導(dǎo)流隧洞出口小挑坎體型參數(shù)試驗(yàn)研究

丁鵬宇，馬旭東，李 強(qiáng)，聶銳華

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

施工導(dǎo)流是水利工程建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)工程的施工工期、質(zhì)量、造價(jià)、防洪度汛、岸坡安全等。然而，受導(dǎo)流隧洞自身特點(diǎn)影響，其出口水流存在出流單寬流量大、流速高、與原河道匯流角度大等缺點(diǎn)，繼而容易造成較為嚴(yán)重的局部沖刷與岸坡失穩(wěn)。尤其是對(duì)于覆蓋層深厚、河谷狹窄的山區(qū)河道，較大的岸邊流速嚴(yán)重威脅河道局部穩(wěn)定，具有一定的安全隱患。因此，導(dǎo)流隧洞出口消能措施的布置及其合理性至關(guān)重要[1]。

對(duì)于常規(guī)的導(dǎo)流隧洞出口消能措施的布置，我國(guó)已有許多研究，通常采用各種消能工或局部防護(hù)措施。吳曉銘等[2]在導(dǎo)流隧洞出口設(shè)置斜尾坎消力池，改善了下游左岸的流態(tài)，并使水流沖刷的基本趨勢(shì)不變，以便于做出相對(duì)應(yīng)的措施；花立峰[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)消力墩、T型墩與消力池聯(lián)合消能對(duì)導(dǎo)流隧洞出口水流的消能效果較好；李鳳蘭等[4]通過(guò)在導(dǎo)流隧洞出口的消力池內(nèi)置入懸柵，破壞了水躍結(jié)構(gòu)，提高了消力池的消能率，同時(shí)降低了其內(nèi)的水深。對(duì)于導(dǎo)流隧洞出口地形陡峻、狹窄，布置空間有限的工程，余勝祥等[5]比較分析了底流消能和挑流消能的優(yōu)缺點(diǎn)后，推薦采用挑流消能。

對(duì)于山區(qū)河流，導(dǎo)流隧洞出口消能研究較少。本文對(duì)布置于導(dǎo)流隧洞出口的小挑坎進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)分析了不同體型參數(shù)對(duì)其消能效果的影響。

1 工程概況

某擬建大型水電站的施工導(dǎo)流采用全年圍堰、隧洞過(guò)流的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流隧洞位于左岸，長(zhǎng)918.79 m，進(jìn)、出口高程分別為1 912.00 m與1 910.00 m，隧洞斷面采用城門(mén)洞型，斷面尺寸為16.50 m×19.00 m。上游圍堰為復(fù)合土工膜心墻+混凝土防滲墻的土石圍堰，堰頂高程為1 965.00 m，最大堰高為57.00 m，在下游圍堰下游左岸100 m范圍內(nèi)岸坡為滑坡體，右岸300 m范圍為卸荷傾倒體。將導(dǎo)流隧洞出口設(shè)置于下游圍堰軸線下游140 m處，距堰腳約70 m，出口與河道的交角為48°，見(jiàn)圖1。

現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件分析成果與設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)成果表明，該工程存在隧洞出口部位河道狹窄(僅為70 m左右)、河床覆蓋層淺且抗沖能力極差(中值粒徑約10 mm，抗沖流速約為1.0 m/s)、導(dǎo)流隧洞出口兩岸地質(zhì)條件差、空間有限(距河床基覆分界線長(zhǎng)度僅22 m)等諸多不利因素。對(duì)此，郭靜瑜等[6]提出了在導(dǎo)流隧洞出口布置小挑坎的方案，可基本達(dá)到減小覆蓋層沖刷、減緩岸邊流速的目的。

圖1 導(dǎo)流隧洞出口布置圖(單位：m)Fig.1 Diversion tunnel exit layout

本文將采用物理模型試驗(yàn)對(duì)該小挑坎的體型參數(shù)進(jìn)行深入研究，以期獲得較優(yōu)的體型參數(shù)，進(jìn)而為類(lèi)似的小挑坎設(shè)計(jì)提供參考。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)為比尺1∶60的正態(tài)模型，河床覆蓋層采用天然沙模擬，中值粒徑約為2 mm，基巖按不可沖刷考慮。

2 小挑坎體型參數(shù)研究

2.1 研究體型

本文對(duì)7種小挑坎體型進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了小挑坎的首部坎高與出口挑角兩種體型參數(shù)。小挑坎布置示意圖及體型參數(shù)如圖2所示，試驗(yàn)方案如表1所示。此外，本工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，對(duì)應(yīng)流量為5 587 m3/s，常年洪水流量為3 000～4 000 m3/s。

圖2 挑流坎體型示意圖(單位：m)Fig.2 Flip bucket shape schematic diagram

表1 試驗(yàn)方案表Tab.1 Test program

2.2 首部坎高試驗(yàn)成果

在出口挑角52°基礎(chǔ)上，不同首部坎高均可改善出口水流銜接流態(tài)和增加導(dǎo)流隧洞出口水流橫向擴(kuò)散寬度以及減小河道左岸和導(dǎo)流洞上游的回流區(qū)范圍。首部坎高對(duì)下游河道岸邊流速影響較小，設(shè)計(jì)頻率洪水下，坎高分別為0、1、2和4 m時(shí)，岸邊流速最大值分別為7.7、6.6、7.4和8.1 m/s，均小于無(wú)小挑坎方案時(shí)的最大流速14.6 m/s，但仍大于河床覆蓋層及兩岸岸坡的抗沖流速。隨著導(dǎo)流隧洞出口水流橫向擴(kuò)散增加，導(dǎo)流隧洞與下游圍堰之間的回流幅度減弱，回流區(qū)內(nèi)岸邊流速與堰腳流速均減小，下游圍堰堰腳處的流速最大值從無(wú)挑坎時(shí)的7.0 m/s降至5.0 m/s左右，堰腳處防護(hù)大塊石(直徑為0.5～0.7 m，抗沖流速約為4.6 m/s)未發(fā)生整體沖刷破壞，但因下游河床沖刷會(huì)出現(xiàn)局部滑塌。不同坎高方案下的河床沖刷范圍、最大沖刷深度基本相當(dāng)(見(jiàn)圖3)，表明首部坎高對(duì)河床沖刷的影響相對(duì)較小，但都相對(duì)于無(wú)挑坎方案有較大的改善。然而，首部坎高對(duì)上游水位的影響卻較為顯著(見(jiàn)圖4)，上游水位會(huì)隨坎高的增加而抬升，并且流量越大影響越顯著。在設(shè)計(jì)頻率洪水下，當(dāng)H1/H洞高>10.5%時(shí)，ΔZ/H堰會(huì)陡增，如果進(jìn)一步增大首部坎高，則上游水位升高幅度會(huì)持續(xù)增加。因而上游水位可作為小挑坎首部坎高的控制性參數(shù)。

圖3 導(dǎo)流隧洞出口軸線段沖刷線(Q=5 100 m3/s)Fig.3 The scour line of the diversion tunnel axis section(Q=5 100 m3/s)

圖4 首部坎高對(duì)上游水位的影響Fig.4 The impact of the first ridge height on the upstream water level 注：圖中ΔZ為增設(shè)挑坎后上游水位與無(wú)挑坎時(shí)的差值；H堰為上游圍堰的堰高；H洞高為導(dǎo)流隧洞出口斷面的高度；H1為各體型首部坎高。

整體而言，小挑坎的首部坎高對(duì)銜接流態(tài)、岸邊流速、河床沖刷等指標(biāo)的影響相對(duì)較小，對(duì)上游水位的影響卻相對(duì)顯著。當(dāng)首部坎高小于導(dǎo)流隧洞出口高度的10%時(shí)，既可改善局部流態(tài)而增大出洞水流橫向擴(kuò)散幅度，又能減小下游河道的沖刷幅度，而且對(duì)上游水位的影響也相對(duì)較小。

2.3 出口挑角試驗(yàn)成果

在首部坎高2.0 m基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究了出口挑角體型參數(shù)，挑角分別為30°、45°、52°和60°。不同挑角時(shí)的水流流態(tài)如圖5所示，挑角30°時(shí)，水流仍整體呈下潛趨勢(shì)，右岸最大岸邊流速為13 m/s；隨挑角增大，水流擴(kuò)散越充分，當(dāng)挑角位于45°～60°范圍時(shí)，擴(kuò)散幅度基本相當(dāng)，岸邊流速最大值也相應(yīng)改善，最大岸邊流速為8.3 m/s。不同挑角時(shí)導(dǎo)流隧洞出口軸線斷面河床沖刷形態(tài)如圖6所示，挑角30°時(shí)，其最大沖刷點(diǎn)已發(fā)展至基巖，且覆蓋層流失較多；隨挑角增大，水流擴(kuò)散更充分，沖刷范圍與最大沖刷深度逐漸改善，挑角位于45°～60°范圍時(shí)，最大沖刷深度與沖刷范圍相比于無(wú)挑坎時(shí)已有較大程度的改善。此外，不同挑角對(duì)上游水位的影響相對(duì)較小。

圖5 導(dǎo)流隧洞出口水流流態(tài)銜接(Q=5 100 m3/s)Fig.5 Water flow state connection of diversion tunnel outlet(Q=5 100 m3/s)

圖6 導(dǎo)流隧洞出口軸線段沖刷線(Q=5 100 m3/s)Fig.6 The scour line of the diversion tunnel axis section(Q=5 100 m3/s)

分析認(rèn)為，挑坎角度對(duì)銜接流態(tài)和河床沖刷影響較大，而對(duì)上游水位的影響相對(duì)較小，故河床沖刷和岸邊流速是小挑坎挑角參數(shù)的控制性指標(biāo)。試驗(yàn)成果表明，當(dāng)挑角位于45°～60°范圍時(shí)，對(duì)銜接流態(tài)、河床沖刷等方面的改善明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于單寬流量大、出口空間局促、常規(guī)消能設(shè)施布置受限的山區(qū)河流導(dǎo)流隧洞工程，在隧洞出口布置首部凸坎式連續(xù)挑流坎能夠達(dá)到改善銜接流態(tài)、減小河床沖刷等效果。挑坎的首部坎高對(duì)銜接流態(tài)、河床沖刷等參數(shù)影響較小，而對(duì)上游水位的影響顯著，坎高宜小于導(dǎo)流隧洞出口高度的10%。挑坎的出口挑角對(duì)上游水位影響較小，而對(duì)銜接流態(tài)、河床沖刷等方面的影響顯著，挑角宜介于45°～60°范圍內(nèi)。

對(duì)于抗沖能力弱的深厚覆蓋層河道，尤其在具有不良地質(zhì)的情況下，均需進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。在隧洞出口加設(shè)小挑坎可相對(duì)減小岸邊流速和河床沖刷幅度，進(jìn)而可減小防護(hù)范圍和防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。即便不降低防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也可增加工程運(yùn)行的安全富余。但增設(shè)小挑坎后會(huì)對(duì)上游水位有一定的影響，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性等具體情況綜合考慮。