导流洞复合式出口消能体型的研究与应用

闫秀秀　尹进步　张曜　吴伟　杜振康　阳洲

摘 要：狭窄河谷中高水头、大流量、复杂地质条件的工程前期导流工程面临高速水流泄洪问题，对消能体型要求较高。基于水工物理模型试验对某水利枢纽导流洞出口消能体型进行优化探索，先后提出右岸导向、洞线偏移、左岸分流、强迫消能＋左岸分流４ 种布置方案，通过对水流流态、流速和冲刷特性等水力参数进行测定和比选，最终推荐强迫消能＋左岸分流的复合式消能体型，并对推荐体型对大小流量工况的适应性进行导流全过程试验分析。结果表明：复合式消能体型在各工况下消能效率较高，围堰及左岸近岸流速明显降低，分散水流能有效封堵回流，水面波动强度减弱，主流顺利归槽，冲淤情况良好，保护左岸免受冲刷。该复合式消能体型能够满足工程消能及安全稳定要求，可为具有类似特点的导流洞工程的出口设计提供参考。

关键词：导流洞；消能体型；消能效果；流态；冲淤特性

中图分类号：ＴＶ６５３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２７

引用格式：闫秀秀，尹进步，张曜，等．导流洞复合式出口消能体型的研究与应用［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（４）：１５７－１６２．

施工导流是水利水电工程施工过程中一项非常重要的任务，关系到整个工程施工工期与安全［１］ 。采取科学合理的导流方式能够加快工程施工进度，节约工程成本，保障工程施工顺利进行。对于修建于山势陡峭且岩石坚硬、基岩稳定性好的河谷中的工程，河道较为狭窄，多数会采用“围堰全年挡水，岸边式隧洞导流”的方式，如安康水电站、叶巴滩水电站、小浪底水电站等［２－４］ 均为隧洞导流，泄洪流量为４ ０００～６ ０００ ｍ３ ／ ｓ。

受地势落差大、河道流量大等因素影响，导流隧洞设计存在泄洪消能体型难以确定的问题［５－６］ 。根据已有研究，多数岸边式隧洞工程常在出口采用单一型的消能体型，最常用鼻坎、斜切坎等挑坎［７－１１］ 进行挑流消能。刘达等［１２］ 对泄洪洞出口分别采用等宽型挑坎、燕尾型挑坎、斜切挑坎３ 种类型的挑坎进行了对比研究。上述挑坎多适用于自由出流且岸坡基岩较好的工程［１３］ 。还有一些工程采用反阶梯式消能坎［１４］ 等方式消能，这种消能坎通过对水流进行加糙，增加掺气旋滚，从而达到消能目的。宝兴水电站［１５］ 导流洞出口消能工采用消力墩后加二级消力池的形式，使其形成淹没水跃进行消能。这些消能坎采用非挑流的形式，适用于下游高水位出流方式。

狭窄河谷地区，多修建高水头、大流量工程，对前期导流消能要求较高，上述研究方法中采取的消能体型尚未考虑狭窄河谷中岸坡地质不稳定因素的影响，且泄洪流量相对较小。复雜地质条件工程对消能工的消能效率要求更高，因此消能方式研究和探索尤为必要。笔者结合西南某高坝工程进行物理模型试验，主要在超大流量（泄流量最高突破１０ ０００ ｍ３ ／ ｓ）、河谷狭窄、保证左岸不被冲刷破坏情况下，对导流洞出口消能体型开展系统研究，推荐最优体型，并验证其适应性，从而为类似超大流量、复杂地质条件的导流工程消能提供参考。

１ 工程概况

某水利枢纽原设计采用岸边式导流洞进行导流泄洪，两洞（１＃、２＃）均布置于右岸，如图１ 所示。导流洞断面尺寸为１５ ｍ×１７ ｍ（宽×高，城门洞形），过水断面面积为２３６．１ ｍ２，１＃导流洞洞长１ １２１．６２ ｍ，２＃导流洞洞长１ ３６６．４１ ｍ。出口末端均采用消力池过渡，与出口明渠相接，消力池底板高程３ ４３７ ｍ。

上下游设不过水土石围堰，上游围堰最大堰高６１．５ ｍ，下游围堰建立在坝轴线下游６００ ｍ 处，最大堰高２３．０ ｍ。河道经下游围堰后开始往左右岸扩宽，在１＃洞出口下游１００ ｍ 处，河道宽度最大。随后右岸山体逐渐向河道延伸，河道开始缩窄，在２＃洞出口下游９５０ ｍ 处，右岸山体出现大拐角，该处河道最窄。经山体拐角后，河道宽度变化不大。下游河道右岸山体完整，岩石坚硬，左岸山体多为堆积体，抗冲刷能力较低，且左岸修建有主要干路，因此左岸山体的防冲安全稳定要求高。总结下来，该工程导流隧洞具有以下６ 个显著特点：水头高，泄洪流量大，洞线长，上下游水位差大，河道狭窄，左岸抗冲稳定性差。

２ 原方案试验研究

２．１ 模型设计

试验模型采用重力相似准则，按照正态模型设计，几何比尺为１ ∶ ８０。模型模拟范围应保证试验工作段的流态相似［１６］ 。考虑到上游库区导流洞进口前水流相似性要求，模拟至围堰上游７００ ｍ。下游河道由围堰起布置动床，考虑到左岸塌滑堆积体抗冲能力差，洪水顶冲和坡脚处地形冲淤均会对岸坡稳定性产生影响，因此左岸坡脚处基岩不向河床内延伸，直接采用动床覆盖层进行模拟。在此基础上保证河道内的水流流态和地形冲淤不受影响，在２＃导流洞对岸顶冲位置向下游延伸１００ ｍ，选定此位置为动床纵向末端。动床底高程取至３ ４１５ ｍ，铺砂层后河床高程３ ４３７ ｍ，根据伊兹巴什公式［１７］ 计算流速，覆盖层模型冲料粒径选取０．５～２．０ ｍｍ，河床冲刷试验时间为２ ｈ，形成稳定冲坑后进行观测和参数测量［１８］ 。试验工况及对应流量见表１。

２．２ 初步试验

在原方案中，导流洞出口采用台阶逐级消能思路。水流沿台阶逐级爬高，实现沿程消能；在最后一级台阶以挑流形式落入河道，大量掺气，完成消能。但观测发现：导流洞出口水流易受台阶阻挡，紧贴两侧壁面流出，由于流速大，因此形成较高水翅，水体相撞，向四周飞溅；台阶顶部与下游水位落差大，下游河道水垫深度不足，水流跌落处出现明显的冲刷现象。水流进入河道后，洞出口轴线与河道夹角较大，河道狭窄，下泄洪水易顶冲左岸，且两洞出口紧邻，易发生股间同步交汇［１９］ ，流场相互干扰阻滞，致使主流无法顺利归槽。首先２＃洞台阶末端主流入水直冲对岸，形成折冲水流，部分向上回流；其次在２＃洞台阶末端，１＃洞水流受高流速水体扩散顶托作用大量转向左岸，与向上回流交汇，在河道中央形成较大的回流旋涡。多种方向水流互相影响，导致河道流态复杂，水面波动剧烈，断面流速分布不均，具体如图２ 所示。河床底部砂石在旋滚水流带动下，不断翻滚、流动，致使地形冲刷问题严重。在两股主流流经处、出口下方齿墙及左岸护坡处均出现较大冲坑，同时受回流作用影响，在围堰下游形成大范围的淤积体。上述结果表明：两个导流洞的出口总体消能不足，难以满足工程需求。

试验测量进一步发现，导流洞出口壅水问题严重，致使双洞全开时，过流流量只有７ ５８０ ｍ３ ／ ｓ，比设计需要的过流流量９ ２１０ ｍ３ ／ ｓ 低１７．７％，无法满足过流要求。因此，后续消能体型的优化，须在满足过流能力前提下进行。

根据上述不良流态现象和诱因分析，在导流洞出口体型优化设计中，可从以下几方面入手：一是左岸基岩堆积体的抗冲稳定性差，要避免高流速洪水直接顶冲左岸护坡、山体，产生折冲水流，即解决下泄洪水在河道内平稳归槽问题；二是避免两个导流洞下泄洪水同步自由扩散，两股主流互相影响，特别是１＃洞水流受２＃洞回流顶托产生二次回流，导致河道流态复杂问题；三是尽可能提高出口水流的消能效果，降低进入河道水流的余能，避免下泄水流回流流速过大，过度冲刷左岸山体和围堰边坡，减小河床冲淤，防止山体崩塌、滑坡，威胁围堰、岸坡和工程区的整体安全稳定。

３ 体型修改及水力特性分析

３．１ 修改方案及流态、流速分析

根据上述思路，先后进行了主流以右岸导向为主（方案１）、洞线及出口位置修改（方案２）、以左岸分流为主（方案３）、强迫消能＋左岸分流（方案４）方案的体型修改，在初期导流标准工况Ⅱ（流量Ｑ＝９ ２１０ ｍ３ ／ ｓ）下开展试验。

３．１．１ 以右岸导向为主

初始方案经过台阶充分消能后依然存在余能偏大、顶冲对岸山坡问题，说明只考虑消能并不能解决此问题。方案１ 消能体型将主流导向右岸，使出流方向和消能工作均远离左岸山坡，体型列于表２，即在导流洞出口下游３０ ｍ 处，由左侧开挖山体位置纵向布置长度为３０ ｍ 的三角斜挑坎，向右前侧逐渐降低，衔接至开挖明渠基面。

方案１ 导流洞出口处及河道流态见图３（ａ）。可以看到，在斜坎作用下，１＃和２＃导流洞洪水均贴右岸壁面微挑出流，主流交汇位置脱离左岸。但两洞出口距离较近，１＃导流洞水流易受２＃导流洞主流顶托，向上产生回流，左岸近岸水面波动较大，水面落差高达５ ｍ，回流表面流速４．９ ｍ／ ｓ，临底流速达６．１ ｍ／ ｓ。少部分水流与２＃导流洞主流交汇下泄，交汇的主流经下游水垫的剪切不充分，余能冲击左岸，近岸下泄流速为６．８ ｍ／ ｓ。左岸流速较大，没有很好实现在右岸一侧消能。

３．１．２ 洞线及出口位置修改

两个导流洞出口布置紧凑，河道狭窄，水流下泄的消能区域重叠，两股水流始终会互相影响。针对该问题提出方案２，调整洞线及出口位置，分离两个导流洞的消能区域。使２＃导流洞洞身经过一次弧段后，直接与河岸衔接。相较于原设计，洞线加长，拉开了与１＃导流洞出口的距离，出口轴线与河道夹角由原来的２６°减小至１６°。

１＃导流洞出口体型借鉴苏洼龙水电站导流洞出口明渠内异形反台阶消力池［２０］ ，设４ 级台阶，前３ 级由左侧山体向右前方做斜向三角台阶后，再纵向衔接至右岸山体，最后一级台阶高程３ ４４７．０ ｍ，贴左侧护坡布置，对水流进行右岸导向。２＃导流洞出口未设置消能结构，直接衔接明渠，底高程为３ ４４２．０ ｍ。由图３（ｂ）可知，两个导流洞的水流无明显影响，独立运行，２＃导流洞水流紧贴右岸淹没出流，完全归顺河道。主流以河道水垫剪切消能，其消能区远离左岸，布置合理。１＃导流洞水流在斜向台阶和顶部台阶导向下，出流方向由轴线向右偏移。小流量时，在异形台阶作用下，消能效果较好，但在大流量时，水流旋滚掺气不明显，主流以窄长水舌冲击河道最窄处，发生折冲水流，向上生成明显回流旋涡，左岸近岸回流流速可达５．２ ｍ／ ｓ。左岸近岸下泄水流流速达６．１ ｍ／ ｓ，说明该体型消能效果较差。

３．１．３ 以左岸分流为主

针对回流问题，提出方案３，１＃导流洞出口采用分流扭面坎，将一部分主流向左侧挑起分散，阻滞左岸回流，另一部分主流在内台阶基础上出流，分流坎距出口１５．６ ｍ 开始逐渐升高，最终高程距离台阶平面１０ ｍ（具体结构尺寸见表２）。方案３ 的出口及河道水流流态见图３（ｃ）。１＃导流洞主流在分流扭面坎导向下，小部分经扭面斜向左岸扩散，大部分水流经台阶消能后下泄。分流携带能量较少，在左岸能抵挡回流，且不冲击护坡。主流经分流后，携带的能量有所下降，与河道水体发生碰撞，涌起多层波浪，经过水垫层剪切，余能仍然冲击左岸，近岸波浪爬高达２．５ ｍ。但相对于前两个方案，左岸近岸下泄流速和回流流速均有所下降，在围堰处回流流速为２．７ ｍ／ ｓ。采取分流的消能体型，能够阻滞回流，降低主流能量，消能效果有所提高。

３．１．４ 以强迫消能＋左岸分流

方案４ 为以强迫消能＋左岸分流的复合式消能体型，第一道消能采取强迫消能坎，对大落差的水流进行消能处理。强迫消能后的水流及左侧绕流水体通过第二道消能围坎后大范围扩散分流，均匀地进入下游河道。具体布置见表２：将出口靠近河道一侧山体开挖开敞式明渠，靠近河道一侧预留高８ ｍ、宽４ ｍ 的挡墙作为第二道消能围坎，距离出口下游２４ ｍ 处，横向布置梯形强迫消能坎，坎顶高程３ ４５１．０ ｍ，迎水面长２２ ｍ，纵向宽１６ ｍ。

方案４ 出口及河道水流流态见图３（ｄ）。试验观察可知，下游水位较高，水垫高程均高于导流洞顶及消能坎，１＃导流洞出流基本上为淹没出流。受强迫消能坎作用，水位壅高，水流向上翻滾形成宽而厚的水舌，过坎后及时落入水垫层。经过其强迫消能，水流表面剧烈翻滚，在消能坎下游形成多层多股、大量掺气的白色涌浪，至河道中部水流流态开始平缓，左岸近岸水面平稳，波动范围在２ ｍ 之内，近岸流速降低至１．９ ｍ／ ｓ。第二道消能围坎分散水流效果明显，下部水体各向均匀扩散，经水垫层剪切消能充分，其流至左岸护坡处可避免发生折冲，同时有效封堵回流。复合式消能体型消能效果明显，消能区域小，可使下泄水流远离左岸。

３．２ 冲刷特性分析

由于该工程整体泄洪流量大，即单洞水流携带能量较大，出口消能体型设计不合理，未能分散消耗能量，因此造成入水集中现象，出口下游形成明显冲坑，在左岸发生折冲水流位置易发生护坡底部淘刷，沿护坡底生成窄而深的细长冲坑。根据有关学者［２１－２２］ 研究，岸坡发生崩塌与近岸流速、坡前水流的冲刷有关，与水体紊动及次生流也有一定关系。方案１～３ 河道冲淤情况见图４，这３ 个方案涵盖上述分析的典型冲坑与淤积体。在方案１ 中，１＃导流洞出口下游及左岸护坡下的河床均产生较大冲坑，冲坑底部已裸露基岩。方案１ 和方案２ 河道内均有较大回流产生，使得围堰下游泥沙在回流旋涡带动下，形成较大淤积体。方案３ 左岸分流阻滞了回流，在围堰下游未出现较大淤积体，但回流仍然存在，在左岸分流与主流之间形成突出淤积体，消能能力仍然不足，左岸同样出现淘刷，左岸护坡坡脚处的冲坑会危及岸坡稳定，淤积体的存在也会导致下游水位抬高。

方案４ 复合式消能体型下的冲刷地形见图４（ｄ）。可以看出，复合式消能体型导流洞出口水流下部发散进入河道，不会对其产生明显冲刷，上部水舌落点主要在河道中部及右侧， 形成小范围冲坑（ 冲坑深度４．２ ｍ）。左岸同样存在细长冲坑，但其消能效果良好，无折冲水流和回流旋涡现象，冲坑范围及深度优于其他方案，河道内无突出淤积体，河床最高高程仅有３ ４３８．０ ｍ，可保证左岸工程安全稳定运行。

由试验结果可知，利用反台阶消能，其效果并不理想。两洞出口距离小，单纯依靠右岸过流，脱离左岸并不理想，主流交汇，势必会相互作用，造成回流等复杂恶劣流态。左岸分流体型能封堵下游的回流，但受河道狭窄限制，消能区域小，主流余能过大，左岸基岩受到高速水流的脉动压力作用容易破碎。复合式强迫消能坎消能率最高，主流经能量耗散后，可顺利归槽，近岸流速低，河床冲坑深度较小，左岸坡脚避免冲刷破坏，保证护坡安全稳定；第二道消能围坎的分流作用能均匀分散水流能量，有效回堵下游回流，因此方案４ 为推荐体型。

４ 推荐体型导流全过程分析

上文主要对导流洞出口体型在初期导流标准工况下进行多方案比选研究，最终推荐最优体型，对于该体型在小流量以及超大流量工况下的适应性还有待讨论，因此下面针对推荐体型在其他工况下的水力特性进行分析，以确保该复合式消能体型满足导流全过程需求。

４．１ 流态及消能特性

在导流过程中，对于不同流量，１＃导流洞洪水出流方式略有不同。对于工况Ⅰ和Ⅱ，流量较大时，下游水位高于出口断面高程，水流多为淹没出流，上层水体经强迫壅高，从消能坎翻滚而出，与空气大量接触，能量被消减，水气混掺区纵向在出口至下游９５０ ｍ 范围内，横向水流经水垫层的剪切消能未冲刷左岸。对于工况Ⅲ和Ⅳ，流量较小时，洪水受消能坎的阻滞，向左侧开敞处偏转，大部分水流由第二道消能围坎分散出流，强迫消能坎上部有较薄掺气水层，由于水流携带集中能量由第二道消能围坎分散后，再经过水垫层的二次碰撞，消能区域较小，因此仅在河道中部偏右位置便完成消能工作。

４ 种工况左岸近岸的水面波动变化见图５。可以看出，最大流量（Ｑ＝１０ ７６０ ｍ３ ／ ｓ）工况下，１＃导流洞水流余能到达左岸，波浪在下游９５０ ｍ 处爬高至３ ４６１．４ ｍ，与２＃导流洞出流汇合后，最大爬高至３ ４６２．０ ｍ。该工况下，左岸近岸水面波动最为剧烈，上下水面高差为２．３ ｍ。随着流量减小，消能区域减小，余波冲击左岸的位置逐渐向上游偏移，水面逐渐平缓，工况Ⅲ水面波动高差最小（为０．５ ｍ）。可见，１＃导流洞出口的复合式消能体型，在小流量工况下水流可顺利过渡到下游，水面平稳，效果极佳；在大流量工况下左岸水面起伏相对较大，但整体上满足工程安全需求。

４．２ 流速及冲刷特性

大流量工况Ⅰ和Ⅱ，主流多从强迫消能坎流出，其冲坑位置出现在导流洞出口正下游处；相对于小流量工况Ⅲ和Ⅳ，主流多从左侧开敞处流出，冲坑位置偏移至出口左侧下游。小流量工况下游水位低，水流跌落进入较薄水垫层，因此小流量工况下的冲坑深度反而大于大流量工况的。不同工况冲坑高程特征值见表３，测量范围主要在１＃导流洞附近。工况Ⅳ为１＃导流洞单独运行，出流流量高于工况Ⅲ，冲坑深度最大，为８．６ ｍ，相较于工况Ⅰ往下延伸了４．６ ｍ。

观察表３ 中水流流速发现，工况Ⅰ在左岸护坡处的表面流速与工况Ⅱ的相同，但临底流速最大为２．４ ｍ／ ｓ，对应左岸护坡下部的冲坑淘刷最深，说明临底流速对河床的冲淤影响较大。整体来看，１＃导流洞流量由小变大过程，水流余能逐渐顶冲至左岸，近岸流速逐渐增大。由于水流余能较小，且在分流阻滞下，左岸无回流现象产生，围堰处流速小于抗冲流速，河床无明显冲刷痕迹，因此在导流全过程中，河床冲淤整体良好，可避免左岸护坡产生较大冲坑，河道内也无突出淤积体，对下游水位无影响。

５ 结论

导流洞出口普遍采用单一消能体型，在流量偏小、岸坡稳定的工程中适应性强，然而对于大流量、狭窄河道、复杂地质条件的工程而言，单一消能体型无法满足工程需求，复合式消能体型则具有较强的适应性。具体结论如下：

１）１＃导流洞出口采取强迫消能坎和第二道消能围坎体型能够满足过流要求，出口水流经强迫消能坎作用形成淹没水跃，水舌大量掺气，主流经水垫剪切作用消耗大量能量，加快了水体流速的衰减，极大提高了消能效率，主流未到达左岸便平稳归槽。第二道消能围坎均匀分散下部水体，横向扩散的水流流速较小，对左岸护坡无冲击，可有效封堵回流。

２）导流全过程各工况试验结果表明，该复合式出口体型在大小流量下適应性均良好。左岸近岸流速较小，水流平缓，河道内无回流现象，下游河道冲淤情况良好，河床内未出现突出淤积体，左岸护坡处无严重冲坑，因此该体型有效保护了左岸护坡和围堰的安全稳定，整体上满足工程要求。

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【责任编辑 张华岩】

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７９１７０）