龍?zhí)稖纤畮煲缌鲏涡购橄芫植繘_刷試驗(yàn)研究

吳福生，阮仕平，馮新權(quán)

(1. 南京水利科學(xué)研究院，水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029； 2. 山東水利勘測設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250000)

龍?zhí)稖纤畮煳挥谏綎|省日照市五蓮縣東南部，潮白河最上端。水庫壩址位于五蓮縣戶部鄉(xiāng)上溝村西約376 m處。建設(shè)龍?zhí)稖纤畮焓菫榱丝刂浦行『樗滦?，提高潮白河流域的區(qū)域防洪能力，保障流域內(nèi)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全和國家基礎(chǔ)設(shè)施安全，緩解當(dāng)?shù)厮Y源緊缺的狀況，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。水庫的首要任務(wù)是防洪、農(nóng)業(yè)灌溉，兼顧生態(tài)補(bǔ)水和旅游等。

龍?zhí)稖纤畮炜値烊? 078萬m3，相應(yīng)水位170.51 m；興利庫容600萬m3，相應(yīng)水位161.85 m；死庫容150萬m3，相應(yīng)水位137.00 m。水庫主要建筑物包括大壩、泄洪洞及放水洞等。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高69.21 m，壩長264 m，壩頂高程171.34 m。采用泄洪洞和溢流壩相結(jié)合的泄洪方式。泄洪洞寬度2.8 m，洞底高程112.73 m，溢流壩頂高程為167.08 m。放水洞直徑1.8 m，洞底高程136.0 m(1985國家高程基準(zhǔn))。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，該工程的主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，確定本工程大壩、溢流壩與泄洪洞的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。設(shè)計(jì)勘測部門將混凝土糙率定為0.014，壩址處基巖抗沖流速定為5 m/s。

1 物理模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)條件

模型上游尺寸為5 m×8.82 m(長×寬)，模擬150 m×265 m(長×寬)的庫區(qū)范圍；模型下游河道長9.17 m，模擬下游275 m長的河道。水庫下游水位通過尾門控制，泄流量用矩形壁量水堰測量。為便于觀察水流流態(tài)，模型全部采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制作。有機(jī)玻璃的糙率為0.008，按模型糙率比尺換算得原型糙率為0.014 1，滿足要求。

龍?zhí)稖纤畮鞓屑~水工整體模型根據(jù)山東省水利勘測設(shè)計(jì)院提供的圖紙資料制作。為便于觀察水流流態(tài)，豎井泄洪洞與溢流壩模型采用有機(jī)玻璃精加工制作。模型平面誤差在2 mm以內(nèi)，高程誤差在0.5 mm以內(nèi)。水庫及下游河道地形根據(jù)1:2 000地形圖，采用水泥抹光制作。

在模型下游排水管末端采用矩形薄壁量水堰測控流量，采用水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程[6]給出的公式計(jì)算流量。溢流壩面及挑坎處水流為高速水流，用南京水利科學(xué)研究院研制的Φ25 mm微型畢托管測量流速，下游流速采用微型OA紅外旋槳流速儀與三維ADV流速儀測量。

2 原設(shè)計(jì)方案溢流壩泄流水力特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的資料，設(shè)計(jì)(洪水頻率2%)與校核洪水條件下(洪水頻率0.1%)，上游庫水位分別為168.40和171.51 m，下游河道水位分別為111.33和112.58 m，溢流壩泄流量分別為105和409.4 m3/s，單寬流量分別為3.50和13.65 m3/s。因龍?zhí)稖纤畮熘饕獮榉篮?、灌溉、蓄水改善生態(tài)環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)考慮正常20年一遇洪水時(shí)，溢流壩不泄流(溢流壩頂高程167.08 m，與正常水位一致)，所以，設(shè)計(jì)有放水洞滿足下游農(nóng)業(yè)灌溉與生態(tài)補(bǔ)水。

2.2 溢流壩泄流能力及水力特性試驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)及校核工況下溢流壩泄洪時(shí)流態(tài)如圖1所示?？梢姡缌鲏涡购闀r(shí)挑流水舌摻氣充分，下游河道水流湍急。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，溢流壩挑流水舌落水處距離鼻坎30～35 m，略超過鼻坎后護(hù)坦范圍；校核洪水時(shí)，挑流水舌挑距大大增加，其落水處距離鼻坎78～84 m。

(a) 設(shè)計(jì)洪水 (b) 校核洪水圖1 設(shè)計(jì)和校核洪水溢流壩泄洪Fig.1 Overflow dam discharging under the design and check flood conditions

圖2 龍?zhí)稖纤畮煲缌鲏嗡涣髁筷P(guān)系 圖3 溢流壩挑流水舌挑距與泄流量關(guān)系 Fig.2 Stage-discharge relation curve Fig.3 Ski-jump distance and discharge relation curves

設(shè)計(jì)洪水時(shí)溢流壩面斜坡段時(shí)均壓強(qiáng)出現(xiàn)負(fù)壓，但負(fù)壓絕對(duì)值較小，小于0.84×9.81kPa；校核洪水時(shí)，負(fù)壓絕對(duì)值最大為1.14×9.81 kPa?？梢?，溢流壩面的設(shè)計(jì)是合適的。設(shè)計(jì)及校核洪水條件下壩面水深較小，溢流壩兩邊的擋水邊墻高度滿足要求。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，挑坎處流速為18.48 m/s，校核洪水時(shí)為27.62 m/s。

圖3繪出了溢流壩在各庫水位流量下挑流水舌挑距范圍的試驗(yàn)結(jié)果?？梢姡艟嚯S著泄流量的增加而增大。泄流量達(dá)到設(shè)計(jì)洪水時(shí)，挑流水舌挑距范圍為33.0～34.2 m，略大于挑坎下游設(shè)計(jì)護(hù)坦長度(30.0 m)。溢流壩泄洪時(shí)，設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游流速一般小于5 m/s，但校核洪水時(shí)下游河床流速較大，超過了河床基巖的抗沖流速5 m/s，將會(huì)對(duì)下游河床造成沖刷。

3 溢流壩消能措施修改方案試驗(yàn)研究

從原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果可知，溢流壩泄洪時(shí)，下游河床流速不均勻，設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游流速一般小于5 m/s；校核洪水時(shí)下游河床流速較大，可能引起對(duì)下游河床的沖刷，且挑流水舌距挑坎達(dá)84 m，可能引起河床沖刷影響到泄洪洞出口泄流安全。因此，考慮將溢流壩斜坡段光滑面改成階梯消能工，以提高消能率，減輕泄洪對(duì)下游河床的沖刷影響。

通過修改階梯尺寸以提高階梯溢流壩的消能效果，最后得到修改方案2溢流壩的階梯尺寸為0.90 m×0.72 m，見圖4，其消能效果最佳。

圖4 修改方案2Fig.4 The modified scheme 2

表1 各泄洪消能方案消能率Tab.1 Energy dissipation ratios for different schemes

4 局部動(dòng)床沖刷試驗(yàn)

對(duì)溢流壩原設(shè)計(jì)方案以及兩種階梯溢流壩修改方案進(jìn)行了試驗(yàn)，按設(shè)計(jì)洪水與校核洪水2種工況，觀測泄洪沖刷流態(tài)、流速分布以及沖坑特性。

4.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案為光滑溢流壩面+連續(xù)挑坎。設(shè)計(jì)洪水時(shí)溢流壩泄洪沖刷情況見圖5，由圖可見下游水流平穩(wěn)，挑流水舌范圍為30.0～34.2 m，水舌落在原設(shè)計(jì)護(hù)坦下游邊緣。下游流速分布如圖6，流速分布均勻，流速值較小，一般低于2.5 m/s。不會(huì)引起下游河床沖刷?？梢?，除水舌落點(diǎn)處有所沖擊外，下游河床基本未沖刷。

圖5 設(shè)計(jì)洪水泄洪沖刷試驗(yàn)和沖刷后地形(原設(shè)計(jì)方案)Fig.5 Flood releasing tests under the design flood and terrain conditions after scour (the original design scheme)

圖6 設(shè)計(jì)洪水下動(dòng)床沖刷后下游河道流速分布(原設(shè)計(jì)方案)(單位： m/s)Fig.6 Velocity distribution in downstream channel under the design flood condition (the original design scheme) (unit: m/s)

宣泄校核洪水時(shí)，下游水流湍急，水流極不穩(wěn)定(見圖7)，水舌范圍78～84 m。下游河床沖刷嚴(yán)重，沖坑范圍較大，堆丘直至泄洪洞出口，對(duì)泄洪洞泄流造成不利影響。下游沖坑等值線見圖8。

圖7 校核洪水泄洪沖刷試驗(yàn)(原設(shè)計(jì)方案) 圖8 溢流壩校核洪水下游沖坑等值線(原設(shè)計(jì)方案)(單位： m)Fig.7 Flood releasing tests under the check flood condition (the original design scheme) Fig.8 Contours of down stream channel scour terrain under the check flood condition (the original design scheme) (unit: m)

4.2 修改方案

4.2.1修改方案1 修改方案1為階梯溢流臺(tái)階0.60 m×0.48 m+連續(xù)挑坎。設(shè)計(jì)洪水時(shí)泄洪沖刷情況見圖9(a)，由于修改方案階梯溢流壩消能效果較好，挑流水舌挑距大為減小，水舌范圍為12.0～18.6 m，水舌完全落在原設(shè)計(jì)挑坎防護(hù)范圍內(nèi)。可見下游水流平穩(wěn)，流速分布均勻，流速值比原方案小，一般低于1.7 m/s?？梢姴粫?huì)引起下游河床沖刷。由圖9(a)沖刷后地形可見，下游河床基本未沖刷。

宣泄校核洪水時(shí)，泄流沖刷情況見圖9(b)，由于消能較充分，水舌范圍減小到38.5～49.5 m，下游河道水流較平穩(wěn)，流速分布均勻，下游河道流速一般不超過5.0 m/s。但堆丘后尚有少數(shù)測點(diǎn)流速超過5.0 m/s，下游河床沖刷范圍比原方案明顯減小?？梢姡掠螞_刷范圍和堆丘范圍都較小，不影響泄洪洞泄流。

(a) 設(shè)計(jì)洪水 (b) 校核洪水圖9 設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)沖刷情況和沖刷后地形(修改方案1)Fig.9 Flood discharging under the design and check flood conditions and the terrain after scour

4.2.2修改方案2 修改方案2為階梯溢流壩臺(tái)階0.90 m×0.72 m+連續(xù)挑坎。設(shè)計(jì)洪水時(shí)原設(shè)計(jì)方案溢流壩泄洪沖刷情況見圖10(a)?？梢娪捎谛薷姆桨概_(tái)階尺寸增大，階梯溢流壩消能效果更好，下游水流平穩(wěn)，挑流水舌范圍進(jìn)一步縮小為12.0～16.5 m，水舌完全落在原設(shè)計(jì)挑坎防護(hù)范圍內(nèi)。下游流速分布如圖11，流速分布均勻，流速值較小，一般低于2.0 m/s。可見不會(huì)引起下游河床沖刷。由圖10(a)可見設(shè)計(jì)洪水泄洪后下游河床未發(fā)生沖刷。

校核洪水泄洪時(shí)，泄流沖刷情況見圖10(b)，由于消能充分，水舌范圍減小到36.0～40.5 m，下游河道水流較平穩(wěn)，流速分布均勻，流速不超過2.80 m/s，下游河床沖刷范圍較小?？梢?，下游沖刷范圍較小，堆丘較小，不影響泄洪洞正常泄流。校核洪水沖坑等值線見圖12。

(a) 設(shè)計(jì)洪水 (b) 校核洪水圖10 設(shè)計(jì)和校核洪水泄洪沖刷試驗(yàn)和沖刷后地形(修改方案2)Fig.10 Flood discharging under the design and check flood conditions and the terrain after scour (modified scheme 2)

圖11 設(shè)計(jì)洪水動(dòng)床沖刷后下游河床表面流速分布 (修改方案2)(單位: m/s) 圖12 校核洪水沖坑等值線(修改方案2)(單位： m)Fig.11 Velocity distribution in downstream channel under the design flood condition (modified scheme 2)(unit: m/s) Fig.12 Contours of downstream channel scour pit under the check flood condition (modified scheme 2)(unit: m)

4.3 各方案溢流壩泄洪下游河道沖刷比較

從以上各方案試驗(yàn)研究結(jié)果可知，設(shè)計(jì)洪水由于單寬流量小，溢流壩各方案泄流時(shí)，水流沿程摻氣較充分，消能效果較好，消能率達(dá)到78.1%～87.5%，挑流鼻坎處挑流流速小于16 m/s，除原設(shè)計(jì)方案水舌落于襯砌保護(hù)段末端略有沖擊外，其他兩修改方案挑流水舌基本落入原設(shè)計(jì)方案鼻坎后襯砌保護(hù)段范圍內(nèi)，由于水墊作用充分消能，未對(duì)下游河床造成沖刷；下游河道水流平穩(wěn)，流速分布均勻，且都遠(yuǎn)低于基巖的抗沖流速。故設(shè)計(jì)洪水時(shí)，溢流壩能安全泄洪。

校核洪水時(shí)，各方案沿溢流壩中心線沖坑剖面如圖13所示。校核洪水泄洪時(shí)，隨著溢流壩過壩流量增加，單寬流量增加壩面水深增大，原設(shè)計(jì)光滑溢流壩面沿程水流摻氣消能效果不佳，到挑坎處消能率降為43.3%，挑坎處的流速達(dá)到26 m/s，水舌挑距達(dá)78.0～84.0 m；對(duì)下游造成嚴(yán)重沖刷，沖刷堆積物堵塞了泄洪洞出口明渠，將嚴(yán)重影響泄洪洞安全泄洪。下游河道水流湍急，紊亂，主河道中局部流速較高，高于基巖抗沖流速。因此，原設(shè)計(jì)方案溢流壩宣泄校核洪水時(shí)，將會(huì)造成下游河床嚴(yán)重沖刷，并且嚴(yán)重影響泄洪洞安全泄洪。

圖13 校核洪水下溢流壩各方案下游沿中心線上沖坑剖面Fig.13 Longitudinal profiles along the middle line downstream of the spillway under the check flood condition

修改方案階梯溢流壩臺(tái)階尺寸為0.60 m×0.48 m+連續(xù)挑坎，校核洪水時(shí)，由于臺(tái)階消能作用，使溢流壩過流沿程跌落摻氣，消能率明顯提高，至挑流鼻坎處消能率達(dá)到63.2%，水舌挑距也減小到38.5～49.5 m，水流對(duì)下游河床的沖刷程度也明顯減小，不會(huì)影響到泄洪洞的泄洪安全；下游河道水流較平穩(wěn)，流速分布較均勻，除少數(shù)測點(diǎn)流速略高于基巖的抗沖流速，一般流速都基本低于基巖的抗沖流速。

修改方案階梯溢流壩臺(tái)階尺寸為0.90 m×0.72 m+連續(xù)挑坎，由于加大了臺(tái)階尺寸，宣泄校核洪水時(shí)進(jìn)一步提高了消能率。至挑流鼻坎處消能率提高到69.7%，水舌挑距也進(jìn)一步減小到36.0～40.5 m，水流對(duì)下游河床的沖刷程度大為減輕。從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，沖坑范圍小，不影響泄洪洞的泄洪安全；且下游河道水流平穩(wěn)，流速分布均勻，流速不超過2.80 m/s，滿足溢流壩安全泄洪要求。

5 結(jié) 語

(1)原設(shè)計(jì)方案定床試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)洪水泄洪時(shí)下游河道流速一般小于5 m/s；但校核洪水時(shí)下游河道水流湍急，流速大且流向紊亂，超過了河床基巖的抗沖流速(5 m/s)。

(2)通過對(duì)溢流泄洪消能方式進(jìn)行修改，并與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較?？梢?，將原設(shè)計(jì)光滑溢流壩面改成階梯溢流壩后，由于水流在階梯上跌落、摻氣，消能效果較好，特別對(duì)于校核洪水泄洪時(shí)，消能效果更明顯。通過試驗(yàn)比選，修改方案2階梯溢流壩臺(tái)階尺寸0.90 m×0.72 m，挑流水舌完全落入消力池內(nèi)，其消能效果最佳。設(shè)計(jì)與校核洪水時(shí)消能率分別達(dá)到87.5%與69.7%，下游河道內(nèi)水流平順，流速較小且分布均勻。

(3)從局部動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)方案及修改方案都不會(huì)對(duì)下游河床造成沖刷；下游河床水流平穩(wěn)，流速較小且分布均勻。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，溢流壩能安全泄洪。

修改方案階梯溢流壩臺(tái)階尺寸為0.60 m×0.48 m+連續(xù)挑坎，校核洪水時(shí)，由于臺(tái)階消能作用，使溢流壩過流沿程跌落摻氣，消能率明顯提高，水流對(duì)下游河床的沖刷程度也明顯減弱；下游河道水流較平穩(wěn)，流速分布較均勻，除少數(shù)測點(diǎn)流速略高于基巖抗沖流速外，一般流速都低于5 m/s。

修改方案階梯溢流壩臺(tái)階尺寸為0.90 m×0.72 m+連續(xù)挑坎，由于加大了臺(tái)階尺寸，宣泄校核洪水時(shí)進(jìn)一步提高了消能率。至挑流鼻坎處消能率提高到69.7%，水舌挑距也進(jìn)一步減小到36.0～40.5 m，水流對(duì)下游河床的沖刷大為減輕，沖坑范圍小，且下游河道水流平穩(wěn)，流速分布均勻，流速不超過2.80 m/s，滿足工程安全泄洪要求。

參 考 文 獻(xiàn)：

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