劉家溝水電站溢洪道泄洪消能方案試驗研究

曾施雨，楊勝發(fā)，張帥帥，胡鵬飛

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；3.長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401147)

在水利樞紐中，溢洪道是一種主要用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納洪水的泄水建筑物。根據(jù)溢洪道下游河床相應(yīng)的抗沖能力，水流下泄則會造成不同程度的沖刷。為了防止對河床造成有害沖刷，保證溢洪道的安全運行，選擇適當?shù)南滦沽髁亢秃侠淼钠矫娌贾猛猓扇『线m的消能形式也是保障溢洪道正常運行的必要措施。

為了確保工程的安全,通過物理模型試驗研究對溢洪道的消能形式提出可行的優(yōu)化方案或改進措施，為同類型的工程設(shè)計提供科學的參考依據(jù)，并為溢洪道的除險加固提供技術(shù)支撐[1]。

1 工程概況

劉家溝水電站位于重慶市巫溪縣的小溪河中游的鼻骨梁河段，采用筑壩攔河蓄水進行發(fā)電，屬于Ⅲ等中型工程。電站水庫壩址距其廠址約6.0 km，水庫正常蓄水位448.0 m[2]，相應(yīng)庫容1 820 萬m3，總庫容為1 924 萬m3。

2 水工模型設(shè)計

2.1 水流運動相似

考慮試驗場地大小及供水條件，模型確定采用長度比尺1：50的正態(tài)模型。根據(jù)定床河工相似性基本準則，模型在滿足幾何相似、重力相似、等相似條件下[3-5]，由此可獲得如下相似比尺(見表1)。

表1 模型比尺

2.2 模型砂選取

模型試驗采用天然非均勻砂作為模型散粒體沖料。模型砂的粒徑依據(jù)工程現(xiàn)場實測河床粒徑資料，按照原型巖石河床不沖流速與模型沖料起動流速相似法，利用伊茲巴士公式選擇模型散粒體沖料的粒徑。計算公式為：

(1)

式中：V為巖石允許抗沖流速，m/s；D為散粒體砂或碎石粒徑，m。

根據(jù)工程河段實測卵礫石河床資料，按照粒徑比尺加工制作模型砂，其中值粒徑D50=14.99 mm，見圖1。

圖1 河床模型砂級配曲線

3 溢洪道消能形式優(yōu)化

3.1 原設(shè)計方案

原溢洪道設(shè)計方案為正堰開敞式溢洪道，依次由進水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及出水渠5部分組成。

3.1.1 試驗方案布置

樁號溢0-058.77～溢0+000.0 m為溢洪道進水渠段；樁號溢0+000.0～溢0+018.0 m為溢洪道控制段，控制段選用三孔閘室進水；樁號溢0+018.0～溢0+210.5 m為溢洪道泄槽段；樁號溢0+211.3 m～溢0+225.4 m為挑流鼻坎段。鼻坎采用1段圓弧，半徑為20.0 m，中心角40.5°，鼻坎頂高程406.55 m(見圖2)。

圖2 原方案溢洪道泄槽末段平面布置圖(單位：m)

3.1.2 試驗現(xiàn)象與效果分析

根據(jù)設(shè)計洪水與校核洪水的工況下試驗結(jié)果數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象分析表明(見表2)，采用設(shè)計方案中連續(xù)式挑流鼻坎形式的溢洪道泄流消能方案存在以下問題：沿溢洪道中軸線方向從挑流鼻坎挑射出的水流單寬流量大，流速快(見表3)，在靠近河床左岸位置沖擊河床，偏離天然河床主流線位置，下游河道沖刷比較嚴重(見表4)，且易造成右岸岸坡失穩(wěn)；同時沖刷坑溢出堆積物較多，堆積物堵塞河道現(xiàn)象較為嚴重，對天然河道的順暢過流造成較大影響。

表2 設(shè)計洪峰流量成果表

表3 泄槽段末端設(shè)計洪峰下溢洪道流速水位成果表

表4 局部河床沖刷深度(原方案) m

3.2 方案1岸坡分散水流修改方案

對原方案消能修改方案的試驗結(jié)果進行分析，考慮采用岸坡分散水流消能形式作為溢洪道消能修改方案的主要目的在于通過將溢洪道出口段過水斷面寬度逐漸增大，減小下泄水流的單寬流量，達到分散水流的目的，從而進一步優(yōu)化消能效果。

3.2.1 試驗方案布置

本修改方案對泄槽擴散段首端(樁號溢0+123.5)位置以下區(qū)域進行修改，對樁號溢0+123.5以上區(qū)域采用兩孔閘門泄流修改方案，對其不做修改。

本次試驗修改方案布置說明：在樁號溢0+123.5到樁號溢0+132.3之間溢洪道段采用坡度約為0.027的斜坡連接，即從樁號溢0+123.5(高程為434.32 m)處沿程下降到樁號溢0+132.3(高程為434 m)(見圖3)。從樁號溢0+132.3開始修筑一過水平臺，平臺高程為434 m，過水平臺出口寬度為67.99 m。下泄水流經(jīng)過過水平臺后沿坡度為0.7的左岸山體岸坡流入河床，左岸山體岸坡需要進行平整清理和襯砌混凝土墊層護坡等措施處理[6]。

圖3 岸坡分散水流方案布置圖(單位:m)

3.2.2 試驗現(xiàn)象與效果分析

通過平整和襯砌溢洪道出口處左岸岸坡，將下泄水流順岸坡導(dǎo)入下游河床中，水流沖擊靠近岸邊河床，形成沖刷坑。下泄水流在沖刷坑內(nèi)形成漩滾水流并發(fā)生強烈紊動消能，避免了水流多余的能量對天然河床和岸坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

根據(jù)試驗效果分析需要，分別進行設(shè)計流量和校核流量2種工況進行試驗研究。設(shè)計洪水流量工況下，試驗觀測發(fā)現(xiàn)水流沿左岸岸坡下泄，靠著左岸山腳沖刷左岸附近天然河床形成沖刷坑，沖刷坑對右岸孔家灣崩滑體的影響減小。水流的沖刷基本沒有對崩滑體造成比較大的變形，沖刷坑下游淤積的范圍不大，隨著沖刷坑形狀逐漸穩(wěn)定，下游淤積體基本不發(fā)生變化，河勢較穩(wěn)定。

在校核流量工況時，下泄高速水流大部分能量在形成的沖刷坑中消耗，沖坑溢出水流能夠比較好地歸順天然河道，但試驗中發(fā)現(xiàn)由于溢洪道出口處寬度的限制和溢洪道泄槽段平面結(jié)構(gòu)形式不佳，下泄水流的單寬流量仍比較大，水流分散不均勻，沖刷坑位置偏向下游水流能量集中，沖坑溢出水流出現(xiàn)了輕微沖刷右岸崩滑體現(xiàn)象，但沖坑溢出水流只是從岸坡表面漫流而過，未對右岸岸坡形狀造成較大的改變(見表5)。

表5 局部河床沖刷深度(方案1) m

2種流量工況下岸坡分散水流修改方案試驗效果可以分析出，由于溢洪道出口寬度的限制和泄槽段線形的影響，當下泄水流流量較大時易出現(xiàn)沖刷右岸現(xiàn)象，且沖刷坑深度也有待進一步減小，因此溢洪道消能形式有待進一步優(yōu)化。

3.3 方案2消力池及岸坡設(shè)消力墩聯(lián)合消能修改方案

底流消能屬于典型的集中消能形式，是將水體機械能集中在水躍發(fā)生區(qū)進行消耗，使下泄水流流態(tài)為緩流，以便與下游河道平穩(wěn)銜接[7]。方案2考慮在溢洪道泄槽出口段設(shè)置消力池初步耗散下泄水流的能量，減緩下泄水流對下游河床的局部沖刷程度，改善溢洪道消能效果。

3.3.1 試驗方案布置

本次修改方案對于樁號溢0+060.30以上溢洪道段不做修改，樁號溢0+060.30以下泄槽段進行了線形優(yōu)化。樁號溢0+060.30至溢0+078.29之間為長18 m的直線段泄槽；樁號溢0+078.29至溢0+095.21之間為長16.91 m的彎道泄槽，泄槽中心線半徑為605 m；樁號溢0+095.21至溢0+120.30之間為直線段泄槽；以上三部分泄槽段底面坡度為0.02，泄槽尾部高程為434.30 m。

樁號溢0+120.30至溢0+132.30是消力池斜坡段，斜坡段長12 m，坡度約為0.44，消力池底部高程為429.00 m，消力池深度為5 m。消力池斜坡段上布置3個楔形泄槽消力墩，在消力池內(nèi)布置有梅花形消力墩，布置和形狀尺寸見圖4。

圖4 消力池方案布置圖(單位：m)

水流流出消力池后，沿岸坡分散流入河床，為進一步減少下泄水流能量，在左岸岸坡上布置消力墩。岸坡消力墩布置方式：在岸坡上布置10排消力墩，每排有15個消力墩，消力墩的尺寸與消力池內(nèi)消力墩尺寸相同，每行消力墩基本沿等高線布置。消力墩行間距為4.65 m，列間距為2.32 m，消力墩在岸坡上布置位置可由邊界上4個消力墩位置確定。

3.3.2 試驗現(xiàn)象與效果分析

試驗修改方案分別進行了設(shè)計洪水和校核洪水流量下的試驗現(xiàn)象觀測。由于岸坡上布置了消力墩，水流與消力墩碰撞后被消力墩分散成兩股水流，分別從消力墩兩邊夾縫中流過，且有部分水流從消力墩頂部挑射出來，跌入后排消力墩處。下泄水流經(jīng)過一排排消力墩的碰撞分散和挑射進行消能，與此同時下泄水流在碰撞過程中與空氣相互混摻也起到消耗掉水流能量的目的，消能效果較好，河床沖刷程度減弱。從整體上看，有大約2/3的水流順水流流向沖向左邊岸坡區(qū)域進行消能(見圖5)。

圖5 岸坡消力墩消能效果(設(shè)計流量Q=586 m3/s)

下泄水流對河床局部沖刷深度明顯降低，沖刷坑的范圍也進一步減小，溢出水流未對右岸岸坡造成強烈沖刷，表明該方案相比方案一消能效果更為明顯，且水流流入河床后能夠平穩(wěn)地歸順到原有河床，未對原有河床造成較大的影響(見表6)。

表6 局部河床沖刷深度(方案2) m

雖然岸坡上設(shè)置消力墩方案與前幾種修改方案相比在沖刷深度上大為降低，但考慮到岸坡上水流更加紊亂，水流流向流態(tài)比較散亂，且水流摻雜空氣碰撞消力墩時可能出現(xiàn)空化空蝕現(xiàn)象，容易對建筑物結(jié)構(gòu)造成水毀破壞[7,8]，影響建筑物安全運行，且在岸坡上布置較為密集的消力墩不僅對施工難度提出挑戰(zhàn)，而且增加了工程建造成本，故不推薦此方案作為工程實施方案。

3.4 方案3保留公路修改方案

工程左側(cè)岸坡中部有一條施工期公路在工程完工后便不在發(fā)揮作用。方案3嘗試了在保留施工公路情況下，使順岸坡的下泄水流橫穿此公路平臺進行挑流消能。

3.4.1 試驗方案布置

通常來講，下泄水流的流速流向以及流量分布與溢洪道泄槽的結(jié)構(gòu)布置形式密切相關(guān)。如圖6所示對泄槽結(jié)構(gòu)大致進行以下內(nèi)容的修改：①泄槽左邊墻：樁號溢0+060.30至溢0+078.29為直線段；樁號溢0+078.29至溢0+095.21為彎道泄槽段，中心線圓弧半徑為605 m;樁號溢0+095.21至溢0+133.15為直線段，在樁號溢0+133.15后平滑銜接一段的圓弧邊墻，其長度23.3 m，半徑為115 m；其后為直線段邊墻連接至過水平臺出口。②泄槽右邊墻：樁號溢0+060.30至溢0+095.21與泄槽左邊墻一致；在樁號溢0+95.21至溢0+147.9為直線段；其后邊墻向右側(cè)偏轉(zhuǎn)2.08°，由直線段邊墻連接至平臺出口。③過水平臺：平臺出口與平整岸坡方向連接，范圍位于樁號溢0+136.3之后，平臺底板高程為434 m。

圖6 方案3平面布置圖(單位：m)

過水平臺出口與平整襯砌后的天然岸坡相連接，共同構(gòu)成泄水消能設(shè)施。公路平臺上部岸坡坡度采用1∶1.1；公路平臺寬度為5 m，平臺沿岸坡縱向坡度指向上游坡度為0.073，平臺和上部岸坡之間采用半徑為8 m的圓弧弧面相銜接，保證岸坡過水的平滑和連續(xù)性。由于水流大部分經(jīng)平臺挑射而出落入河床中，因此公路平臺以下岸坡部分可以不予特別處理。

合理的消力墩結(jié)構(gòu)選擇與布置對分散水流與改善水流流態(tài)極其重要。本方案過水平臺處的消力墩采用T型墩結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸見圖7。從樁號溢0+152.91處起緊臨左邊墻布置四排消力墩，T型墩橫向凈間距為2 m，每排間隔為10 m，縱向方向平行與泄槽右側(cè)邊墻，其中前三排分別布置3個消力墩，第四排布置2個消力墩。

圖7 消力墩結(jié)構(gòu)形式及尺寸(單位：m)

3.4.2 試驗現(xiàn)象與效果分析

圖8為設(shè)計下泄洪水(流量Q=586 m3/s)時的消能效果。泄槽末端的過水平臺中的水流流態(tài)較為良好，流速較小(見表7)。經(jīng)泄槽中的T型墩分散的水流沿河道下泄流過岸坡中部公路處挑射，過程中增加了水流與空氣的接觸面積，水流與空氣摩擦消能，之后落入靠近左岸岸坡處的河床尾水中又進一步發(fā)生淹沒紊動，對河床沖刷影響不大(見表8和表9)，對右岸岸坡影響較小，消能效果良好。

圖8 方案3試驗消能效果(設(shè)計流量Q=586 m3/s)

表7 泄洪閘全開敞泄泄槽末段流速 m/s

注：T型墩處實測流速為墩前流速。

表8 公路平臺流速分布

注：起點距方向為沿岸坡邊墻順水流方向。

表9 局部河床沖刷深度(方案3) m

4 結(jié) 語

本文主要針對溢洪道的消能形式進行了幾種修改方案的比選,其中不同方案的優(yōu)缺點總結(jié)見表10。通過不斷調(diào)整優(yōu)化方案，分析比較各方案的試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)結(jié)果，最終確定了岸坡分散水流結(jié)合公路平臺挑流的方案3作為工程設(shè)計的最優(yōu)方案。該方案中溢洪道泄槽段經(jīng)過體型優(yōu)化，泄槽內(nèi)水位變化穩(wěn)定，水面流態(tài)較好；同時利用公路平臺挑射水流沿河床縱向沖刷下游河床進行消能，消能效果顯著；下游沖坑溢出堆積物面積不大，河道水流平順，河勢穩(wěn)定，較好地解決了本工程所在下游河床較為狹窄且右岸岸坡存在大型崩滑體的技術(shù)難題。

表10 劉家溝水電站溢洪道消能結(jié)構(gòu)修改方案優(yōu)缺點比較表

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