山区深覆盖层河道闸坝泄洪消能体型优化研究

贾 栖,马旭东,夏雪平,聂锐华

(四川大学 水利水电学院 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ，成都 610065)

0 前 言

常规拦河闸坝的泄洪消能布置方式通常采用底流消能方案[1]，为提高闸后消能效率，工程上常在消力池内增设辅助消能工，诸如：在消力池入口设置分流墩、在消力池内设齿墩及各种消力墩等。然而，当入池流速过大时，消力池内的齿墩与消力墩可能遭受冲刷破坏或空蚀破坏[2-3]。对于建于山区河流上的闸坝工程，由于河床坡度大、下游水位变幅大、排沙运行频繁等特点，若采用传统的消力池方案，还会面临冲刷护坦后下游河道、对辅助消能工与尾坎造成冲刷破坏等问题。为此，王伟等[4](2014年)提出了采用急流护坦方案，针对高水头、大单宽流量闸坝工程消能，王启艳等[5](2017年)提出采用跌坎底流消力池，以获得稳定的流态与较高的消能率。刘凡成[6](1995年)认为需使泄水建筑物出口单宽流量尽量一致以使下游河床抗冲能力分布均匀。

随着对山区河流的进一步开发，建于深厚覆盖层上的高闸坝工程逐渐增加，其闸坝结构、布置形式、施工方案与覆盖层性质息息相关，如何确保闸坝整体稳定成为亟待解决的主要问题。唐茂颖等[7](2017年)从闸坝本身结构稳定性方面展开地质力学模型试验，揭示了丹巴闸坝基础失稳破坏特征和机理，评价了其整体稳定安全性。并且，如若泄洪消能不充分而对下游河床冲刷严重，便会导致非均匀沉降，对闸坝安全运行带来极大的威胁[8-9]。目前，针对建于山区深覆盖层河道上拦河闸坝尚缺少较统一的泄洪消能布置方式，且鲜有类似研究成果。郭红民等[10](2011年)通过模型试验研究认为直立尾坎形式可适用于具有泄洪流量大且下游河床覆盖层较深、抗冲刷能力差的拦河闸坝泄洪消能，并将研究成果应用于枕头坝水电站，具有较好的消能效果、并可显著减轻下游冲刷程度。

本文以某拟建于覆盖层深厚上的大型闸坝工程为研究对象，以护坦下游河床冲刷深度作为评价消能效果的决定性指标，采用物理模型试验对其泄洪消能布置方式进行体型优化，提出了适用性较广的泄洪消能布置方式。

1 工程概况与设计方案试验成果

某拟建大(2)型水电站为采用混合方式开发的引水式电站，电站装机总容量1 196.6 MW。拟定坝址处河床覆盖层厚度达到50～130 m，主要由块(漂)石、碎(卵)石、砾石及砂土、少量黏土组成。粒径级配为：小于60 mm占75%，60～200 mm占25%。因而抗冲性与稳定性均较差，其抗冲流速为1.0～3.0 m/s。经综合比较，确定挡水建筑物采用拦河闸坝，泄洪消能采用斜坡护坦后衔接柔性消力池的方式，并且对柔性消力池进行局部防护。柔性消力池采用混凝土四面体作防护，其抗冲流速可达到5～8 m/s，四面体之间不做搭接。模型试验中，混凝土四面体采用散粒体碎石模拟，尺寸由原型混凝土四面体尺寸化引，模型粒径范围为1.5～1.8 cm，抗冲流速大于6 m/s控制。

设计体型布置方案如图1所示，拦河闸横向总宽度135 m，采用9孔泄洪闸，孔口尺寸为8 m×8 m，纵向流道长度为120 m。泄洪闸下游采用斜坡护坦与底流衔接的布置方式，护坦长60 m，纵坡1∶6，出口高程为1 952.50 m。为保证出闸水流在护坦内整体平顺，沿护坦设2 m宽分流导墙。护坦后接75 m长柔性消力池，并在其底面采用5 m厚混凝土四面体防护，护底后的高程为1 950.50 m，整体组成“斜坡护坦+底流衔接+柔性消力池+局部防护”的泄洪消能模式。

图1 设计方案图 单位：m

泄洪建筑物设计与校核洪水洪峰流量分别为6 680 m3/s(P=0.2%)与7 670 m3/s(P=0.05%)，对应出护坦单宽流量为49.5 m3/(m·s)与56.8 m3/(m·s)。模型试验在水力学与山区河流开发保护国家重点实验室(四川大学)进行，模型需保证水流与泥沙运动相似，故按重力相似准则设计为正态模型，确定几何比尺λL=50。模型试验重点观测了从P=5%到P=0.1%不同频率洪水下，柔性消力池内不同防护方式下的冲刷形态。

基于设计方案，模型试验首先对柔性消力池无防护与采用混凝土四面体防护2种方案进行研究，不同频率洪水运行工况下，消力池最大冲深断面纵剖面如图2所示。

图2 设计体型冲刷情况图

冲深点高程观测成果如表1所示。

表1 不同工况河床最大冲刷深度对比表

观测成果表明：各工况下，护坦出口部位的水流流速达到8.7～14.0 m/s，弗氏数大小在3.26～4.01之间，且无论是否对柔性消力池实施底部防护，柔性消力池内最大冲刷深度均低于其防护层底高程1 942.50 m，即设计方案出闸水流一定会冲破柔性消力池内防护层，导致防护失效，并可能引发较大的河床冲刷，存在较大的运行风险。

2 泄洪消能建筑物体型优化及试验成果

体型优化的整体思路为：

(1) 减小护坦出口入池单宽流量与入池流速；

(2) 调整水流入池角度，改变护坦内水流下潜趋势；

(3) 将闸后水跃调整至护坦范围内，使水流进入消力池时流态相对稳定。

图3 优化体型1图 单位：m

优化体型1如图3所示，闸孔出口与护坦采用圆弧衔接，圆弧半径为30.0 m，圆弧后仍保持1∶6的底坡，将护坦后部的30 m调整为平坡段，出口高程定为1 957.50 m；将原护坦范围内的分流隔墙调整为导流尾墩，尾墩长30 m，并沿程逐渐扩散，至尾墩尾部宽1 m，尾墩高度由7.5 m减小至1.0 m；

护坦与柔性消力池衔接采用跌坎底流式，跌坎高差7 m，消力池内仍采用四面体防护，消力池防护顶高程为1 950.50 m，防护厚度5.0 m。

优化体型1在不同频率洪水与不同运行方式下的冲刷形态与特征值分别如图4与表2所示，观测成果表明，不同运行工况下水流流态整体呈底流衔接，出闸水流在分流隔墩作用下不会形成对冲水翅，整体流态良好，护坦出口处的水流流速降低至7.9～8.5 m/s，柔性消力池冲深平均值介于1 945.00～1 947.00 m之间，相对于原设计方案，冲刷程度明显得到改善。

虽优化体型1已基本满足要求，但仍存在底流水跃跃首不稳定、跃首位于柔性消力池入口部位、护坦出口处水流容易下潜等问题，因而模型试验过程中对护坦出口高程分别为1 954.00、1 955.00、1 956.00 m进行了对比分析试验。其试验结果表明，当护坦高程取1 955.00 m时，水流下潜相对较少且能够保证出闸水流在护坦上发生水跃，入消力池的水流流态能够稳定平顺。

图4 优化体型1冲刷情况图

洪水频率P/%闸孔开启方式出闸单宽流量/(m2·s-1)出护坦流速/(m·s-1)相对冲深/m0.29孔敞泄40.458.55.629孔局开3m39.578.2555孔局开4.8m39.127.94.7

此外，鉴于水流在护坦出口部位仍容易被下游静水压迫而下潜，模型试验继续对护坦出口体型进行了细部优化，得到优化体型2(如图5所示)，具体为：护坦前45 m保持1∶6底坡，并设30 m长的分流尾墩，随后衔接高程为1 955.00 m、长10.0 m的平段，在护坦出口衔接长度为5.0 m、坡度为1∶10的反坡小挑坎，护坦出口高程为1 955.50 m。

图5 优化体型2图 单位：m

当在护坦末端加设小挑坎后，护坦出口处的水流流速不会进一步减小，但护坦出口水流在经过出口反坡挑坎后，挑射流受下游表层水体挤压后，下潜趋势减弱，基本呈水平射流流态，水跃的跃首位置均位于护坦范围内，因而消力池内冲刷程度会进一步减小，实测最大冲深点高程介于1 946.00～1 949.00 m之间，观测成果如图6与表3所示。

表3 不同工况河床最大冲刷深度对比表

图6 优化体型2冲刷情况图

图7为P=2%频率洪水下设计方案与优化方案2冲刷形态对比，观测表明：优化方案2相对于设计方案冲刷形态有显著改善，柔性消力池内底层防护基本完整，不会发生破坏，泄洪消能布置方式有效。

图7 设计方案与优化方案2冲刷形态对比图(P=0.2%)

3 结 语

本文采用模型试验方法，对某拟建于深厚覆盖层的拦河坝工程的泄洪消能布置方式进行了研究，并最终推荐采用“斜坡护坦+底流衔接+柔性消力池+局部防护”的泄洪消能模式，主要得到以下研究成果：

(1) 出闸水流需在斜坡护坦范围内充分扩散，以减小护坦出口部位的入池单宽流量与水流流速，衔接水跃的跃首位置需尽量控制在护坦的中前部范围。

(2) 斜坡护坦后需衔接水平段或反坡段调整水流流向，出闸水流不能整体呈下潜趋势，否则会引起大幅冲刷。

(3) 柔性消力池需保证一定的规模以实现水流的充分耗散，其底部防护的厚度与方式均需模型试验验证。

参考文献:

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[5] 王启艳,田忠.跌坎底流消力池在某高水头闸坝工程中的应用[J].水电能源科学,2017,35(04):145-148.

[6] 刘凡成,刘泽泉.东西关水电站闸坝消能工布置试验研究[J].水电站设计,1995,1(02):57-64.

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[10] 郭红民,丁磊,任云霞,等.枕头坝水电站泄洪消能试验研究[J].水电能源科学,2011,29(07):71-73.