佛寺水庫消能防沖物理模型試驗研究

王志坤

（遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧沈陽110003）

1 工程概況

佛寺水庫溢洪道位于主壩右岸，主要包括進水渠、閘室、泄槽、消能防沖設(shè)施、出水渠。消能防沖構(gòu)筑物為50年一遇洪水標準（P=2%），相應(yīng)泄流量為1 152 m3/s。消能設(shè)施采用差動式挑流鼻坎，位于泄槽末端，下游連接出水渠。消能，鼻坎段長14.55 m，坎寬35.0 m，鼻坎頂高程129.56 m，坎底高程127.56 m；防沖設(shè)施主要為出水渠兩側(cè)護岸工程，長300 m，采用格賓石籠護岸，護腳設(shè)計埋深1.5 m。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，水庫庫區(qū)范圍內(nèi)，巖性主要由震旦系硅質(zhì)灰?guī)r及中生界侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組（J3t）噴出安山巖，角閃安山巖、集塊巖、角礫巖、凝灰?guī)r及灰色砂巖、礫巖、頁巖等組成，第四系沖積的壤土、砂壤土分布在兩岸臺地和山坡上，沖積砂卵石層和砂土主要分布在河床中；溢洪道閘室上游右岸邊坡可見弱風化巖石出露，強風化厚度變化較大；沖刷坑區(qū)表面為細礫石土，平均厚度為2.0 m，中部為強風化安山巖，平均厚度為2.5 m，底部為弱風化安山巖，巖體為塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理短小，多閉合。

3 物理模型試驗方案

1）模擬范圍。根據(jù)原型工程水流特點，其主要在重力作用下產(chǎn)生水力現(xiàn)象，為了確保模型與原型水力條件相似性，模型截取的縱向長度必須保證研究段流態(tài)不受影響，確定模擬原型范圍為縱向長度1 200 m，橫向?qū)挾? 260 m。

2）模型類型。根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL/T 155—2012），該試驗選用整體模型，采用正態(tài)恒定流模擬，即長寬高三個方向采用同一比尺。沖刷坑段為動床模型，其余部分為定床模型。

3）模型比尺。依據(jù)重力相似準則，結(jié)合試驗場地和設(shè)備供水能力，確定試驗?zāi)Ｐ烷L度比尺為Lr=50，流量 Qr=17 677.67 m3/s，糙率 nr=1.92，流速vr=7.07。

4）模型材質(zhì)。目前，模型材質(zhì)主要有木材、水泥、有機玻璃、塑料、金屬及天然河砂等。通過糙率相似性分析計算，這次模型進水渠至差動式挑坎段采用機玻璃，出水渠段采用混凝土，并進行抹面壓光。沖刷坑地質(zhì)條件采用天然河砂，按原型地質(zhì)抗沖流速相似性確定模型砂粒徑，計算按公式1。

式中：V——抗沖流速；d——模型砂粒徑；M ——5～7（取7）

經(jīng)計算，細礫石土模型沙粒徑為（0.10～0.40）mm，強風化安山巖模型沙粒徑為（25～60）mm，弱風化巖體模型沙粒徑為（60～90）mm。見表1。

5）觀測方法。按原型泄流量1 152 m3/s放水4 h以上，待沖刷坑穩(wěn)定后量取各物理量。沖刷坑平面距離采用激光測距儀和鋼尺測量，沖刷深度采用水準和地形儀測量，流速采用智能流速儀和多普勒流速儀。各測點測讀3次，取其平均值。根據(jù)模型比尺，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為原型數(shù)據(jù)，并繪制沖刷坑等高線。

表1 模型砂粒徑計算表

4 模型試驗成果分析

1）沖刷范圍及沖刷深度。當遇50年一遇洪水標準，設(shè)計流量1 152.0 m3/s時，在挑坎末端5～60 m范圍內(nèi)形成錐形沖刷坑，沖刷坑呈左右對稱分布，最大深度為9.23 m發(fā)生在中線處，沖刷坑段左右岸石籠護腳部位沖刷深度在2.17～6.35 m之間，范圍在50 m范圍內(nèi)。見表2和圖1。

表2 沖刷坑范圍觀測成果表

2）總挑距及后坡?？偺艟酁樘艨材┒酥磷畲鬀_刷深度位置的水平距離，量測總挑距為33.0 m。經(jīng)計算，沖刷坑后坡為0.28。

3）消能效果分析。試驗觀測成果表明，差動式挑流鼻坎前端斷面平均流速為12.12 m/s，弗勞德數(shù)Fr=2.21，水流流態(tài)為急流。水流經(jīng)挑入空中后，水舌落入下游水體表面劇烈旋滾，并摻入大量氣泡，形成水躍，躍后斷面平均流速為0.74 m/s，弗勞德數(shù)Fr=0.74，水流經(jīng)消能后呈緩流狀態(tài)。弗勞德數(shù)計算采用公式2。

式中：Fr——弗勞德數(shù)；V——平均流速，m/s；h——平均水深，m。

圖1 50年一遇洪水沖刷坑示意圖

5 結(jié)語

通過這次試驗，可以得出以下結(jié)論：當水庫溢洪道泄流量為1 152 m3/s（50年一遇洪水標準），在距差動式挑坎末端5～60 m范圍內(nèi)形成錐形沖刷坑，最大深度為9.23 m，沖刷坑段左右岸石籠護腳部位沖刷深度均大于石籠護腳設(shè)計埋深，石籠護岸易發(fā)生破壞，應(yīng)加大護腳埋深；水流經(jīng)消能后呈緩流狀態(tài)，消能效果良好。根據(jù)《水力計算手冊》：“最大后坡=1/2.5～1/5，當沖刷坑后坡時，就認為沖刷坑不會危及壩身的安全”，該工程沖刷坑不會對差動式挑流鼻坎產(chǎn)生破壞。