某泥石流防護工程泄洪建筑物優(yōu)化試驗研究

高宗昌，花立峰

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000 ；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

某泥石流防護工程的總庫容1228萬m3。泥石流防治標準為100a一遇，淤積高程1340m，對應泥石流淤積庫容998萬m3，最大壩高51m，主體工程由擋水壩段(砂礫石均質壩)和泄水壩段(混凝土蜂窩壩)組成。擋水壩段左岸壩長200m，右岸壩長256m，泄水壩段壩頂長84m。水庫洪水設防標準為50a一遇(洪峰流量407m3/s)設計，1000年一遇(洪峰流量772m3/s)校核。

泄水壩段包括中間62m蜂窩壩段和兩側各11m寬的箱型擋土墻。蜂窩壩段由兩孔泄洪底孔和表孔溢洪道構成。

泄洪底孔由上游進水通道、涵洞、出口消能防沖段、下游整治段組成。上游進水通道長103.5m，采用分層進水形式，進水口的高程為1300.43～1333.25m，分10層布置，兩孔泄洪底孔共20個進水口，進水口的尺寸分為3m×2.24m(寬×高)和3m×2.55m(寬×高)2種，設鋼格柵。涵洞段為矩形鋼筋混凝土箱涵結構，進口采用無閘控制的自由出流形式，頂部為圓弧漸變連接，孔口尺寸為3m×2m(寬×高)，洞身尺寸4m×3m。出口消能段由12.5m的陡坡段、38m長的消力池和13.3m長的防沖段組成，陡坡段坡度為1∶3.5，底寬由4m漸變?yōu)?4.8m。消力池段采用矩形結構，池寬14.8m，池深2.5m。

表孔溢洪道寬62m，主要由泄水臺階段和臺階出口消能段組成。溢洪道堰頂寬2.0m，堰頂高程為1340m，泄槽下游采用臺階消能，共設有5級臺階，每級消能臺階的步高為5.8m，步長為14.0m，臺階與蜂窩壩鋼筋混凝土網(wǎng)格結合。臺階下游共設5個消力池，其中2個I型消力池與泄洪底孔共用，3個II型消力池與I型消力池間隔布置。I型消力池池長為50.5m，池寬14.8m，II型消力池池長為28.5m，池寬分別為10.85m、10.7m、10.85m，池深均為2.5m。

為驗證泄水建筑物泄流能力、泄洪底孔分層進水時的水力學參數(shù)、表孔溢洪道泄水臺階水力學參數(shù)和不同型式消力池聯(lián)合消能效果，進行水工模型試驗研究。

2 模型設計與制作

按照水工模型試驗要求，根據(jù)重力相似準則，模型設計需要滿足幾何相似、水流運動相似和動力相似，模型幾何比尺Lr=50。相應流量比尺Qr=17677.6695，流速比尺Vr=7.07107，糙率比尺nr=1.91938。為了觀察泄水建筑物的水流流態(tài)，溢洪道、泄洪底孔及消力池等建筑物用有機玻璃制作。下游河道模型動床沖料采用天然河沙來配制。

表1 水工模型試驗典型工況

3 試驗工況

泄水建筑物主要由泄洪底孔和表孔溢洪道構成。泄洪底孔進口底高程為1299.4m，表孔溢洪道堰頂高程為1340.0m，只有當水位高于1340.0m時，表孔溢洪道才參與泄洪。結合上游不同的水位流量情況和泥石流淤積后泄洪底孔及庫容淤堵情況，試驗工況見表1。

4 原設計方案試驗成果分析

試驗對原設計的泄洪建筑物的泄流能力進行了率定，觀測了泄洪底孔沒有淤堵時校核洪水位溢洪道和泄洪底孔聯(lián)合運用(表1序號①)和水庫水位1340m時泄洪底孔單獨運用(表1序號②)時流態(tài)、流速和壓強分布。觀測了泄洪底孔淤堵后校核洪水位溢洪道單獨運用(表1序號③)和泄洪底孔沒有淤堵時校核洪水位溢洪道和泄洪底孔聯(lián)合運用(表1序號①)時流態(tài)、流速和壓強分布。

4.1 泄流能力

(1)泄洪底孔的泄流能力。經(jīng)模型實測，原設計方案泄洪底孔校核洪水位(1342.30m)時的泄量為319.00m3/s比設計計算值268.30m3/s大50.70m3/s，占設計值的18.90%；在運行前期，庫水位為1340m時，2泄洪底孔實測泄量為310.49m3/s，比設計值260.70m3/s大49.79m3/s，占設計值的19.10%，泄流能力偏大。根據(jù)公式計算特征水位的流量系數(shù)為0.818和0.819，流量系數(shù)基本合理。

(2)溢洪道的泄流能力。原設計方案溢洪道在底孔淤堵后校核洪水位1344.00m時，溢洪道實測下泄流量為901.13m3/s，較設計值660m3/s大241.13m3/s，占設計值的36.53%；溢洪道在校核洪水位(1342.30m)時的泄量為343.9m3/s，較設計計算值287.8m3/s大56.1m3/s，占設計值的19.49%；總體看，溢洪道實際運用時，其泄流能力滿足設計要求。

4.2 水流流態(tài)

4.2.1 泄流底孔水流流態(tài)

(1)分層進水口。試驗觀測到，就分層進口前的流態(tài)來看，隨著進口頂板以上水深的變化，每一層進口上緣附近都會形成不同程度的漩渦流態(tài)。在水庫運行前期，底孔有壓孔口前的水位與分層進口前的庫水位雖有不同程度的跌落，但其變化規(guī)律是一致的，這種水面跌落是由分層進口至有壓孔口之間的局部損失造成的。在水庫運行后期，隨著淤積高程的增大，有壓孔口前的水位與分層進口前的庫水位之間的落差也逐步增大，這時，在分層進口與有壓孔口前形成跌流消能區(qū)；當只有第十層孔口進流時，有壓孔口前的水位與分層進口前的水位的落差可能會達到極大值，這時有壓孔口前的水流就非常紊亂，摻氣也很充分。

(2)泄水涵洞。試驗觀測到，庫水位低于1306.0m時，泄洪底孔孔口為明流，庫水位高于1307.0m時，泄洪底孔為孔口出流，庫水位在二者之間時，泄洪底孔有壓段處于明滿流過渡。，由于體型的原因，隨著水位的升高和泄量的增大，有壓孔口末端附近有水流脫壁的現(xiàn)象；另外，由于有壓孔口前流態(tài)的影響，特別是擴散段的影響，有壓孔口后一定范圍內因折沖波形成的水翅間歇性沖擊明流洞的頂板。如：校核洪水位工況和庫水位1340m工況，有壓孔口下游約20m范圍內因擴散段形成水流折沖，個別斷面邊墻處水深略高于邊墻高度，其中，庫水位1340m工況，縱下0+017.5m斷面邊墻水深為3.25m，高出邊墻0.25m。

(3)消力池。試驗觀測到，泄洪底孔在單獨運用且水位較高或流量較大時，如庫水位1340m工況，Ⅰ型消力池形成遠驅水躍，涌浪位于尾坎附近，涌浪高度超出消力池邊墻；當泄洪底孔與表孔溢洪道聯(lián)合運用時，如校核洪水位工況時，由于溢洪道水流以挑跌流形式進入Ⅰ型消力池，溢洪道跌落水流與底孔水流兩股水體互相碰撞、干擾，形成了穩(wěn)定的水躍流態(tài)，則消力池能夠形成理想的水躍流態(tài)。

4.2.2 溢洪道水流流態(tài)

試驗看到，各種工況的堰前水流流態(tài)都平穩(wěn)順暢；而當堰上水頭大于2.985m時，堰流類型為薄壁堰，由于堰后未設置通氣孔，堰后不同格擋流態(tài)有所差異，有的格擋堰后有空腔，有的格擋堰后則沒有，流態(tài)不穩(wěn)定。

堰上水頭在1.0m左右附近時，過堰水流流態(tài)介于寬頂堰與實用堰流態(tài)之間，各級臺階水流流態(tài)受臺階末尾坎頂托形成挑跌流流態(tài)，水舌上緣較高，各級臺階流態(tài)類似，隨著能量的消耗水舌挑距逐步減小，最后以挑跌流的形式進入消力池，各級臺階沒有形成跌流流態(tài)。在第一臺階和第二臺階處水舌超過或間歇性超過溢洪道邊墻高度，溢洪道左右兩側臺階體型需要修改和優(yōu)化。由于溢洪道水流總是以挑跌流的形式或挑流水舌與系梁碰撞后進入Ⅱ型消力池，因而各工況溢洪道消力池的流態(tài)都較為理想，消力池的體型和尺寸也滿足設計要求。

4.3 壓強分布

(1)泄洪底孔壓強分布。原設計方案泄洪底孔各部位壓強測點共布置36個，其中有壓孔口以上進水通道底板段13個，孔口頂板4個，泄洪洞底板及消力池段19個。經(jīng)測驗發(fā)現(xiàn)，泄洪底孔出現(xiàn)負壓的部位有兩個，一個是有壓孔口頂板的直線段部位，一個是洞出口陡坡段中部以上部位，這兩個部位的負壓都是由于體型不當所致，其中，校核洪水位工況時，有壓孔口頂板3#號測壓孔出現(xiàn)-5.7×9.81kPa的負壓；而洞出口陡坡段的負壓雖然較小(最大為-0.29×9.81kPa)，考慮到該部位為高速水流區(qū)，因而這2個部位都需要修改優(yōu)化。

(2)溢洪道壓強分布。溢洪道原方案各部位壓強測點共布置73個。通過試驗驗證，各運行工況，除臺階局部有-0.02×9.81kPa～-0.92×9.81kPa的負壓外，其余部位壓強均為正值，壓強分布正常。

5 優(yōu)化方案試驗成果分析

5.1 試驗優(yōu)化方案

在原設計方案模型試驗成果基礎上，針對原設計方案進行了以下優(yōu)化。

(1)對溢洪道兩側臺階的體型進行了優(yōu)化，即將原臺階高度4等分成小臺階方案。

(2)對溢洪道薄壁堰堰后通氣孔位置及尺寸進行了確定；考慮到堰流水舌與薄壁堰之間有一回流區(qū)或靜水區(qū)，堰后通氣孔高度必須高于最大回流水面的高度，否則不但不能保證堰后充分通氣，還可能導致通氣孔進水而失效。經(jīng)試驗觀測，大多數(shù)情況下能形成穩(wěn)定通氣的通氣孔高程在1339.25m上下。同時，當堰頂水頭小于2.5～3.0cm時，由于水流表面張力的影響，薄壁堰容易形成貼壁流，這時部分水流可能進入通氣通道，這一情況在實際工程中也會出現(xiàn)，因此，在設置通氣通道時應同時設置通氣通道的排水設施。

(3)對泄洪底孔有壓孔口體型進行了調整；將有壓孔口頂板由“圓弧曲線+直線”調整為“四分之一橢圓曲線”，孔口末端高度維持原設計尺寸2.0m，壓坡調整后孔口尺寸由1.85m減小到1.68m。有壓孔口長度由原設計3.81m調整為3.0m。

(4)對Ⅰ型消力池輔助消能設施及陡坡擴散段體型進行了優(yōu)化。消力池擴散段由推薦方案的“洞內擴散”調整為“洞外擴散”，擴散段長度由15m增加到30m，消力池段在維持池長不變的情況下，消力池整體下移22.7m，底板高程降低0.45m。

5.2 優(yōu)化方案泄洪底孔成果分析

5.2.1 泄流能力

優(yōu)化方案試驗結果表明，泄洪底孔運用時，模型實測泄量較設計計算值偏大，差值在66.10～67.70m3/s，分別占相應設計計算值的25.35%和25.23%，泄流能力滿足設計要求。

5.2.2 水流流態(tài)

分層進水流態(tài)與原設計基本相同。

(1)泄水涵洞。定型方案泄洪底孔水流流態(tài)與原方案基本相同，即運行前期庫水位低于1306.00m時，泄洪底孔孔口為明流，庫水位高于1306.93m時，泄洪底孔為孔口出流，庫水位在二者之間時，泄洪底孔有壓段處于明滿流過渡。試驗看到，由于有壓孔口位于擴散段，雖然孔口頂板采用1/4橢圓曲線體型得到了優(yōu)化，但隨著水位的升高和泄量的增大，有壓孔口末端附近仍有不同程度水流脫壁的現(xiàn)象；另外，由于有壓孔口前流態(tài)的影響，特別是擴散段的影響，有壓孔口后一定范圍內因折沖波形成的水翅間歇性沖擊明流洞的頂板。校核洪水位溢洪道與底孔聯(lián)合運用工況、設計洪水位工況和庫水位1340m底孔單獨泄水3個工況運行時，泄洪底孔明流洞所有斷面水深均低于洞身直墻高度，洞頂余幅為27.33%，滿足規(guī)范要求(15%～25%)，明流洞體型尺寸基本合理。

(2)消力池。試驗結果表明，優(yōu)化方案各工況Ⅰ型消力池水躍均為微淹沒水躍，消力池最大水深均未超過邊墻高度，消力池體型尺寸滿足要求。

5.2.3 壓強分布

試驗結果表明，各工況泄洪底孔出現(xiàn)負壓的部位有2個，一個是有壓孔口頂板的后半部分，一個是洞出口陡坡段起始部位，這2個部位的負壓都是由于體型不當所致，其中泄洪底孔沒有淤堵的校核洪水位工況下，有壓孔口頂板3#號測壓孔出現(xiàn)-4.24×9.81kPa的負壓；而洞出口陡坡段的負壓較小(最大為-0.61×9.81kPa)，設計洪水位工況下，隨著泄量的減少，有壓孔口頂板的負壓也有所改善考慮，3#號測壓孔壓強為-2.11×9.81kPa。優(yōu)化方案有壓孔口頂板曲線采用1/4橢圓曲線雖對原設計體型進行了優(yōu)化，壓強分布得到了改善，但負壓問題未得到根本解決，由于有壓孔口為高流速區(qū)域，建議有壓孔口頂板采用特制材料進行施工并嚴格控制其不平整度。

5.3 優(yōu)化方案溢洪道成果分析

5.3.1 泄流能力

優(yōu)化方案校核洪水位和設計洪水位模型實測泄量均大于設計計算值，量值在61.38～206.65m3/s之間，占相應設計泄量的17.19%～31.31%，泄流能力滿足設計要求。

5.3.2 水流流態(tài)

優(yōu)化方案各工況表孔溢洪道進口流態(tài)良好。溢洪道薄壁堰背水面設置通氣孔后過堰水流流態(tài)良好，堰后空腔穩(wěn)定，通氣孔位置和尺寸合理可行。

溢洪道兩側采用小臺階后，水流流態(tài)為滑移流流態(tài)，中部大臺階流態(tài)為挑跌流流態(tài)，各工況臺階水深均低于溢洪道邊墻高度，溢洪道體型尺寸滿足設計要求。試驗看到，由于溢洪道水流總是以挑跌流的形式或挑流水舌與系梁碰撞后進入Ⅱ型消力池，因而各工況溢洪道消力池的流態(tài)都較為理想，消力池的體型和尺寸也滿足設計要求。

5.3.3 壓強分布

試驗結果表明，底孔淤堵后校核洪水位和底孔沒有淤堵時校核洪水位及設計洪水位3個工況溢洪道除臺階局部有-0.02×9.81kPa～-0.77×9.81kPa的負壓外(最大負壓為-0.77×9.81kPa，滿足規(guī)范要求)，其余部位壓強均為正值，壓強分布正常。

6 結語

針對原設計方案泄洪底孔存在有壓孔口頂板體型問題，即圓曲線與其下游直線段不相切，在高水頭時出現(xiàn)水流與頂板末端脫壁且有壓孔口頂板后半部分為負壓區(qū)；有壓孔口末所在擴散段的擴散角較大，其后水流折沖較明顯，水面間歇性沖擊孔口頂板；泄洪洞出口陡坡擴散段水流擴散不明顯。表孔溢洪道特征工況消力池水躍為遠驅水躍、薄壁堰流態(tài)與臺階流態(tài)問題等問題，經(jīng)試驗驗證，對原設計方案進行了優(yōu)化，調整體型后的泄洪建筑物在泄水能力、水流流態(tài)和壓強分布等方面滿足設計要求，模型試驗很好地指導了工程設計。