張 軍， 劉景瑞

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究背景

隨著西北地區(qū)水利工程建設(shè)的快速發(fā)展,中高壩數(shù)量不斷增加,高速水流問(wèn)題與工程運(yùn)行安全息息相關(guān)。水利工作者尤其關(guān)注泄洪建筑物的消能防沖設(shè)施。依據(jù)泄水建筑物高流速水力學(xué)理論，挑流鼻坎的形式直接影響挑流水舌形態(tài)，挑流水舌形態(tài)是決定下游沖刷的關(guān)鍵。為了驗(yàn)證挑流鼻坎的合理性、經(jīng)濟(jì)性，通常采用水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，且已獲得良好的研究成果[1-2]。

國(guó)內(nèi)中高壩泄洪建筑物的挑流消能工有寬尾墩形式[3-7]、窄縫挑坎形式[8-9]、扭鼻坎形式[10-11]、斜鼻坎形式[12-14]、燕尾挑坎形式[15]、舌形鼻坎形式[16-18]等。張東明等[16]對(duì)舌形挑坎和短邊墻挑坎的水舌流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出不同挑坎體型的水舌空中擴(kuò)散規(guī)律；王均星等[17]通過(guò)龍開(kāi)口水電站模型試驗(yàn)得出大差動(dòng)-舌形挑坎方案消能防沖效果較優(yōu)，其挑坎水舌縱、橫向均有擴(kuò)散，擴(kuò)散效果較好；陳小威等[18]通過(guò)長(zhǎng)溢廟水庫(kù)溢洪洞模型試驗(yàn)驗(yàn)證了舌形鼻坎橫向擴(kuò)散水流分布均勻，有效解決了下游河床沖刷問(wèn)題。針對(duì)樓莊子水庫(kù)工程砂、泥巖互層軟巖的地質(zhì)特性，為減小下游沖刷，保證出口右岸邊坡安全，并驗(yàn)證溢洪洞布置和出口消能工體型的合理性和可能性，通過(guò)水工模型試驗(yàn)分析了原設(shè)計(jì)溢洪洞布置存在的問(wèn)題，提出了溢洪洞進(jìn)口、出口優(yōu)化體形及舌形挑流鼻坎消能工方案，且驗(yàn)證了其優(yōu)越性。目前，將舌形挑坎運(yùn)用到實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)較少，本工程取得良好的模型試驗(yàn)結(jié)果，可為同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

樓莊子水庫(kù)位于新疆頭屯河上游，為“十三五”期間重點(diǎn)水利工程，其主要任務(wù)是灌溉、下游防洪和城市供水等。水庫(kù)總庫(kù)容為7 374×104m3。

溢洪洞軸線采用直線布置，利用右岸山體上下游洪溝布置進(jìn)、出水口?；鶐r為中侏羅統(tǒng)灰綠色砂巖泥巖互層，為軟巖，洞身圍巖類別主要為Ⅳ類。進(jìn)口WES堰控制段寬6.0 m，頂高程1 391.0 m，正常運(yùn)行時(shí)采用弧形工作閘門(mén)擋水。隧洞段斷面(城門(mén)洞形)尺寸由6.0 m×6.0 m(寬×高)漸變?yōu)?.0 m×6.0 m(寬×高)，縱坡i=0.02。泄槽(陡槽)段斷面為5.0 m×5.0 m。原設(shè)計(jì)方案泄槽末端設(shè)挑流消能連續(xù)鼻坎，鼻坎長(zhǎng)18.5 m，寬5.0 m，挑角為30°，下游連接混凝土護(hù)坦。挑流鼻坎下游為洪溝，為使下泄的小流量洪水順利排入河道，對(duì)洪溝對(duì)岸進(jìn)行了開(kāi)挖處理。

3 研究方法

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3-7]，采用正態(tài)模型，模型幾何比尺為 1∶40。模型水庫(kù)兩岸山體地形和下游河道由水泥砂漿拉毛制作而成，溢洪洞進(jìn)口段用水泥砂漿制成，溢洪洞建筑物用有機(jī)玻璃制作。

為了揭示泄洪消能沖淤規(guī)律，下游河床采用動(dòng)床模擬方法，天然河床部分及溢洪洞出口泄洪渠部分的河床質(zhì)均采用散粒體進(jìn)行模擬。試驗(yàn)的2種特征工況為：(1)工況1，設(shè)計(jì)洪水位，庫(kù)水位1 397.41 m；下泄流量246.6 m3/s；(2)工況2，校核洪水位，庫(kù)水位1 397.63 m，下泄流量256.0 m3/s。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 溢洪洞原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1.1 泄流能力試驗(yàn)結(jié)果分析 首先對(duì)原設(shè)計(jì)方案溢洪洞的泄流能力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)的溢洪洞進(jìn)出口水力特性及下游河道水流流態(tài)和沖淤形態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，泄流能力設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 原設(shè)計(jì)方案溢洪洞泄流能力設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值比較

由表1可見(jiàn)，溢洪洞模型實(shí)測(cè)泄量小于設(shè)計(jì)泄量，在設(shè)計(jì)和校核水位時(shí)，兩者差值為61.92～63.55 m3/s，占相應(yīng)設(shè)計(jì)泄量的25.11%～24.82%。為進(jìn)一步分析泄流能力不足的原因，試驗(yàn)中在堰寬不變的條件下，將校核洪水位提高至1 399.05 m，以滿足設(shè)計(jì)流量256 m3/s的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明溢洪洞WES堰泄洪過(guò)流能力不足，不符合設(shè)計(jì)要求，為水庫(kù)大壩安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

4.1.2 挑流水舌特性結(jié)果分析 將庫(kù)水位提高至1 399.05 m，溢洪洞下泄流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求泄量256 m3/s，對(duì)水舌形態(tài)與挑距進(jìn)行了觀測(cè)分析。

原方案溢洪洞校核泄量工況水舌形態(tài)見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中觀測(cè)到，校核洪水位對(duì)應(yīng)水舌最大挑射距離為92 m，入水最大寬度為14.95 m，水舌入水位置靠近右岸，水舌擴(kuò)散后右側(cè)部分沖砸河床右岸邊坡。試驗(yàn)結(jié)果表明，原方案挑坎縱向不能形成窄縫水舌，橫向也未拉開(kāi)擴(kuò)散，導(dǎo)致入水集中，且沖砸岸坡。

圖1 原方案溢洪洞校核泄量工況水舌形態(tài)

4.2 溢洪洞優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于本工程泄洪建筑物、引水建筑物均集中平行布置在右岸，出口布置緊湊，因此，針對(duì)溢洪洞原方案存在的問(wèn)題，考慮從樞紐布置角度對(duì)溢洪洞軸線平面位置、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)體型尺寸等方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。為解決水舌沖砸河床右岸邊坡的問(wèn)題，初擬將溢洪洞出口軸線向河床移動(dòng)20 m。為了使溢洪洞泄量滿足設(shè)計(jì)要求，且減少進(jìn)口石方開(kāi)挖量，初擬維持進(jìn)口溢流堰堰寬6.0 m不變，而將WES堰頂高程降低1.5 m，即從原設(shè)計(jì)堰頂高程1 391.0 m下降至1 389.5 m。再通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后溢洪洞方案進(jìn)口過(guò)流能力及出口水舌特性，探尋下游河道沖淤形態(tài)規(guī)律。

4.2.1 泄流能力試驗(yàn)結(jié)果分析 針對(duì)優(yōu)化后溢洪洞進(jìn)口泄洪過(guò)流能力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定， 對(duì)校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)的溢洪洞進(jìn)出口水力特性及下游河道水流流態(tài)和沖淤形態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，泄流能力設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化方案溢洪洞設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值比較

由表2可見(jiàn)，優(yōu)化方案溢洪洞模型實(shí)測(cè)過(guò)流能力大于設(shè)計(jì)過(guò)流能力，差值為36.43～39.4 m3/s，設(shè)計(jì)泄量余幅14.77%～15.39%，試驗(yàn)結(jié)果表明：在溢流堰寬為6 m條件下，堰高降低1.5 m，進(jìn)口泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，且有一定余幅，具有一定的安全系數(shù)。

4.2.2 優(yōu)化軸線方案出口水舌特性分析 試驗(yàn)針對(duì)調(diào)整溢洪洞軸線后的優(yōu)化布置方案出口挑流水舌特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，溢洪洞優(yōu)化布置方案水舌流態(tài)及沖淤形態(tài)見(jiàn)圖2。

由圖2(a)可知，水舌最大挑距為66.8 m，入水集中，沖砸河床，不影響河床右岸邊坡安全。試驗(yàn)結(jié)果表明：溢洪洞軸線向河床偏移20 m是合適的，保證了右岸邊坡的安全，但水舌消能不充分、入水集中，沖砸軟巖河床。

由圖2(b)可見(jiàn)，下游河道沖坑底高程為1 305.40 m，原河床高程為1 318.0 m，則沖坑深度為12.6 m，淤積體頂高程為1 320.30 m，淤積物范圍較大，分布形狀為扇形。試驗(yàn)結(jié)果表明：溢洪洞出口水舌消能不充分，沖砸河床嚴(yán)重，將導(dǎo)致下游河道的嚴(yán)重沖淤，影響下游行洪安全。

4.3 鼻坎體型優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)原設(shè)計(jì)溢洪洞方案及優(yōu)化溢洪洞軸線方案出口水舌均擴(kuò)散不充分、沖砸河床嚴(yán)重、下游河道嚴(yán)重沖淤的問(wèn)題，試驗(yàn)對(duì)鼻坎體型進(jìn)行了優(yōu)化。體型優(yōu)化主要從樞紐布置特點(diǎn)、消能區(qū)地形特征及溢洪洞水力條件進(jìn)行豎向及橫向擴(kuò)散消能試驗(yàn)。

4.3.1 豎向擴(kuò)散消能優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析 首先采用窄縫式鼻坎進(jìn)行豎向擴(kuò)散消能試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行了豎向擴(kuò)散方案1及方案2兩個(gè)體型方案測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 溢洪洞優(yōu)化布置方案水舌流態(tài)及沖淤形態(tài)

圖3 豎向擴(kuò)散方案水舌流態(tài)

由圖3(a)可見(jiàn)，鼻坎豎向擴(kuò)散方案1出口寬1.6 m時(shí)，水舌基本具有窄縫水舌的形態(tài)，但水翅較嚴(yán)重，水舌上部部分水流過(guò)早塌落，水舌形狀不理想。結(jié)果表明：挑流鼻坎出口寬1.6 m不能形成完整的窄縫水舌，豎向擴(kuò)散不充分。由圖3(b)可見(jiàn)，將鼻坎豎向擴(kuò)散方案2出口寬調(diào)整為3.2 m時(shí)，雖然水翅有所減弱但水舌縱向拉開(kāi)不明顯，水舌形狀亦不理想。結(jié)果表明：挑流鼻坎出口寬3.2 m不能形成窄縫水舌，豎向擴(kuò)散不充分。通過(guò)對(duì)窄縫鼻坎斷面的佛汝德數(shù)分析表明：溢洪洞校核洪水位的佛汝德數(shù)為4.28，通常能夠形成良好窄縫水舌的佛汝德數(shù)范圍為4.81～10.32[2]，而本工程窄縫式鼻坎佛汝德數(shù)小于正常范圍的最小值，這是不能形成良好窄縫水舌形態(tài)的主要原因。

4.3.2 橫向擴(kuò)散消能優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析 豎向擴(kuò)散消能效果不佳，則考慮試驗(yàn)鼻坎體型修改為橫向擴(kuò)散消能體型。由于溢洪洞出口下游河道消能區(qū)寬度有限，因此，挑坎只能適度擴(kuò)散，確保不影響河床右岸邊坡穩(wěn)定安全。試驗(yàn)先將鼻坎兩側(cè)邊墻進(jìn)行了兩個(gè)角度的擴(kuò)散，隨后在大擴(kuò)散角的基礎(chǔ)上將兩側(cè)邊墻縮短，同時(shí)將鼻坎底板末端做成舌形，其分別為橫向擴(kuò)散方案1、橫向擴(kuò)散方案2和橫向擴(kuò)散方案3。為了進(jìn)一步驗(yàn)證舌形鼻坎的合理性，試驗(yàn)對(duì)橫向擴(kuò)散方案3的水舌形態(tài)和下游河道沖淤形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)分析。各橫向擴(kuò)散方案試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 橫向擴(kuò)散方案水舌流態(tài)及沖淤形態(tài)

由圖4(a)可見(jiàn)，方案1擴(kuò)散角為4.46°，靠近邊墻的部分水流受到邊墻的約束而水深較大。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于鼻坎擴(kuò)散角較小，水舌橫向擴(kuò)散不充分，入水偏集中，消能防沖略不足。由圖4(b)可見(jiàn)，方案2擴(kuò)散角為6.088°，橫向擴(kuò)散角略有增大，邊墻對(duì)水流的影響有所減弱，試驗(yàn)結(jié)果表明：由于擴(kuò)散角有所增加，水舌橫向擴(kuò)散基本充分，且擴(kuò)散水流不影響河床右岸邊坡安全。由圖4(c)可見(jiàn)，方案3在方案2的基礎(chǔ)上，適當(dāng)縮短邊墻長(zhǎng)度并將底板出口做成舌形后，試驗(yàn)結(jié)果表明：挑流水舌橫向擴(kuò)散充分、連續(xù)而平滑，入水橫向?qū)挾仍龃?，進(jìn)一步減小了入水單寬流量，下游軟巖河床的沖擊壓力得到有效減輕，且水舌不影響河床右岸邊坡的穩(wěn)定。

方案3校核洪水位對(duì)應(yīng)水舌最大挑射距離為73.28 m，最小挑射距離為45.28 m，入水最大寬度為35.2 m，沖坑深度為6.3 m(圖4(d))。試驗(yàn)結(jié)果表明：水舌形態(tài)較原設(shè)計(jì)方案得到明顯改善，擴(kuò)散充分，水舌沖擊壓力減小，下游河道沖淤明顯減輕，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案沖坑深度減小了50%,淤積物堆積范圍也明顯減小，消能效果較好。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)原設(shè)計(jì)溢洪洞方案進(jìn)行水力特性研究，結(jié)果表明，溢洪洞進(jìn)口泄流能力不足，出口挑流水舌部分沖砸河床右岸邊坡；通過(guò)優(yōu)化，保證原設(shè)計(jì)WES堰寬6.0 m不變，將堰高降低1.5 m(高程1 389.5 m)，則溢洪洞泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求且余幅達(dá)到15.39%～14.77%。調(diào)整溢洪洞出口軸線向河床偏移20 m，雖然挑流水舌不影響邊坡安全，但水舌入水集中，縱向、橫向擴(kuò)散消能均不充分，導(dǎo)致沖砸下游河床而產(chǎn)生嚴(yán)重淤積。

(2)針對(duì)出口挑流消能工體型，進(jìn)行豎向擴(kuò)散消能及橫向擴(kuò)散消能共5個(gè)方案模型試驗(yàn)優(yōu)化。試驗(yàn)表明，由于鼻坎佛汝德數(shù)過(guò)小而不能形成窄縫水舌，豎向擴(kuò)散不充分；鼻坎橫向擴(kuò)散角為6.088°時(shí)，擴(kuò)散效果較優(yōu)，鼻坎調(diào)整為舌形，水舌連續(xù)平滑、擴(kuò)散充分，入水寬度增大，進(jìn)一步減小了入水單寬流量，下游軟巖河床的沖擊壓力得到有效減輕，且水舌不影響河床右岸邊坡穩(wěn)定。