探析响水水库工程的挑坎角度优化试验

贾 刚

（贵州春晓博浩工程技术咨询工程有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

响水河属长江流域乌江水系，为白甫河左岸一级支流，其干流全长50.7 km，全流域面积485 km2，河道平均比降为5.63%。响水水库位于响水河中游河段，拟选坝址位于竹园乡歹鸡村河段，是向大方县煤化工产业基地提供工业用水及向响水乡、竹园乡提供农田灌溉用水及所覆盖灌区内人畜饮水的中型水库工程。

该工程可研阶段初定坝型为碾压混凝土重力坝，其总体布置为：碾压混凝土重力坝+坝顶溢流表孔+坝身放空底孔+库内右岸提水泵站+供水管线。其中，混凝土坝均按50 年一遇洪水设计，500 年一遇洪水校核，消能防冲设施按30 年一遇洪水设计。坝址处河床断面为对称“V”型，两岸较陡，工程总体布置采用溢洪道布置于河床中段。

因挑流消能具备结构简单，易于检修，投资节省，适应性、灵活性较强的优点，本工程溢洪道消能型式拟采用挑流消能[1]。但由于在溢洪道下游50 m 处存在落脚河向斜区域构造，其向斜轴部岩层较破碎且强度较低，抗冲刷能力有限，可能在一定范围流量下对溢洪道结构和两岸岸坡安全产生不利影响[2]。

2 分析内容及实验条件

2.1 分析内容

试验研究的内容包括以下方面：（1）溢洪道及底孔泄流能力测试；（2）溢洪道、底孔及下游河道水流流态观测；（3）溢洪道及底孔沿程水面线观测；（4）溢洪道控制段、泄槽段及挑坎段压力特性观测；（5）下游河道流速分布观测。下游河道分别于溢洪道出口下游85 m、105 m 和125 m 处共布置了3 个流速断面，每个断面设4 个测点，共计12 个测点，试验过程中的模型布置见图1，现场图见图2。

图1 模型布置图

图2 试验现场图

2.2 试验条件

设计提供的试验条件见表1。表中模型水尺水位根据原型下游水尺水位按水面比降7.6‰（低水位）～7.0‰（中高水位）换算所得。

表1 实验条件

2.3 试验成果

试验测试的溢洪道敞泄泄流能力成果见表2。试验结果表明：随着库水位从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，相应的流量系数由0.357 增大至0.452。在设计洪水位1366.54 m、校核洪水位1368.11 m 条件下，溢洪道泄流量试验值分别为452.7 m3/s 和726.5 m3/s，较设计值（464 m3/s 和725 m3/s）分别大约-2.44%和0.20%[3]。当溢洪道下泄设计（464 m3/s）、校核洪水（725 m3/s）时，库水位分别为1366.61 m 和1368.10 m。溢流表孔泄流能力满足基本设计要求。

溢流表孔闸孔流量系数采用下式计算：

式中：m 为计入侧收缩在内的流量系数；Q 为溢流表孔泄流量，m3/s；n 为闸孔孔数；为单孔孔宽，8.0 m；H 为上游水位与放空底孔出口顶高程的差值，m；g 为当地重力加速度，取9.81 m/s2。

表2 泄洪表孔泄流能力

3 挑坎角度优化试验

3.1 挑坎角度优化方案一（0°挑角）试验成果

本方案具体修改措施（见图3，虚线为设计方案）为：保持反弧半径（20 m）和坎顶高程（1320.87 m）不变，反弧段直接衔接斜坡段与长度10.14 m的水平段，相应的上游切点桩号上移1.69 m。

图3 挑坎角度优化方案一体型示意图

流态观测试验成果（图4，表3）表明：在试验工况范围内，本方案射流水舌入水角度较小且位置较为集中，随下泄流量的增大而略有下移；消能漩滚区范围下延至坎后55.0 m～75.0 m，顶冲对岸程度明显减弱[4]。

表3 水舌特征参数对比

图4 下游河床冲刷

下游河床局部冲刷试验表明（图5，表4）：校核洪水工况下，相比于设计方案，冲坑中部及左岸坡脚冲刷有所加重，且位置向上游移动，左岸坡脚冲刷最深点仅位于落脚河向斜下游约7 m，而右岸坡脚冲刷情况则改善明显；下游河床冲坑冲深7.9 m，左、右两侧岸坡脚冲深分别为8.1 m 和3.9 m[5]。消能防冲洪水工况下，相比于设计方案，左岸坡脚冲刷加重而右岸坡脚冲刷减轻，左岸坡脚冲刷最深点位于落脚河向斜处；下游河床冲坑冲深3.3 m，左、右两侧岸坡脚冲深分别为2.5 m 和1.5 m。5 年一遇洪水工况下，下游河床冲刷情况与设计方案基本相当，中部冲坑冲深减小约1 m。

表4 下游河床冲刷特征值表（挑坎角度优化方案一）

由此可见，随着下泄水流消能区范围上移，水流顶冲对岸程度有所减弱，右岸岸坡坡脚冲刷情况明显改善（冲深减小2.7 m～6.8 m）；而由于水舌入水位置距离左岸岸坡较近，使得左岸岸坡坡脚的冲刷加重（冲深加大2.5 m～3.5 m）[6]。

图5 下流河床冲刷情况

3.2 挑坎角度优化方案二（10°挑角）试验成果

根据以上试验成果可知，挑坎由25°调整为0°，虽然可以解决对岸冲刷严重的问题，但却加重了左岸坡脚的冲刷，并且距离落脚河向斜区域较近。因此，本方案将保持反弧半径（20 m）和坎顶高程（1320.87 m）不变，增大挑坎挑角为10°（挑坎角度优化方案二，见图6），期望通过增大水舌挑距，使得冲坑尽量远离落脚河向斜区域，同时避免两侧岸坡坡脚过大的冲刷[7]。

图6 挑坎角度优化方案二体型示意图

流态观测试验成果（表5）表明：在试验工况范围内，本方案中水舌挑距和消能漩滚区范围均介于设计方案和挑坎角度优化方案一之间，挑流水舌入水位置随下泄流量的增大而下移；消能漩滚区范围下延至坎后65.0 m～92.0 m，其中上游视图见图7。

表5 水舌特征参数对比

下游河床局部冲刷试验表明：校核洪水工况下，冲坑中部及两侧岸坡脚冲刷深度较为接近，约为5.4 m～5.8 m，且最深点位置位于落脚河向斜下游14 m（左岸）～39 m（右岸）。消能防冲洪水工况下，虽然左侧岸坡冲刷最深点仅位于落脚河向斜下游约5.5 m，但由于左右两侧岸坡脚冲深均未超过1.5 m以及本试验选用的冲刷料粒径相对较小，应不致引起落脚河向斜区域较严重的冲刷。5 年一遇洪水工况下，下游河床基岩基本未见冲刷。

图7 上游视图

相较于设计方案和挑坎角度（0°）方案，本方案（挑角10°）中挑坎型式较为合理，既将水舌挑离下游地质薄弱区域，又可兼顾两岸坡脚的冲刷，故推荐设计。

4 结语

响水水库工程推荐方案中泄洪消能建筑物布置形式基本可行，各运行工况下闸孔墩后水翅和对岸岸坡坡脚冲刷情况较设计方案有明显改善；但考虑到两岸坡脚仍有一定冲刷形成，且消能防冲工况下岸边最大流速接近6 m/s 左右，故建议对左岸坎后65 m～105 m 和右岸坎后52 m（落脚河向斜位置）～100 m 范围的岸坡加强防护。另外，在放空底孔运行时，水舌右侧边缘出现直接冲击坝下护坦右侧岸坡现象，不利于岸坡稳定。因此，建议坝下护坦右侧岸坡后退3 m。