狭窄河谷溢洪洞出口挑坎体型优化研究

龚汉忠,李小英,李振华,孙先仍

(1.长江设计集团有限公司,武汉 430010;2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司,重庆 401121)

1 研究背景

在水利水电枢纽工程中,选择合理的泄水建筑物及消能工型式,是关系到整个工程安全性与经济性的重要因素[1]。近年来,随着对泄水建筑物及消能工的研究不断深入,挑流消能逐渐成为常见的消能方式。

挑流消能工虽具有结构简单、投资少的优点[2],但也容易受到地形的限制,对挑流水舌方向、形态和地质条件要求均较高[3],特别是当位于狭窄河道的水利工程的岸边溢洪道或泄洪洞采用挑流消能时,其洞轴线与河道往往存在一定夹角,容易产生水舌脱槽或水流集中的现象[4]。张守磊等[5]研究指出斜切挑坎出切角是影响挑流水舌形态的关键因素;吴鹏[6]提出差动鼻坎挑流距离与冲坑深度计算公式之中考虑空气阻力和浮力的影响更符合工程实际;余挺等[7]基于水流特性与下游冲刷淤积情况提出了一种新型椭圆型挑流鼻坎;何志亚等[8]采用模型试验对沙河水库的挑流鼻坎进行优化;张建民[9]、孙双科等[10]指出当狭窄河谷高坝工程岸边溢洪道和泄洪洞采用挑流消能时,水流如何顺利归槽和下游岸坡防护是必须面对的技术难题。

本文以某拟建水库为研究对象,针对该工程设计方案中普通挑坎存在水舌集中、水舌砸岸和冲刷严重等现象,采用物理模型试验的研究方法,对挑坎体型进行了深入优化,以期通过改善挑流水舌落点范围、冲刷位置和坡脚冲刷深度,从而达到保护下游岸坡和减小对下游河床冲刷的目的,为实际工程的设计优化提供一定参考。

2 工程概况

某拟建水库是一座以城镇供水、农业灌溉为主,兼顾发电的中型水利工程。溢洪道布置于大坝左岸,由进水渠、控制段、明泄槽收缩段、洞身段及出口消能段组成。初设方案下溢洪道全长593.34 m,进水渠呈喇叭形,长78.78 m,底部高程814.00 m;控制段长度33.00 m,堰顶高程819.00 m,堰面采用WES实用堰;洞身段长度418.86 m,采用城门洞型,断面尺寸8.50 m×13.50 m～8.50 m×10.00 m(宽×高),底坡为1∶11。出口采用挑流消能,挑流鼻坎顶高程772.39 m,反弧段半径40.00 m,挑角25°,挑坎水平长度20.53 m。溢洪道设计方案如图1所示。本工程消能防冲洪水、设计洪水和校核洪水的对应洪水频率分别为P=3.3%、2.0%和0.1%,对应下泄洪水流量分别为788.0 m3/s、873.0 m3/s、1250.0 m3/s,对应单宽流量分别为92.7 m3/(m·s)、102.7 m3/(m·s)、147.1 m3/(m·s)。

3 设计方案验证

3.1 模型制作

试验模型按重力相似准则设计为比尺为λl=λh=30的正态模型,泄洪洞采用有机玻璃制作,其糙率为0.008,按比尺换算至原型约为0.014,与原型混凝土糙率基本相当。下游河道水舌落点区域及下游河道影响区域采用动床分层模拟,表层河道覆盖层按原始河床级配按照起动流速相似和推移质输沙相似采用天然砂模拟,模拟高程至740.0 m。覆盖层以下的基岩层按抗冲流速1.5～2.0 m/s考虑,采用碎石模拟,模型试验中采用的碎石粒径为4～6 mm,模拟高程至720.0 m。

3.2 设计方案工程水力学问题分析

设计方案泄洪洞进口溢流堰体型满足泄流能力要求,挑坎出流基本顺畅,能形成完整的挑流水舌,但水舌落点相对集中且部分水舌会冲击左岸岸坡,河道(尤其河道右岸坡脚处)冲刷严重,最大冲刷深度为21.3 m,对右岸岸坡稳定影响较大,且所需的防护成本较高。分析认为,出现上述工程问题是由河谷狭窄、河床覆盖层深厚、挑坎体型缺陷及高速水力学等因素综合引起的。不同泄流工况下,挑坎入口部位水流流速达到26.0～27.5 m/s,挑坎右侧扩散段较短(9.0 m)且边墙圆弧半径相对较小(12.0 m),高速水流在挑坎范围无法向右侧充分扩散,致使水流集中于挑坎左侧,且水流在空中亦未充分扩散。同时,在狭窄河谷内,水舌入水后的垂直逆向旋滚会淘刷河道两岸山体坡脚,致使坡脚处冲刷严重。基于以上因素,本文拟通过优化挑流鼻坎体型来实现河道冲刷幅度的改善。

4 挑坎体型优化及成果分析

4.1 优化方案简介

体型优化以减小河道(尤其河道右岸坡脚)部位的局部冲刷为目标,重点从分散挑流水舌落点、减小单位面积水流功率、水舌落点控制于河道中部等方面考虑,对挑坎体型和边墙体型进行优化。基于本工程狭窄河谷、深厚覆盖层、基岩抗冲流速小的特点,提出了“斜切挑坎”“斜切挑坎+圆弧形左边墙”“双差动燕尾坎+圆弧形左边墙”和“差动燕尾挑坎+圆弧形边墙”等四种方案。

优化方案一(TK1)出口设计为斜切挑坎,考虑通过增大挑坎圆弧半径和右侧边墙扩散半径和增加挑坎长度等措施,优化后的挑坎圆弧半径为45.0 m,出口高程776.13 m,右侧边墙半径为30.0 m,挑坎水平长度增加27.53 m,具体参数如图3(a)。为了避免左侧水舌冲击河道左岸,优化方案二(TK2)在优化方案一的基础上,将左侧边墙亦采用圆弧衔接,圆弧半径为190.0 m(约22倍洞宽、40～50倍水深),相当于挑坎左侧出口向河道内收缩2.0 m,具体参数如图3(b)。为了进一步分散水舌落点和增加落点范围,让部分水流在挑坎内提前坠落,优化方案三(TK3)在优化方案二的基础上在圆弧挑坎内增加了两个燕尾缺口,缺口首部宽度为1.0 m,具体参数如图3(c)。优化方案四(TK4)在优化方案三的基础上,为了使提前坠落的水体流量增大,将挑坎半径调整为50.0 m,左侧边墙圆弧半径为220.0 m,燕尾坎首部缺口宽度增大2.5 m,出口处斜宽为10.3 m,缺口处出口高程为770.51 m,具体参数如图3(d)。

4.2 水舌参数对比研究

不同优化方案下水舌落点参数如表1所示,水舌流态如图4所示。研究结果表明:方案TK1和TK2下,水舌扩散较均匀,挑流水舌在空中形态比较舒展,挑流水舌落点整体呈“一字型”顺河道向跌流进入河道,水舌宽度整体呈前窄后宽的状态,鉴于高速水流难以充分扩散,大量水体仍沿挑坎左侧流动,位于远端的主落点区分担了50%左右的流量。方案TK2下挑流水舌落点均位于河道范围内,水舌落点砸蚀左岸岸坡现象消失。由于高速水流对过流边界适应性较差,在水流惯性作用和左侧圆弧边墙共同作用下,挑坎左侧水体产生翻卷和叠加现象,左侧水舌较厚且落点相对集中。

表1 各工况下挑流水舌参数对比

(a)TK1

方案TK3中燕尾缺口相对较小,仅有少量水体经由燕尾缺口下泄,未实质性改善挑坎左侧出流集中的现象,对水舌落点范围改善较小。经缺口下泄部分水流与经左侧挑坎下泄的部分水流仍然存在重叠区,此外主流落水点范围右侧岸坡坡脚仍然被淘刷。方案TK4下,随着燕尾缺口宽度增大和起挑点后移,挑坎右侧扩散充分,水舌纵向拉升显著,水舌落点呈“T字型”,燕尾缺口能分担部分流量,挑坎各部位流量分配基本合理,说明燕尾缺口有效增大了水舌落点范围。不同流量下的水舌厚度介于2.5～3.4 m,左岸水舌落点在68～115 m,右岸平均落点为100～140 m。

4.3 河床冲刷

不同优化方案下冲刷形态如图5和图6所示,水舌落点范围内的河床覆盖层均会冲刷流失,最大冲刷深度点位于主落点区内,但随水舌落点位置不同,冲刷范围和冲刷深度均存在差异,本文重点对比了消能防冲洪水(788.0 m3/s,P=3.3%)的河床冲刷。方案TK1下河道右岸最大冲刷深度点位于挑坎出口下游50～80 m坡脚部位,最大冲刷深度点高程约为732.80 m,相对冲刷深度约18.20 m;河道左岸最大冲刷深度点位于挑坎出口下游80～130 m的坡脚部位,最大冲刷深度点高程约为733.60 m,相对冲刷深度约17.40 m。方案TK2时较方案TK1的冲刷范围相对减少,但冲刷区域集中于挑坎出口下游60～90 m的右岸坡脚,最大冲刷深度点高程约为731.50 m,相对冲刷深度约19.50 m。方案TK3下右岸最大冲刷深度点位于挑坎出口下游110～130 m的坡脚部位,最大冲刷深度区均集中于河道右岸坡脚,高程约为731.04 m,平均冲刷深度约19.9 m。方案TK4下主流区水舌落点呈“T字型”,最大冲刷深度点跟随主落点向河道中部移动,不会存在水体砸落岸坡的现象,河道右岸最大冲刷高程约为732.88 m,位于挑坎出口下游80～100 m。

(a)TK1

(a)最大冲刷断面横剖面

在方案TK4下特征工况时的冲刷成果如表2所示,随下泄流量增大河道冲坑深度增大,冲刷侵蚀面积扩大,最大冲刷深度点位置相应移动。消能防冲洪水、设计洪水和校核洪水下,冲刷坑位置分别位于挑坎出口下游80～100 m、80～120 m和75～105 m,相应的最大冲刷深度点高程分别为732.88 m、728.80 m和726.41 m,相对冲刷深度分别为18.12 m、22.20 m和24.59 m。消能防冲洪水和设计洪水下,冲坑上游侧最陡坡度分别为1∶3.85和1∶3.45,距挑坎末端分别约35 m和60 m。整体而言,冲刷坑和最大冲刷深度二者与泄洪洞出口距离均相对较远,能够确保泄洪建筑物的安全。

表2 下游河道冲淤参数对比

4.4 消能率

分别选取试验模型溢洪道出口和尾水渠坎顶所在的垂向过水断面作为上、下游计算断面,建立上、下游断面的能量方程,有:

(1)

(2)

(3)

式中,η为消能率,%;Z0为上下游断面相对高程,m;H0、H1为上、下游计算断面水深,m;a0、a1分别为上、下游动能修正系数;v0、v1分别为上、下游断面水流流速,取表中底平均流速,m/s;g为重力加速度,m2/s。

不同优化方案下的消能率计算结果如表3所示。由表3可知,同工况下,TK1的消能率最低,介于65.18%～71.31%,TK2、TK3、TK4的消能率分别为66.13%～73.31%、65.41%～72.82%和68.26%～74.42%,方案TK4综合消能率较其他方案略有增大,但整体增幅不明显。以上成果表明:一方面采用燕尾坎能够分散水舌落点,通过增大水舌落点范围以减小单位面积水流功率,进而增加消能率;另一方面,由于基岩抗冲流速低,采用燕尾坎在增加水舌落点范围的同时也会相对增大河道的冲刷范围,进而增加了消能水体,故可相对增加消能率。

表3 消能率计算

5 结论

针对某拟建水库工程溢洪洞出口河道河谷狭窄、地质条件差、单宽流量大等工程问题,采用水工模型试验的方法对溢洪洞出口挑坎体型进行深入优化。研究表明,当溢洪洞出口位于狭窄河谷且地质条件差(覆盖层深厚、基岩抗冲流速低)的河道时,如果选择采用挑流消能方式,挑坎设计需尽量分散水舌落点范围,斜切燕尾挑坎能够使挑流水舌呈“T字型”分布,实现了一定幅度增大水舌落点范围、减小水舌入水单宽功率和局部冲刷等目的,继而增大了河道消能区的整体消能率,使消能率达到65%以上。

总体分析认为,斜切燕尾型挑坎能够较好控制高速水流在挑坎内的流量分配和一定程度上改善工程消能防冲效果,但无法实质性地改善局部河道冲刷。对于具有高流速的中高水头水利水电工程,如果泄洪建筑物出口区存在河谷狭窄、覆盖层深厚、岸坡地质条件差、单宽流量大等不利因素,工程设计中建议谨慎选择采用挑流消能措施,且必须根据冲刷试验成果做好岸坡防护。