龍英水庫(kù)溢流壩挑流消能工優(yōu)化試驗(yàn)研究

覃 培，張小飛，黃佳敏，肖天培

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530000）

0 引言

龍英水庫(kù)大壩溢流采用挑流消能，采用連續(xù)式鼻坎，鼻坎頂高程為837 m，反弧半徑R 為10 m，挑射角取30°。由于下游河道寬在25 m 左右，為避免水流沖刷岸坡，初步設(shè)計(jì)將溢流壩導(dǎo)墻兩側(cè)各向內(nèi)收縮25.9°，并在反弧段設(shè)置長(zhǎng)為10 m的調(diào)直段，調(diào)直段與鼻坎連接，鼻坎前沿寬度20 m。根據(jù)龍英水庫(kù)溢流壩導(dǎo)墻收縮角對(duì)泄流水力特性影響的試驗(yàn)成果，當(dāng)導(dǎo)墻收縮角大于20°時(shí)，需要采用工程措施改善挑坎處流態(tài)，改善挑流水舌的形態(tài)和穩(wěn)定性，減小霧化和下游的沖刷，因此，有必要對(duì)龍英水庫(kù)溢流壩挑流消能工進(jìn)行優(yōu)化。

挑流消能是泄水建筑物常用的消能方式，對(duì)挑流消能工的設(shè)計(jì)已很成熟，但由于高速水流與其過(guò)水建筑物相互作用的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外對(duì)挑流消能工的研究一直沒(méi)有停止，對(duì)挑流消能工體型進(jìn)行了大量的研究工作，已經(jīng)由傳統(tǒng)的連續(xù)式挑坎、差動(dòng)式挑坎發(fā)展出了寬尾墩、窄縫、扭曲斜切坎以及燕尾坎等多種表現(xiàn)優(yōu)異的新型挑坎[1]；李元杰等[2]根據(jù)黃家灣水利樞紐工程的特點(diǎn)，研究提出了一種新型非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)向收縮差動(dòng)式挑坎，以適應(yīng)工程地形地質(zhì)條件、樞紐布置和泄水建筑物的運(yùn)行要求，試驗(yàn)表明消能效果較好，并能有效控制射流落入下游河床的位置；陳雪冬[3]提出異型斜切鼻坎挑流消能工，并采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)挑流消能挑射水舌進(jìn)行研究，認(rèn)為影響其挑射水舌形態(tài)的主要因素為右側(cè)圓弧邊墻轉(zhuǎn)彎半徑、高坎處的挑射角度。這些研究是針對(duì)導(dǎo)墻沒(méi)有收縮或收縮角很小的挑流消能工進(jìn)行的，龍英水庫(kù)溢流壩收縮角為25.9°，遠(yuǎn)大于常見(jiàn)范圍，水流具有其特殊性，因此，有必要對(duì)挑流消能工開(kāi)展試驗(yàn)研究，為龍英水庫(kù)溢流壩挑流消能工優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)流量

1.1 模型設(shè)計(jì)

水工模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用正態(tài)整體水工模型，模型幾何比尺采用Lr=80，其它水力要素比尺按《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012）重力相似準(zhǔn)則的要求確定，具體如下：

流量比尺：Qr=Lr5/2=57 243.34

流速比尺：Vr=Lr1/2=8.9 443

時(shí)間比尺：Tr=Lr1/2=8.9 443

糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0 758

測(cè)量主要儀器設(shè)備：流速量測(cè)采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀，脈動(dòng)壓力量測(cè)采用DJ800 多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，時(shí)均動(dòng)水壓力量測(cè)采用連通測(cè)壓管。

1.2 試驗(yàn)流量

為了分析不同挑流消能工布置方案在下泄各級(jí)流量時(shí)水流形態(tài)和消能效果，對(duì)不同挑流消能工布置方案分別測(cè)試了包括校核洪水（Q=837 m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（Q=574 m3/s）和消能防沖設(shè)計(jì)洪水（Q=464 m3/s）在內(nèi)的9個(gè)流量（見(jiàn)表1）。

表1 模型試驗(yàn)流量

2 初步設(shè)計(jì)推薦方案試驗(yàn)

初步設(shè)計(jì)推薦方案消能方式采用挑流消能，將溢流壩導(dǎo)墻兩側(cè)各向內(nèi)收縮25.9°，并在反弧段設(shè)置長(zhǎng)為10 m 的調(diào)直段，調(diào)直段與鼻坎連接，鼻坎前沿寬度20 m，采用連續(xù)式鼻坎，鼻坎頂高程為837 m，反弧半徑為10 m，挑射角取30°。

敞泄校核、設(shè)計(jì)、消能防沖設(shè)計(jì)和10 年一遇洪水時(shí)的流態(tài)分別見(jiàn)圖1～圖4。

試驗(yàn)觀(guān)測(cè)表明：受兩側(cè)導(dǎo)墻向內(nèi)收縮的影響，水流在收縮段的邊墻處產(chǎn)生沖擊波，由于下泄水流流速較大，沖擊波波角很小，沖擊波幾乎沒(méi)有向中間傳播，而是沿導(dǎo)墻積聚成兩股水流向下流動(dòng)，造成導(dǎo)墻附近的水面出現(xiàn)明顯壅高。隨著沖擊形成的水流在導(dǎo)墻內(nèi)壁流動(dòng)并沿程疊加，導(dǎo)墻附近的水面壅高呈沿程不斷增加的趨勢(shì)。在挑坎處，沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的兩股集中水流和沿壩面下泄的水流在挑坎反弧段處交匯，交匯的3股水流相互碰撞，產(chǎn)生向上躍起的水冠，水冠不穩(wěn)定，出現(xiàn)左右擺動(dòng)。下泄較大流量時(shí)，擺動(dòng)的水冠會(huì)拍打和沖刷下游兩側(cè)河岸。由于水冠的存在，挑流水舌不規(guī)則、不穩(wěn)定。

下泄各級(jí)試驗(yàn)流量時(shí)，均能形成挑流，沒(méi)有出現(xiàn)水流沿挑坎末端漫溢現(xiàn)象；挑流水舌落在下游河床中部偏左岸，部分水流沖擊左岸山體，下游河道內(nèi)水流湍急，流速較大，流態(tài)復(fù)雜。根據(jù)挑流水舌的形態(tài)判斷，大流量時(shí)挑流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的霧化。

綜合上述，溢流壩挑坎的坎高、挑角和反弧半徑基本合理，挑坎的布置需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 敞泄校核洪水（Q=873 m3/s）流態(tài)圖

圖2 敞泄設(shè)計(jì)洪水（Q=574 m3/s）流態(tài)圖

圖3 敞泄消能防沖設(shè)計(jì)洪水（Q=464 m3/s）流態(tài)圖

圖4 敞泄P=10%洪水（Q=389 m3/s）流態(tài)圖

3 挑坎分流墩優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 挑坎分流墩布置方案

為改善挑坎處由于兩側(cè)導(dǎo)墻收縮形成的兩股水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的水流不穩(wěn)定，避免或減輕挑流水舌對(duì)兩岸的沖刷，減輕霧化。根據(jù)初步設(shè)計(jì)推薦方案挑坎處水流的流態(tài)，提出了在挑坎段設(shè)置分流墩的試驗(yàn)方案。為優(yōu)化分流墩的布置，做了多種方案的嘗試性試驗(yàn)，在分流墩的體型方面，試驗(yàn)了在豎直方向?yàn)閅形、倒梯形和矩形3種墩型，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，和矩形分流墩相比，Y形、倒梯形分流墩在消除挑坎處水流碰撞產(chǎn)生的水冠方面效果不明顯，而且增加了分流墩在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，因此，分流墩的體型建議采用矩形墩。對(duì)矩形分流墩的布置，試驗(yàn)共測(cè)試了4個(gè)分流墩布置方案。

（1）方案1。采用1個(gè)分流墩，分流墩布置在挑坎段兩側(cè)導(dǎo)墻的中間，分流墩的厚度為1.2 m，長(zhǎng)度、頂高程和導(dǎo)墻的調(diào)直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾和兩側(cè)調(diào)直段導(dǎo)墻末端齊平。

（2）方案2。采用2 個(gè)分流墩，2 個(gè)分流墩等間距布置在兩側(cè)導(dǎo)墻之間，與兩側(cè)調(diào)直段導(dǎo)墻成平行布置，體型和方案1 的相同，長(zhǎng)度、頂高程和導(dǎo)墻的調(diào)直段相同，墩尾和兩側(cè)調(diào)直段導(dǎo)墻末端齊平。

（3）方案3。采用2 個(gè)分流墩，2 個(gè)分流墩等間距（以墩尾距離計(jì)，下同）布置在兩側(cè)導(dǎo)墻之間，每個(gè)分流墩分別與相鄰側(cè)的調(diào)直段導(dǎo)墻成一定夾角，體型和方案1的相同，長(zhǎng)度為13.2 m，頂高程和導(dǎo)墻的調(diào)直段相同，墩尾和兩側(cè)調(diào)直段導(dǎo)墻末端齊平。

（4）方案4。采用2 個(gè)分流墩，2 個(gè)分流墩等間距布置在兩側(cè)導(dǎo)墻之間，每個(gè)分流墩分別與相鄰側(cè)的調(diào)直段導(dǎo)墻成一定夾角（9.7°），分流墩的厚度為1.2 m，長(zhǎng)度為11.2 m，頂高程和導(dǎo)墻的調(diào)直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾距離挑坎末端3 m。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）方案1采用單一分流墩不能實(shí)現(xiàn)將沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的水流與沿壩面下泄的水流的有效分隔，挑坎處流態(tài)與無(wú)分流墩時(shí)的相比，沒(méi)有明顯改善。

（2）方案2采用2個(gè)分流墩，分流墩能較有效地將3 股水流分隔，挑坎處水流流態(tài)與無(wú)分流墩時(shí)相比有明顯改善，但由于分流墩與沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的兩股水流交角較大，水流撞擊分流墩后沿分流墩面出現(xiàn)較大的躍升，挑流水舌不夠穩(wěn)定。下泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)，方案2挑流流態(tài)見(jiàn)圖5。

（3）為減小左右兩股水流撞擊分流墩后沿分流墩面躍升的高度，增加挑流水舌的穩(wěn)定性，方案3將2 個(gè)分流墩分別與相鄰側(cè)的調(diào)直段導(dǎo)墻成一定夾角，經(jīng)試驗(yàn)比較，夾角在9.5°～10°之間時(shí)，分流墩的分流效果和挑流水舌的流態(tài)均較好，試驗(yàn)最終選用了9.7°。下泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)，方案3挑流流態(tài)見(jiàn)圖6。

圖5 方案2敞泄設(shè)計(jì)洪水（Q=574 m3/s）挑流態(tài)圖

圖6 方案3敞泄設(shè)計(jì)洪水（Q=574 m3/s）挑流態(tài)圖

（4）方案3的分流墩在分流和改善挑流水舌的流態(tài)方面有較好的效果，但挑坎末端水舌的流態(tài)不夠平穩(wěn)，為了進(jìn)一步改善挑流流態(tài)，經(jīng)試驗(yàn)比較，方案4在方案3的基礎(chǔ)上，分流墩向上游方向延長(zhǎng)了1 m，而尾部縮短了3 m，最終選定的分流墩的厚度為1.2 m，長(zhǎng)度為11.2 m，頂高程和導(dǎo)墻的調(diào)直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾距離挑坎末端3 m。方案4分流墩的布置見(jiàn)圖7和圖8。

方案4 進(jìn)一步改善了挑坎末端挑流水舌的流態(tài)，減小了水流向中間集中，挑坎末端水流分布更均勻，挑流水舌更穩(wěn)定，有利于下游的消能防沖和降低霧化。下泄設(shè)計(jì)洪水、消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)，方案4挑流流態(tài)分別見(jiàn)圖9和圖10。

圖7 方案4分流墩推薦方案平面示意圖

圖8 方案4A-A剖視圖

圖9 方案4敞泄設(shè)計(jì)洪水挑流態(tài)圖

圖10 方案4敞泄消能防沖設(shè)計(jì)洪水挑流態(tài)圖

從方案4下泄各級(jí)洪水時(shí)挑坎上的水流和挑流水舌的流態(tài)來(lái)看，在下泄消能防沖設(shè)計(jì)及以下洪水時(shí)，挑坎上的水流和挑流水舌的流態(tài)均較好；在下泄設(shè)計(jì)及校核洪水時(shí)，沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的兩股水流撞擊分流墩后沿分流墩面躍升的高度高于分流墩，躍起水流由于脫離了導(dǎo)墻和分流墩的約束而不夠穩(wěn)定。下泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)，躍起水流較小、不連續(xù)；下泄校核洪水時(shí)，躍起水流較大、躍起高、連續(xù)、不夠穩(wěn)定，但躍起水流沒(méi)有直接打在岸坡上，主要是對(duì)霧化產(chǎn)生影響。方案4 下泄各級(jí)洪水時(shí)，挑流水舌入水處均在河道中部略偏左岸，下泄校核、設(shè)計(jì)和消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)測(cè)得的挑流挑距分別為61.2、53.96和47.56 m。經(jīng)動(dòng)床試驗(yàn)，下泄設(shè)計(jì)和消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖坑深度分別為11.41和10.73 m，沖坑后坡（挑距/沖坑深度）分別為5.91和5.54，沖坑不至于直接危及大壩的安全。

4 結(jié)論

（1）對(duì)初步設(shè)計(jì)推薦的挑流消能工進(jìn)行優(yōu)化。在挑坎處設(shè)置矩形分流墩可以改善沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的挑坎處水流不穩(wěn)定，避免或減輕挑流水舌對(duì)兩岸的沖刷，減輕霧化。

（2）采用等間距布置2 個(gè)分流墩，每個(gè)分流墩分別與相鄰側(cè)的調(diào)直段導(dǎo)墻成9.7°夾角，可以較好地解決沿兩側(cè)導(dǎo)墻向下流動(dòng)的水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的挑坎處水流不穩(wěn)定問(wèn)題，在下泄各級(jí)洪水時(shí)挑坎上的水流和挑流水舌的流態(tài)均較好，沒(méi)有出現(xiàn)直接危及大壩安全的水流現(xiàn)象。