.406 m,壩頂總長(zhǎng)183.733 m,其中左、右岸擋水壩段軸線(xiàn)各長(zhǎng)73.956 m。溢流堰段軸線(xiàn)總長(zhǎng)35.82 m。水庫(kù)溢流堰采用3孔表孔溢流,溢流堰堰頂高程294.30 m,溢流凈寬為33 m。每孔設(shè)置一扇平面鋼閘門(mén)作為工作閘門(mén),閘門(mén)平面尺寸為10.86 m×4.90 m。堰頂頭部為橢圓曲線(xiàn),下游堰面采用WES曲線(xiàn),堰后接反弧段,反弧半徑為10 m,末端采用挑流消能,挑角為15°。溢流段下游壩腳設(shè)置厚1.5 m的C25混凝土護(hù)坦,用以減輕施工期洪水及運(yùn)行期小流量對(duì)下游壩腳的淘刷。沖刷坑位于壩線(xiàn)下游50 m左右,該處河床寬約25 m,表層為砂礫石、漂石層,厚3.5 m左右,抗沖刷能力一般,基巖面高程約243.2 m。基巖面多為微風(fēng)化的石英細(xì)砂巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體較完整,工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置Fig.1 Layout of the project

2 模型設(shè)計(jì)與制作

水庫(kù)模型為正態(tài)模型,建造和試驗(yàn)方法均參照水利部SL 155-2012《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行,按重力相似及幾何相似設(shè)計(jì)[7-8],幾何比尺定為1∶40,λL=λH=40,原型溢流堰表面糙率為0.014～0.016,模型溢流堰采用光滑有機(jī)玻璃制作,模型糙率為0.008左右,基本能滿(mǎn)足糙率相似性要求。模擬范圍為溢流堰上游庫(kù)區(qū)、拱壩、溢流堰及下游450 m河道。上游庫(kù)區(qū)的模型地形最高高程為305 m,下游河道的模型地形最高高程為260 m。為保證模型壩體的制作和安裝精度,采用高精度雕刻機(jī)切出壩體輪廓斷面板,安裝到位后形成壩體立體輪廓,再砌磚和填充水泥砌筑壩體;為加固壩身防止其位移,在壩體與地面的銜接上采用預(yù)埋鋼筋加固。

表1 模型試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions of model

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 敞泄泄流能力

閘門(mén)全開(kāi)時(shí)泄流成果如表2和圖2所示,試驗(yàn)結(jié)果表明,三孔敞泄時(shí),各流量下上游水位試驗(yàn)值曲線(xiàn)在設(shè)計(jì)值曲線(xiàn)以下。其中,消能工況、設(shè)計(jì)工況以及校核工況的試驗(yàn)上游庫(kù)水位分別為298.72,299.04 m和301.08 m,較相應(yīng)的設(shè)計(jì)值298.86,299.20 m和301.22 m分別低0.14,0.16 m和0.14 m,溢洪堰泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 庫(kù)水位與流量關(guān)系(敞泄)Tab.2 Relation between reservoir water level and flow (open discharge)

圖2 庫(kù)水位與流量關(guān)系曲線(xiàn)(敞泄)Fig.2 Reservoir water level-flow relation curves (open discharge)

3.2 三孔閘控泄流能力

進(jìn)行了三孔均勻局部開(kāi)啟泄流試驗(yàn),設(shè)置三閘門(mén)開(kāi)度e分別為0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 m和4.0 m,分別測(cè)得同一開(kāi)度固定時(shí)的庫(kù)水位與流量間關(guān)系,試驗(yàn)成果見(jiàn)圖3,反映了不同開(kāi)度下的庫(kù)水位與流量關(guān)系。從水位和流量曲線(xiàn)可以看出,同一開(kāi)度情況下,上游水位隨下泄流量的增大而增大,兩者基本呈線(xiàn)性關(guān)系,線(xiàn)條光滑。

圖3 庫(kù)水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)(閘門(mén)局部開(kāi)啟)Fig.3 Reservoir water level-flow relation curves (gate partially opened)

3.3 進(jìn)口段流態(tài)

敞泄時(shí),各工況下堰前進(jìn)水口處水面平穩(wěn),無(wú)明顯波動(dòng),進(jìn)水平順,流態(tài)總體良好,未見(jiàn)明顯不良水力現(xiàn)象,水流流經(jīng)溢流堰時(shí)未見(jiàn)明顯不良水力現(xiàn)象。但是,由于閘孔徑向收縮以及邊墻擠壓的作用,橫向上水流深度不均勻,在校核工況下,出坎水流水位超過(guò)導(dǎo)墻末端高度,高出左邊墻0.26 m、右邊墻 1.20 m。

控泄時(shí),堰前水面平穩(wěn),無(wú)明顯波動(dòng)。常遇洪水工況下,三孔平面閘門(mén)迎水面出現(xiàn)一定強(qiáng)度的漩渦,漩渦在平面鋼閘門(mén)左右兩端,靠近閘門(mén)槽,水流流經(jīng)溢流堰時(shí)未見(jiàn)明顯不良水力現(xiàn)象。

3.4 出口流態(tài)與消能防沖

原設(shè)計(jì)方案下,各工況均能形成挑流,挑流水舌均落于河道中間,水舌歸槽性好,未發(fā)生水流直接沖擊左右岸坡現(xiàn)象,挑流水舌入水處縱向上寬度小,單寬流量大,水舌入水遠(yuǎn)點(diǎn)挑距與近點(diǎn)挑距十分接近,水流能量集中在一條線(xiàn)上,特別是在大流量工況下(校核、設(shè)計(jì)工況),對(duì)沖坑的淘刷作用非常明顯,沖坑內(nèi)水體翻滾,將沖坑內(nèi)砂石大量卷起并沖到下游。為準(zhǔn)確模擬水流對(duì)下游河道的淘刷情況,所有工況的沖坑動(dòng)床沖刷試驗(yàn)均是在挑流穩(wěn)定后,連續(xù)放水沖刷至少5 h,并將堆積在沖坑下游的砂石及時(shí)清除,待不再有砂石被沖起、沖坑形態(tài)基本穩(wěn)定,再停水測(cè)量。各工況都有明顯的沖坑沖出,沖坑最深點(diǎn)基本在河道中央,存在的主要問(wèn)題為:① 挑流水舌落入下游水面處縱向上寬度小,單寬流量大,水流能量過(guò)于集中;② 校核工況時(shí)下游河道沖刷嚴(yán)重,造成沖坑上游面較陡,沖坑底深度為16.51 m,沖坑底到壩趾距離為41.12 m,沖坑上游坡比為1∶2.49,未滿(mǎn)足規(guī)范要求,有可能影響壩體基礎(chǔ)安全。

4 挑流鼻坎優(yōu)化

為改善挑流形態(tài)、分散挑流能量,對(duì)挑流鼻坎體型參數(shù)做出優(yōu)化。差動(dòng)鼻坎平面與剖面見(jiàn)圖4～5。考慮到下游河道寬度小,水舌橫向分散的余地不大,設(shè)計(jì)方向定為增大水舌后縱向分散,增大水舌入水面積,減小縱向單寬流量,經(jīng)多種方案試驗(yàn)比對(duì)后,確定調(diào)整為差動(dòng)鼻坎[9],利用高低坎分流作用將水流分開(kāi)挑射,使其分成上、下兩層,水舌在垂直方向擴(kuò)散,同時(shí)加強(qiáng)挑射水流在空中的碰撞、摻氣效果,從而減輕下游河床沖刷。方案以原設(shè)計(jì)堰面為低坎,新增加鼻坎的高坎寬度4.4 m,坎高1.5 m,高坎反弧半徑11.0 m,挑角θ1=21.45°,低坎挑角θ=15°,Δθ=6.45°,高坎起點(diǎn)與低坎起點(diǎn)均為原反弧段起點(diǎn),挑流鼻坎優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 挑流鼻坎優(yōu)化沖坑參數(shù)Tab.3 Parameters of scouring pit in differential flip bucket optimization design

圖4 差動(dòng)鼻坎平面Fig.4 Layout of differential flip bucket

圖5 差動(dòng)鼻坎剖面Fig.5 Section of differential flip bucket

加差動(dòng)鼻坎后,水流經(jīng)溢流堰時(shí)未見(jiàn)明顯不良水力現(xiàn)象,水流經(jīng)過(guò)差動(dòng)鼻坎后出坎水流穩(wěn)定,在高坎和低坎分流作用下分成上、下兩層,兩層水流經(jīng)在空中碰撞匯合,水舌形態(tài)呈內(nèi)凹形,挑流兩側(cè)挑距明顯大于中間。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用差動(dòng)鼻坎后,挑流水舌入水遠(yuǎn)點(diǎn)與近點(diǎn)距離變大,入水面縱向?qū)挾让黠@加大,沖坑內(nèi)水流翻滾劇烈程度變小,沖刷作用降低,沖坑形態(tài)好于原設(shè)計(jì),消能效果較原設(shè)計(jì)大為改善。校核工況下,原設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)挑流形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖6～7,沖坑參數(shù)和形態(tài)對(duì)比見(jiàn)表4和圖8。

表4 挑流鼻坎優(yōu)化前后沖坑參數(shù)對(duì)比Tab.4 Scour pit data of original design and differential flip bucket optimization design

圖6 原設(shè)計(jì)挑流水舌照片(校核工況)Fig.6 Picture of trajectory nappe in original design (check flood case)

圖7 差動(dòng)鼻坎優(yōu)化方案挑流水舌照片(校核工況)Fig.7 Picture of trajectory nappe with differential flip bucket optimization design (check flood case)

圖8 校核工況下沖坑沖刷后地形照片(高程單位:m)Fig.8 Picture of topography after washout of the pit in calibration condition

受挑流墜入水面以及地形影響,沖坑左、右岸在一定范圍出現(xiàn)較高的靠岸回流,流速不穩(wěn)定,流速隨泄流量增大而逐漸增大,在校核工況下測(cè)得,沖坑左岸最大流速5.87 m/s,右岸流速5.77 m/s,發(fā)生位置在下游樁號(hào)X=0+30 m,而沖坑左岸山體以弱風(fēng)化(允許抗沖流速4 m/s)的含長(zhǎng)石變質(zhì)石英細(xì)砂巖為主,右岸巖性主要為變質(zhì)石英細(xì)砂巖,表層巖體呈強(qiáng)、弱風(fēng)化狀(允許抗沖流速2～4 m/s),下游河道流速分布見(jiàn)圖9。因此,沖坑內(nèi)產(chǎn)生的靠岸回流在兩岸岸坡附近形成的沖刷可能會(huì)對(duì)岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響,建議對(duì)兩岸坡腳加強(qiáng)防護(hù)。

圖9 校核工況下游河道流速分布(單位:m/s)Fig.9 Flow rate distribution of downstream river in calibration condition

5 結(jié) 論

通過(guò)水庫(kù)溢洪道物理模型試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:洋口水庫(kù)溢洪道在各工況下泄流能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求,溢流堰進(jìn)水口和溢流堰上水流總體平順,無(wú)明顯不良流態(tài)現(xiàn)象,堰型設(shè)計(jì)和布置合理。針對(duì)挑流水舌入水處縱向?qū)挾刃?、單寬流量?造成校核工況下游河道沖刷較嚴(yán)重的問(wèn)題,提出了堰尾差動(dòng)鼻坎優(yōu)化方案,并通過(guò)試驗(yàn)證明了優(yōu)化方案極大地改善了消能狀況,減輕了對(duì)下游河道的沖刷,降低了安全隱患。根據(jù)校核工況下沖坑內(nèi)靠岸回流流速大于允許抗沖流速的問(wèn)題,對(duì)沖坑附近兩岸坡腳提出加強(qiáng)防護(hù)的建議。