碧湖水庫(kù)溢流壩水工模型試驗(yàn)優(yōu)化研究

陳 斌，鄔年華，邵仁建

(江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

挑流消能是應(yīng)用較為廣闊的消能方式之一，但由于許多水利工程位于山區(qū)峽谷地帶，且下游河道出現(xiàn)較大彎道，挑射水流往往易沖擊下游對(duì)岸，對(duì)岸坡造成嚴(yán)重的沖刷，滿足不了水庫(kù)的泄洪要求。為使溢洪道出口挑射水流不直接沖擊下游岸坡，并增加消能效果，采用導(dǎo)流貼角或者邊墻偏轉(zhuǎn)導(dǎo)流可迫使水流沿邊墻側(cè)壅高并向下游傳遞，在空中相交匯而引起對(duì)沖水流，這對(duì)下游消能無(wú)疑是有利的，例如，沈祖澤[1]等通過(guò)對(duì)溢洪道兩側(cè)邊墻向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)一定的角度，解決了挑射水流對(duì)沖兩岸山體的現(xiàn)象，并增加了消能效果，紀(jì)志強(qiáng)[2]等通過(guò)在左中孔鼻坎右側(cè)和右中孔出口鼻坎左側(cè)各加三角形貼角體，有效地對(duì)挑射水舌進(jìn)行導(dǎo)向，且水舌縱向拉伸明顯，使得下游沖刷深度較原方案減淺43%，顯著提高了下游消能效果，張為[3]等采用在閘墩尾部增加導(dǎo)流貼角措施有效調(diào)整了水舌落點(diǎn)，避免了水舌對(duì)右岸危巖體的沖刷，并且在一定程度上提高了消能效率。同時(shí)受閘墩影響，水流易在泄槽內(nèi)產(chǎn)生水翅現(xiàn)象，它的存在，尤其是在高壩大流量高流速的情況下，將給溢洪道的邊墻與泄槽底板帶來(lái)嚴(yán)重的危害，嚴(yán)重影響溢洪道的安全運(yùn)行[4]。水翅作為一種特殊的水力現(xiàn)象，機(jī)理較復(fù)雜，目前主要采用在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步改進(jìn)的方法來(lái)解決這一問(wèn)題[5]，例如，楊剛[6]等通過(guò)采取變寬度斜尾墩方案有效的消減了水翅現(xiàn)象，李楨[7]等就溢洪道泄槽內(nèi)出現(xiàn)的水翅現(xiàn)象采取了在閘墩后設(shè)置尾墩措施，基本消除了水翅現(xiàn)象，泄槽內(nèi)水流流態(tài)得到顯著改善。

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)碧湖水庫(kù)溢流壩出坎水舌對(duì)沖山體及水翅現(xiàn)象提出可行的優(yōu)化方案或改進(jìn)措施，為同類型的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

碧湖水庫(kù)位于萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)會(huì)雙村境內(nèi)，洞庭湖水系湘江一級(jí)支流淥水支流麻山水中游河段，控制流域面積164 km2，多年平均徑流量1.565 億m3，是一座以城鎮(zhèn)供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用效益的中型水庫(kù)。

水庫(kù)正常蓄水位184.00 m，死水位160.00 m，設(shè)計(jì)洪水位184.27 m(P=2%)，校核洪水位186.60 m(P=0.2%)；水庫(kù)總庫(kù)容2 178 萬(wàn)m3。

攔河大壩為混凝土重力壩，分為左岸非溢流壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段(長(zhǎng)65.0 m)，溢流壩段布置在河床的中間部位，垂直水流長(zhǎng)34.0 m，順?biāo)鏖L(zhǎng)54.5 m，共設(shè)3孔，每孔凈寬9 m，堰頂高程178.00 m，堰面采用WES曲線，采用三扇弧形門控制。堰面下游面與坡比為1∶0.75斜坡相接，后接反弧段。反弧段半徑為R=18.0 m，挑流鼻坎高程144.38 m，最大出射角18°。閘墩頂高程187.50 m，中墩厚2 m，邊墩厚1.5 m。挑坎下游接護(hù)坦，寬34 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)30 m，護(hù)坦高程為132.5 m。工程平面布置及溢流壩段平面圖如圖1和圖2所示。

圖1 工程平面布置圖(單位：m)Fig.1 Floor plan of the project

圖2 溢流壩段平面圖(單位：m)Fig.2 Plan view of overflow dam

2 水工模型設(shè)計(jì)

2.1 水流運(yùn)動(dòng)相似

考慮試驗(yàn)場(chǎng)地大小及供水條件，溢流壩水工模型按照重力相似準(zhǔn)則，并按幾何相似進(jìn)行模型設(shè)計(jì)[8-10]，選用長(zhǎng)度比尺為1∶50，為正態(tài)定床模型，下游水舌落點(diǎn)附近做成局部動(dòng)床，相應(yīng)的其他物理量比尺見表1。

2.2 模型砂選取

模型試驗(yàn)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(chǎng)實(shí)測(cè)河床粒徑資料，按照原型巖石河床抗沖流速與模型沖料起動(dòng)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(jì)算公式為:

表1 模型主要比尺關(guān)系Tab.1 The main scale relationship of the model

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)本工程壩址區(qū)現(xiàn)場(chǎng)河床地質(zhì)條件可知，河床坑沖流速為3.5 m/s，得出模型砂的粒徑范圍為(0.5～0.98)cm，模型砂的級(jí)配曲線如圖3所示，中值粒徑D50=0.75 mm。

圖3 模型砂級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curve of model sand

2.3 試驗(yàn)工況

為比較不同方案下的水流流態(tài)、下游沖刷形態(tài)，開展了以下典型工況的試驗(yàn)，典型工況及相應(yīng)特征水位、流量如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Experimental cases

3 模型試驗(yàn)及優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

3.1.1 閘室及溢流堰面水流流態(tài)

閘室內(nèi)未見不良水力現(xiàn)象，受中墩影響，閘室出口水流相交重疊，在溢流堰上產(chǎn)生水翅，在流量達(dá)到校核洪水時(shí)，水翅高度達(dá)到最大，約為6.5 m，如圖4所示。

圖4 溢流堰流態(tài)(校核工況)Fig.4 Flow pattern of overflow weir(Check flood cases)

3.1.2 挑坎及下游河道水流流態(tài)

在小流量下，水舌均落入河道中間，左右岸均未發(fā)生水流沖擊岸坡現(xiàn)象，隨著流量的增大，水舌挑距逐漸增大，水舌主流入水點(diǎn)逐漸向右岸偏移，最終直接沖擊右岸山體，在流量達(dá)到校核洪水時(shí)，沖擊右岸山體現(xiàn)象最明顯，不利于右岸山體穩(wěn)定，同時(shí)在落水點(diǎn)左岸山腳一定范圍內(nèi)存在逆時(shí)針回流現(xiàn)象，流態(tài)如圖5所示。

圖5 挑坎挑流流態(tài)(校核工況)Fig.5 Stream flow(Check flood cases)

3.1.3 下游河道沖刷情況

下游河道沖坑尺寸見表3，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，各工況下的最大沖坑都發(fā)生在右岸山腳部位，沖坑深度隨著流量的增加而變大，在校核流量下沖坑深度達(dá)到最大，為10.77 m。

表3 下游河道沖刷情況Tab.3 Erosion of downstream channels

3.2 方案優(yōu)化及試驗(yàn)

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案初步試驗(yàn)結(jié)果，原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題主要有：①水流從閘室出來(lái)后，兩孔的水流在閘墩后出現(xiàn)較高的水翅，不利于堰面流態(tài)穩(wěn)定及溢流壩結(jié)構(gòu)的安全，宜在閘墩后設(shè)置尾墩來(lái)消除水翅；②原設(shè)計(jì)方案隨著下泄流量的增大，水舌主流入水點(diǎn)逐漸向右岸山體偏移，會(huì)對(duì)右岸山體造成較大沖刷，需要對(duì)挑坎作進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2.1 尾墩體型優(yōu)化

為了使水流能平順的下泄，需要在閘墩末端增設(shè)一個(gè)消除水翅的尾墩。根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)的堰上最大水深及閘墩結(jié)構(gòu)尺寸，確定尾墩優(yōu)化尺寸如圖6所示。

圖6 尾墩體型Fig.6 The size of tail pier

設(shè)置尾墩后，各流量工況下的水翅現(xiàn)象均基本消失，出閘水流能平順下泄，圖7為校核工況尾墩處流態(tài)。

圖7 尾墩處的水流流態(tài)(校核工況)Fig.7 Flow pattern of tail pier(Check flood cases)

3.2.2 挑坎體型優(yōu)化

原方案水流出挑坎后會(huì)直沖右岸山體，不利于山體穩(wěn)定，因此需要調(diào)整出坎水舌方向，使出坎水流盡量挑入河道中，并保證下游沖刷形態(tài)不影響建筑物安全。經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通，并結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)溢流壩右側(cè)局部邊墻進(jìn)行偏轉(zhuǎn)優(yōu)化。

優(yōu)化方案Ⅰ：右邊墻逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)5°，偏轉(zhuǎn)起始為反弧段(樁號(hào)0+30.89)，其余不變，平面布置圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案Ⅰ平面布置圖Fig.8 Schematic diagram of optimization scheme Ⅰ

優(yōu)化方案Ⅰ中，出坎水流方向向河道偏移，在下泄校核洪水時(shí)，水流不再對(duì)沖右岸山體，左岸山腳存在逆時(shí)針回流現(xiàn)象。

優(yōu)化方案Ⅱ：右邊墻逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)10°，偏轉(zhuǎn)起始為反弧段(樁號(hào)0+30.89)，其余不變，平面布置圖如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案Ⅱ平面布置圖Fig.9 Schematic diagram of optimization schemeⅡ

優(yōu)化方案Ⅱ中，出坎水流進(jìn)一步向河道偏移，并且挑流出現(xiàn)了疊加的水翅現(xiàn)象，水舌寬度較方案Ⅰ進(jìn)一步縮窄，水流不會(huì)沖刷右岸山體，左岸山腳存在逆時(shí)針回流現(xiàn)象。

優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ在校核工況下的水流流態(tài)如圖10所示。

圖10 優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ的水流流態(tài)Fig.10 Flow pattern of optimization scheme Ⅰ and Ⅱ

3.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 水流流態(tài)

設(shè)置尾墩后，水流經(jīng)過(guò)尾墩的導(dǎo)流作用，能與陡槽直線段平順銜接，原設(shè)計(jì)當(dāng)中較高的水翅基本消除，僅在尾墩末端產(chǎn)生微小的尾翅，說(shuō)明尾墩體型基本合理；優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ均能調(diào)整出坎水流方向，優(yōu)化后出坎水流均不再對(duì)沖對(duì)岸山體，有利于山體穩(wěn)定；受下游河道過(guò)窄及地形所致，在出坎水流入水點(diǎn)左岸山腳附近依然會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，在校核工況下，回流流速將超過(guò)5 m/s，易對(duì)左岸山體造成一定的沖刷，需要左岸山體采取防護(hù)措施。

3.3.2 下游河道沖刷情況

兩種優(yōu)化方案下的下游河道沖刷情況如表4所示，對(duì)比方案Ⅰ和方案Ⅱ沖坑尺寸可知，方案Ⅱ各流量工況下的沖坑均比方案Ⅰ的沖坑深，在設(shè)計(jì)洪水、消能洪水和316 m3/s流量下沖坑深度分別比方案Ⅰ增加1.4、0.59和0.72 m；方案Ⅱ挑距較方案Ⅰ有所減小，但幅度不大；方案Ⅱ最深沖坑位置(到挑坎末端)較方案Ⅰ有較大減小，不利于建筑物安全。

表4 下游河道沖刷Tab.4 Erosion of downstream channels

3.3.3 沖坑上游坡比

沖刷坑是否會(huì)危及建筑物的基礎(chǔ)，這與沖刷坑深度及河床基巖節(jié)理裂隙、層面發(fā)育情況有關(guān)，應(yīng)全面研究決定。一般認(rèn)為，當(dāng)沖坑上游側(cè)與挑坎末端的距離大于2.5～5倍的沖坑深度時(shí)，將不影響建筑物的安全[11,12]。定義上游坡比i=Δh/L，其中Δh為挑流鼻坎末端齒墻底部高程與沖坑最深點(diǎn)高程之差， 為沖坑最深點(diǎn)到護(hù)坦末端斷面水平距離，則i<1/2.5 時(shí)，可認(rèn)為沖坑不會(huì)危及建筑物基礎(chǔ)。優(yōu)化方案Ⅰ與優(yōu)化方案Ⅱ上游沖坑坡比計(jì)算結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，方案Ⅰ和方案Ⅱ的各流量工況的沖坑上游坡比均小于 ，滿足安全要求，其中方案Ⅰ較方案Ⅱ上游坡度緩。綜上，選擇方案Ⅰ為最終方案。

表5 上游坡比Tab.5 Upstream slope ratio

4 結(jié) 語(yǔ)

碧湖水庫(kù)攔河壩為混凝土重力壩，通過(guò)壩身溢流段泄洪，受壩體結(jié)構(gòu)及地形影響，水流下泄后會(huì)產(chǎn)生明顯水翅現(xiàn)象及出坎水流對(duì)沖右岸山體現(xiàn)象。通過(guò)在閘墩后設(shè)置合理尾墩和偏轉(zhuǎn)溢流壩右岸邊墻合理角度的方式，較好解決了上述問(wèn)題，可為類似工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。