探析響水水庫(kù)工程的挑坎角度優(yōu)化試驗(yàn)

賈 剛

（貴州春曉博浩工程技術(shù)咨詢(xún)工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 工程概況

響水河屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅担瑸榘赘幼蟀兑患?jí)支流，其干流全長(zhǎng)50.7 km，全流域面積485 km2，河道平均比降為5.63%。響水水庫(kù)位于響水河中游河段，擬選壩址位于竹園鄉(xiāng)歹雞村河段，是向大方縣煤化工產(chǎn)業(yè)基地提供工業(yè)用水及向響水鄉(xiāng)、竹園鄉(xiāng)提供農(nóng)田灌溉用水及所覆蓋灌區(qū)內(nèi)人畜飲水的中型水庫(kù)工程。

該工程可研階段初定壩型為碾壓混凝土重力壩，其總體布置為：碾壓混凝土重力壩+壩頂溢流表孔+壩身放空底孔+庫(kù)內(nèi)右岸提水泵站+供水管線。其中，混凝土壩均按50 年一遇洪水設(shè)計(jì)，500 年一遇洪水校核，消能防沖設(shè)施按30 年一遇洪水設(shè)計(jì)。壩址處河床斷面為對(duì)稱(chēng)“V”型，兩岸較陡，工程總體布置采用溢洪道布置于河床中段。

因挑流消能具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于檢修，投資節(jié)省，適應(yīng)性、靈活性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，本工程溢洪道消能型式擬采用挑流消能[1]。但由于在溢洪道下游50 m 處存在落腳河向斜區(qū)域構(gòu)造，其向斜軸部巖層較破碎且強(qiáng)度較低，抗沖刷能力有限，可能在一定范圍流量下對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)和兩岸岸坡安全產(chǎn)生不利影響[2]。

2 分析內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)條件

2.1 分析內(nèi)容

試驗(yàn)研究的內(nèi)容包括以下方面：（1）溢洪道及底孔泄流能力測(cè)試；（2）溢洪道、底孔及下游河道水流流態(tài)觀測(cè)；（3）溢洪道及底孔沿程水面線觀測(cè)；（4）溢洪道控制段、泄槽段及挑坎段壓力特性觀測(cè)；（5）下游河道流速分布觀測(cè)。下游河道分別于溢洪道出口下游85 m、105 m 和125 m 處共布置了3 個(gè)流速斷面，每個(gè)斷面設(shè)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中的模型布置見(jiàn)圖1，現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖2。

圖1 模型布置圖

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 試驗(yàn)條件

設(shè)計(jì)提供的試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。表中模型水尺水位根據(jù)原型下游水尺水位按水面比降7.6‰（低水位）～7.0‰（中高水位）換算所得。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2.3 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)測(cè)試的溢洪道敞泄泄流能力成果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著庫(kù)水位從1364.29 m 上升到1368.12 m，溢洪道泄流量由131.7 m3/s 增加至727.4 m3/s，相應(yīng)的流量系數(shù)由0.357 增大至0.452。在設(shè)計(jì)洪水位1366.54 m、校核洪水位1368.11 m 條件下，溢洪道泄流量試驗(yàn)值分別為452.7 m3/s 和726.5 m3/s，較設(shè)計(jì)值（464 m3/s 和725 m3/s）分別大約-2.44%和0.20%[3]。當(dāng)溢洪道下泄設(shè)計(jì)（464 m3/s）、校核洪水（725 m3/s）時(shí)，庫(kù)水位分別為1366.61 m 和1368.10 m。溢流表孔泄流能力滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求。

溢流表孔閘孔流量系數(shù)采用下式計(jì)算：

式中：m 為計(jì)入側(cè)收縮在內(nèi)的流量系數(shù)；Q 為溢流表孔泄流量，m3/s；n 為閘孔孔數(shù)；為單孔孔寬，8.0 m；H 為上游水位與放空底孔出口頂高程的差值，m；g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?.81 m/s2。

表2 泄洪表孔泄流能力

3 挑坎角度優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 挑坎角度優(yōu)化方案一（0°挑角）試驗(yàn)成果

本方案具體修改措施（見(jiàn)圖3，虛線為設(shè)計(jì)方案）為：保持反弧半徑（20 m）和坎頂高程（1320.87 m）不變，反弧段直接銜接斜坡段與長(zhǎng)度10.14 m的水平段，相應(yīng)的上游切點(diǎn)樁號(hào)上移1.69 m。

圖3 挑坎角度優(yōu)化方案一體型示意圖

流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)成果（圖4，表3）表明：在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，本方案射流水舌入水角度較小且位置較為集中，隨下泄流量的增大而略有下移；消能漩滾區(qū)范圍下延至坎后55.0 m～75.0 m，頂沖對(duì)岸程度明顯減弱[4]。

表3 水舌特征參數(shù)對(duì)比

圖4 下游河床沖刷

下游河床局部沖刷試驗(yàn)表明（圖5，表4）：校核洪水工況下，相比于設(shè)計(jì)方案，沖坑中部及左岸坡腳沖刷有所加重，且位置向上游移動(dòng)，左岸坡腳沖刷最深點(diǎn)僅位于落腳河向斜下游約7 m，而右岸坡腳沖刷情況則改善明顯；下游河床沖坑沖深7.9 m，左、右兩側(cè)岸坡腳沖深分別為8.1 m 和3.9 m[5]。消能防沖洪水工況下，相比于設(shè)計(jì)方案，左岸坡腳沖刷加重而右岸坡腳沖刷減輕，左岸坡腳沖刷最深點(diǎn)位于落腳河向斜處；下游河床沖坑沖深3.3 m，左、右兩側(cè)岸坡腳沖深分別為2.5 m 和1.5 m。5 年一遇洪水工況下，下游河床沖刷情況與設(shè)計(jì)方案基本相當(dāng)，中部沖坑沖深減小約1 m。

表4 下游河床沖刷特征值表（挑坎角度優(yōu)化方案一）

由此可見(jiàn)，隨著下泄水流消能區(qū)范圍上移，水流頂沖對(duì)岸程度有所減弱，右岸岸坡坡腳沖刷情況明顯改善（沖深減小2.7 m～6.8 m）；而由于水舌入水位置距離左岸岸坡較近，使得左岸岸坡坡腳的沖刷加重（沖深加大2.5 m～3.5 m）[6]。

圖5 下流河床沖刷情況

3.2 挑坎角度優(yōu)化方案二（10°挑角）試驗(yàn)成果

根據(jù)以上試驗(yàn)成果可知，挑坎由25°調(diào)整為0°，雖然可以解決對(duì)岸沖刷嚴(yán)重的問(wèn)題，但卻加重了左岸坡腳的沖刷，并且距離落腳河向斜區(qū)域較近。因此，本方案將保持反弧半徑（20 m）和坎頂高程（1320.87 m）不變，增大挑坎挑角為10°（挑坎角度優(yōu)化方案二，見(jiàn)圖6），期望通過(guò)增大水舌挑距，使得沖坑盡量遠(yuǎn)離落腳河向斜區(qū)域，同時(shí)避免兩側(cè)岸坡坡腳過(guò)大的沖刷[7]。

圖6 挑坎角度優(yōu)化方案二體型示意圖

流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)成果（表5）表明：在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，本方案中水舌挑距和消能漩滾區(qū)范圍均介于設(shè)計(jì)方案和挑坎角度優(yōu)化方案一之間，挑流水舌入水位置隨下泄流量的增大而下移；消能漩滾區(qū)范圍下延至坎后65.0 m～92.0 m，其中上游視圖見(jiàn)圖7。

表5 水舌特征參數(shù)對(duì)比

下游河床局部沖刷試驗(yàn)表明：校核洪水工況下，沖坑中部及兩側(cè)岸坡腳沖刷深度較為接近，約為5.4 m～5.8 m，且最深點(diǎn)位置位于落腳河向斜下游14 m（左岸）～39 m（右岸）。消能防沖洪水工況下，雖然左側(cè)岸坡沖刷最深點(diǎn)僅位于落腳河向斜下游約5.5 m，但由于左右兩側(cè)岸坡腳沖深均未超過(guò)1.5 m以及本試驗(yàn)選用的沖刷料粒徑相對(duì)較小，應(yīng)不致引起落腳河向斜區(qū)域較嚴(yán)重的沖刷。5 年一遇洪水工況下，下游河床基巖基本未見(jiàn)沖刷。

圖7 上游視圖

相較于設(shè)計(jì)方案和挑坎角度（0°）方案，本方案（挑角10°）中挑坎型式較為合理，既將水舌挑離下游地質(zhì)薄弱區(qū)域，又可兼顧兩岸坡腳的沖刷，故推薦設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

響水水庫(kù)工程推薦方案中泄洪消能建筑物布置形式基本可行，各運(yùn)行工況下閘孔墩后水翅和對(duì)岸岸坡坡腳沖刷情況較設(shè)計(jì)方案有明顯改善；但考慮到兩岸坡腳仍有一定沖刷形成，且消能防沖工況下岸邊最大流速接近6 m/s 左右，故建議對(duì)左岸坎后65 m～105 m 和右岸坎后52 m（落腳河向斜位置）～100 m 范圍的岸坡加強(qiáng)防護(hù)。另外，在放空底孔運(yùn)行時(shí)，水舌右側(cè)邊緣出現(xiàn)直接沖擊壩下護(hù)坦右側(cè)岸坡現(xiàn)象，不利于岸坡穩(wěn)定。因此，建議壩下護(hù)坦右側(cè)岸坡后退3 m。