山區深覆蓋層河道閘壩泄洪消能體型優化研究

賈 棲,馬旭東,夏雪平,聶銳華

(四川大學 水利水電學院 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 ，成都 610065)

0 前 言

常規攔河閘壩的泄洪消能布置方式通常采用底流消能方案[1]，為提高閘后消能效率，工程上常在消力池內增設輔助消能工，諸如：在消力池入口設置分流墩、在消力池內設齒墩及各種消力墩等。然而，當入池流速過大時，消力池內的齒墩與消力墩可能遭受沖刷破壞或空蝕破壞[2-3]。對于建于山區河流上的閘壩工程，由于河床坡度大、下游水位變幅大、排沙運行頻繁等特點，若采用傳統的消力池方案，還會面臨沖刷護坦后下游河道、對輔助消能工與尾坎造成沖刷破壞等問題。為此，王偉等[4](2014年)提出了采用急流護坦方案，針對高水頭、大單寬流量閘壩工程消能，王啟艷等[5](2017年)提出采用跌坎底流消力池，以獲得穩定的流態與較高的消能率。劉凡成[6](1995年)認為需使泄水建筑物出口單寬流量盡量一致以使下游河床抗沖能力分布均勻。

隨著對山區河流的進一步開發，建于深厚覆蓋層上的高閘壩工程逐漸增加，其閘壩結構、布置形式、施工方案與覆蓋層性質息息相關，如何確保閘壩整體穩定成為亟待解決的主要問題。唐茂穎等[7](2017年)從閘壩本身結構穩定性方面展開地質力學模型試驗，揭示了丹巴閘壩基礎失穩破壞特征和機理，評價了其整體穩定安全性。并且，如若泄洪消能不充分而對下游河床沖刷嚴重，便會導致非均勻沉降，對閘壩安全運行帶來極大的威脅[8-9]。目前，針對建于山區深覆蓋層河道上攔河閘壩尚缺少較統一的泄洪消能布置方式，且鮮有類似研究成果。郭紅民等[10](2011年)通過模型試驗研究認為直立尾坎形式可適用于具有泄洪流量大且下游河床覆蓋層較深、抗沖刷能力差的攔河閘壩泄洪消能，并將研究成果應用于枕頭壩水電站，具有較好的消能效果、并可顯著減輕下游沖刷程度。

本文以某擬建于覆蓋層深厚上的大型閘壩工程為研究對象，以護坦下游河床沖刷深度作為評價消能效果的決定性指標，采用物理模型試驗對其泄洪消能布置方式進行體型優化，提出了適用性較廣的泄洪消能布置方式。

1 工程概況與設計方案試驗成果

某擬建大(2)型水電站為采用混合方式開發的引水式電站，電站裝機總容量1 196.6 MW。擬定壩址處河床覆蓋層厚度達到50～130 m，主要由塊(漂)石、碎(卵)石、礫石及砂土、少量黏土組成。粒徑級配為：小于60 mm占75%，60～200 mm占25%。因而抗沖性與穩定性均較差，其抗沖流速為1.0～3.0 m/s。經綜合比較，確定擋水建筑物采用攔河閘壩，泄洪消能采用斜坡護坦后銜接柔性消力池的方式，并且對柔性消力池進行局部防護。柔性消力池采用混凝土四面體作防護，其抗沖流速可達到5～8 m/s，四面體之間不做搭接。模型試驗中，混凝土四面體采用散粒體碎石模擬，尺寸由原型混凝土四面體尺寸化引，模型粒徑范圍為1.5～1.8 cm，抗沖流速大于6 m/s控制。

設計體型布置方案如圖1所示，攔河閘橫向總寬度135 m，采用9孔泄洪閘，孔口尺寸為8 m×8 m，縱向流道長度為120 m。泄洪閘下游采用斜坡護坦與底流銜接的布置方式，護坦長60 m，縱坡1∶6，出口高程為1 952.50 m。為保證出閘水流在護坦內整體平順，沿護坦設2 m寬分流導墻。護坦后接75 m長柔性消力池，并在其底面采用5 m厚混凝土四面體防護，護底后的高程為1 950.50 m，整體組成“斜坡護坦+底流銜接+柔性消力池+局部防護”的泄洪消能模式。

圖1 設計方案圖 單位：m

泄洪建筑物設計與校核洪水洪峰流量分別為6 680 m3/s(P=0.2%)與7 670 m3/s(P=0.05%)，對應出護坦單寬流量為49.5 m3/(m·s)與56.8 m3/(m·s)。模型試驗在水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室(四川大學)進行，模型需保證水流與泥沙運動相似，故按重力相似準則設計為正態模型，確定幾何比尺λL=50。模型試驗重點觀測了從P=5%到P=0.1%不同頻率洪水下，柔性消力池內不同防護方式下的沖刷形態。

基于設計方案，模型試驗首先對柔性消力池無防護與采用混凝土四面體防護2種方案進行研究，不同頻率洪水運行工況下，消力池最大沖深斷面縱剖面如圖2所示。

圖2 設計體型沖刷情況圖

沖深點高程觀測成果如表1所示。

表1 不同工況河床最大沖刷深度對比表

觀測成果表明：各工況下，護坦出口部位的水流流速達到8.7～14.0 m/s，弗氏數大小在3.26～4.01之間，且無論是否對柔性消力池實施底部防護，柔性消力池內最大沖刷深度均低于其防護層底高程1 942.50 m，即設計方案出閘水流一定會沖破柔性消力池內防護層，導致防護失效，并可能引發較大的河床沖刷，存在較大的運行風險。

2 泄洪消能建筑物體型優化及試驗成果

體型優化的整體思路為：

(1) 減小護坦出口入池單寬流量與入池流速；

(2) 調整水流入池角度，改變護坦內水流下潛趨勢；

(3) 將閘后水躍調整至護坦范圍內，使水流進入消力池時流態相對穩定。

圖3 優化體型1圖 單位：m

優化體型1如圖3所示，閘孔出口與護坦采用圓弧銜接，圓弧半徑為30.0 m，圓弧后仍保持1∶6的底坡，將護坦后部的30 m調整為平坡段，出口高程定為1 957.50 m；將原護坦范圍內的分流隔墻調整為導流尾墩，尾墩長30 m，并沿程逐漸擴散，至尾墩尾部寬1 m，尾墩高度由7.5 m減小至1.0 m；

護坦與柔性消力池銜接采用跌坎底流式，跌坎高差7 m，消力池內仍采用四面體防護，消力池防護頂高程為1 950.50 m，防護厚度5.0 m。

優化體型1在不同頻率洪水與不同運行方式下的沖刷形態與特征值分別如圖4與表2所示，觀測成果表明，不同運行工況下水流流態整體呈底流銜接，出閘水流在分流隔墩作用下不會形成對沖水翅，整體流態良好，護坦出口處的水流流速降低至7.9～8.5 m/s，柔性消力池沖深平均值介于1 945.00～1 947.00 m之間，相對于原設計方案，沖刷程度明顯得到改善。

雖優化體型1已基本滿足要求，但仍存在底流水躍躍首不穩定、躍首位于柔性消力池入口部位、護坦出口處水流容易下潛等問題，因而模型試驗過程中對護坦出口高程分別為1 954.00、1 955.00、1 956.00 m進行了對比分析試驗。其試驗結果表明，當護坦高程取1 955.00 m時，水流下潛相對較少且能夠保證出閘水流在護坦上發生水躍，入消力池的水流流態能夠穩定平順。

圖4 優化體型1沖刷情況圖

洪水頻率P/%閘孔開啟方式出閘單寬流量/(m2·s-1)出護坦流速/(m·s-1)相對沖深/m0.29孔敞泄40.458.55.629孔局開3m39.578.2555孔局開4.8m39.127.94.7

此外，鑒于水流在護坦出口部位仍容易被下游靜水壓迫而下潛，模型試驗繼續對護坦出口體型進行了細部優化，得到優化體型2(如圖5所示)，具體為：護坦前45 m保持1∶6底坡，并設30 m長的分流尾墩，隨后銜接高程為1 955.00 m、長10.0 m的平段，在護坦出口銜接長度為5.0 m、坡度為1∶10的反坡小挑坎，護坦出口高程為1 955.50 m。

圖5 優化體型2圖 單位：m

當在護坦末端加設小挑坎后，護坦出口處的水流流速不會進一步減小，但護坦出口水流在經過出口反坡挑坎后，挑射流受下游表層水體擠壓后，下潛趨勢減弱，基本呈水平射流流態，水躍的躍首位置均位于護坦范圍內，因而消力池內沖刷程度會進一步減小，實測最大沖深點高程介于1 946.00～1 949.00 m之間，觀測成果如圖6與表3所示。

表3 不同工況河床最大沖刷深度對比表

圖6 優化體型2沖刷情況圖

圖7為P=2%頻率洪水下設計方案與優化方案2沖刷形態對比，觀測表明：優化方案2相對于設計方案沖刷形態有顯著改善，柔性消力池內底層防護基本完整，不會發生破壞，泄洪消能布置方式有效。

圖7 設計方案與優化方案2沖刷形態對比圖(P=0.2%)

3 結 語

本文采用模型試驗方法，對某擬建于深厚覆蓋層的攔河壩工程的泄洪消能布置方式進行了研究，并最終推薦采用“斜坡護坦+底流銜接+柔性消力池+局部防護”的泄洪消能模式，主要得到以下研究成果：

(1) 出閘水流需在斜坡護坦范圍內充分擴散，以減小護坦出口部位的入池單寬流量與水流流速，銜接水躍的躍首位置需盡量控制在護坦的中前部范圍。

(2) 斜坡護坦后需銜接水平段或反坡段調整水流流向，出閘水流不能整體呈下潛趨勢，否則會引起大幅沖刷。

(3) 柔性消力池需保證一定的規模以實現水流的充分耗散，其底部防護的厚度與方式均需模型試驗驗證。

參考文獻:

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