某工程泄洪洞挑坎体型优化试验

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（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆 404100）

1 工程概况

某工程泄洪洞由引水渠、进水塔段、明流隧洞段、挑流鼻坎段、护坦段和出水渠组成。 从进水塔前缘至挑坎末端全长约721.9m。 进口底板高程1 369.00m，工作闸门孔口尺寸为7.0m×8.0m；闸门井段后接无压隧洞，采用城门洞型断面，桩号洞0+478.000 之前， 无压洞断面净尺寸为7.0m×9.5m（宽×高），桩号洞0+518.000 之后，无压洞断面净尺寸为7.0m×8.0m（宽×高），洞底坡在桩号洞0+478.000 之前为2.5%，在桩号洞0+518.000 之后为8%，中间由抛物线衔接，无压洞全长671.9m。 无压洞出口接挑流鼻坎，设计体型长23.0m，反弧半径为30.0m，挑角24.69°，挑坎末端顶高程1 284m。校核工况下泄洪洞全开泄流能力为901m3/s， 泄洪洞结构初始设计方案布置如图1 所示。

图1 泄洪洞布置图

2 设计体型试验

图2 为校核工况下泄洪洞出口水舌流态情况，可以看到由于泄洪洞出口消能条件较好（河道较为顺直），洞轴线与主河槽交角也比较小，泄洪洞水舌落点基本位于河槽以内， 但是水舌相对靠近右岸边坡， 这对下游河岸的边坡稳定有着不利的影响；此外，设计体型为常规等宽挑坎，这是一种比较简单常规的体型， 目前在实际工程当中已经较少采用[1-3]，仅作为设计单位初始设计方案以供参考；但是该体型水舌落点较为集中，这将对下游河床造成相对较大的冲刷破坏， 故挑坎有进一步优化调整的空间。

图2 设计体型挑流水舌流态 （校核工况）

3 体型优化试验

3.1 优化体型一

一般地，对于出口挑坎来说，想要实现下游河床的消能防冲，通常可以采用的方式有窄缝坎[4]、斜切坎[5]、燕尾坎[6-8]等，这是由于上述各种挑坎可以在不同方向上实现对出挑水舌的拉伸扩散，从而减小水流的入水单宽流量，进而降低河床的冲刷。

斜切坎是把泄洪洞垂直于出口轴线改为斜交形式， 形成一侧短一侧长的边墙将水舌导向主河槽并实现水舌纵向和横向的拉伸扩散， 从而使原本常规等宽挑坎的单一挑角变成一系列连续挑角，进而增大水舌入水范围，降低下游河床的冲刷破坏[9]。 斜切坎由于结构简单、布置灵活、水舌分散效果好等优点在水利工程中得到了广泛的应用，原设计体型观察到挑流水舌略偏右岸， 考虑可以采用边墙略微收缩的斜切坎，本次调整方案如下：保持底板圆弧半径不变， 挑坎右侧在桩号洞0+698.897 位置开始起弧并逐渐向洞轴线收缩，半径R=120m，圆心角10.48°，末端相对于右侧直墙横向收缩宽度为2.0m；左边墙同样从桩号洞0+698.897位置开始起弧并逐渐向外侧扩散， 扩散半径R=25m，圆心角25.84°，末端相对于左侧直墙横向扩散宽度为2.5m，具体布置如图3（a）所示，将其作为出口挑坎优化体型一。

优化调整后泄洪洞出口水舌流态见图3（b），可以看到出挑水舌比较分散， 水舌落点整体位于河道，但是由于挑坎右边墙横向收缩稍大，出口挑坎水舌远端落点略微偏左岸； 而由于挑坎左侧边墙横向扩散稍大，坎内出现了脱空现象，这一定程度上会增大挑坎发生空蚀破坏的可能性， 需要进一步对挑坎体型进行优化调整。

图3 优化体型一

3.2 优化体型二

针对优化体型一出现的问题， 将出口挑坎做如下调整： 在桩号洞0+707.817 位置底板起弧，圆弧半径R=20m，圆心角38.14°；左侧边墙从桩号洞0+698.897 位置向外侧扩散， 扩散半径R=40m，圆心角15.60°，左边墙末端桩号洞0+709.657，末端相对于左侧边墙横向扩散宽度1.47m；右侧边墙从桩号洞0+698.897 位置向洞轴线侧收缩， 收缩半径R=120m， 圆心角8.36°， 右边墙末端桩号洞0+720.707， 末端相对于右侧边墙横向收缩宽度1.60m，具体布置见图4（a），将其作为出口挑坎优化体型二。

出口挑坎优化体型二水舌流态见图4 （b），可以看到，水舌整体位于河道中心，且水舌拉伸范围也比较舒展，水舌落点也相对分散，这有利于下游河床的抗冲， 且对降低两侧河岸的水位波动也有积极作用， 这也会一定程度上减少两侧河岸的防护难度以及工程量。

图4 优化体型二

3.3 优化体型三

燕尾挑坎是在常规挑坎的中部开口， 使下泄水流沿程逐渐释放压力并漏入开口中， 形成和窄缝式挑坎类似的纵向水舌， 但不是依靠两侧边墩扩宽压缩流道，两侧边墙不额外受力，所以同等流量下所需边墙高度也远低于窄缝挑坎出口两侧边墙；此外，燕尾型挑坎还具有起挑流量小的特点[10]。

试验中同样论证了在泄洪洞设置燕尾坎的可能性，燕尾坎体型如下：从桩号洞0+708.057 位置底板开口2.0m， 开口位置左侧底板宽度1.85m，右侧底板宽度3.15m；底板反弧半径R=16m，圆心角49.90°，挑坎末端高程1 287.00m；为了保证水舌不冲击到右岸边坡，在桩号洞0+713.207 位置的挑坎右侧边墙起弧， 设置反弧半径R=25m， 圆心角为17.47°的圆弧， 挑坎末端左侧宽度0.5m， 右侧4.85m，具体布置如图5（a）所示。

出口挑坎优化体型三水舌流态见图5 （b），可以看到，水舌落点基本位于河道中心，且水舌纵向拉伸非常均匀；并且由于燕尾坎中心开口的缘故，出挑水舌近端大幅向上游区域移动， 这进一步增大了水舌的入水范围， 从而进一步地减弱对下游河床的冲刷作用；同样地，也可以观察到两侧河岸的水位波动比较小， 这将大幅减小两侧河岸的防护范围。 和斜切挑坎进行对比发现，由于燕尾坎采用的是纵向拉伸的方式对水舌进行分散， 这使得水舌在横向上的入水宽度比斜切坎要窄， 其对于下游河道内的水体在横向上的作用也要轻一些，这使得两岸水位的波动也明显减弱， 从而更有利于两岸边坡的防护，降低工程量。 但是，由于出口挑坎下游护坦与挑坎末端高差较小， 水舌近端直接冲击到护坦之上， 这对于挑坎结构的整体稳定有不利影响， 可以通过将近端开口向下游适量延伸的方式使水舌近端稍微向下游区域移动， 从而避免水舌对挑坎末端护坦的冲击作用。

图5 优化体型三

3.4 优化体型四

考虑到地形地质条件，施工环境等方面因素，对洞身进行进一步的优化调整。 从反弧段起点截断，高程抬高5m，并与前面斜直段洞身相连。 其布置图如图6 所示。 对泄洪洞挑坎调整，泄洪洞挑坎起点桩号为0+692.649，高程1 288.00m。 为了使起挑水流向河道中心偏移，对燕尾坎进行调整，燕尾坎底板反弧半径不变，仅对右边墙弧度进行调整。右边墙从桩号0+706.969 开始起弧， 反弧半径R=30m， 圆心角为14.49°。 燕尾坎末端开口调整为5.05m，具体布置如图7（a）所示。

图6 泄洪洞布置图

出口挑坎水流流态如图7（b）所示，可以看到，通过将挑坎右侧边墙调整为略微向左侧收缩的形式，泄洪洞水舌落点基本位于河道中间，纵向拉伸较大且均匀；由于泄洪洞挑坎的整体抬高，水舌近端也基本远离了挑坎末端护坦， 这进一步保证了挑坎结构的稳定。 综合来看，优化体型四能够在纵向上大幅拉伸水舌长度， 从而尽可能地利用下游河道内水体对水舌实现剪切消能； 相对于斜切坎来说， 燕尾坎的中间开口可以使水舌近端大幅向上游区域移动，从而可以更进一步地拉伸水舌，减小水流入水单宽流量， 进而降低下游河床的冲刷破坏， 综上将优化体型四作为泄洪洞最终体型的推荐方案。

图7 优化体型四

4 结论

针对某泄洪洞出口挑坎水舌集中的问题，本文分别对斜切坎和燕尾坎进行了优化试验， 并最终得到了满足消能防冲和结构稳定的推荐方案。主要结论如下： 斜切坎和燕尾坎都能够实现水舌的拉伸扩散，从而降低下游河床的冲刷破坏。 相对于斜切坎，燕尾坎由于中间开口的缘故，水舌近端能够大幅上移，从而增大水舌拉伸范围，进一步降低水舌入水单宽流量， 并最终实现消能防冲的目的；此外，燕尾坎由于横向扩散不大，其横向入水范围也比斜切坎偏小， 可以一定程度上减弱下游河道两岸的水位波动， 从而可以降低下游河岸的防护难度，减少工程量。