樓莊子水庫溢洪洞體型優化試驗研究

張 軍， 劉景瑞

(新疆水利水電勘測設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究背景

隨著西北地區水利工程建設的快速發展,中高壩數量不斷增加,高速水流問題與工程運行安全息息相關。水利工作者尤其關注泄洪建筑物的消能防沖設施。依據泄水建筑物高流速水力學理論，挑流鼻坎的形式直接影響挑流水舌形態，挑流水舌形態是決定下游沖刷的關鍵。為了驗證挑流鼻坎的合理性、經濟性，通常采用水工模型試驗進行驗證，且已獲得良好的研究成果[1-2]。

國內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]對舌形挑坎和短邊墻挑坎的水舌流態進行了數值模擬，提出不同挑坎體型的水舌空中擴散規律；王均星等[17]通過龍開口水電站模型試驗得出大差動-舌形挑坎方案消能防沖效果較優，其挑坎水舌縱、橫向均有擴散，擴散效果較好；陳小威等[18]通過長溢廟水庫溢洪洞模型試驗驗證了舌形鼻坎橫向擴散水流分布均勻，有效解決了下游河床沖刷問題。針對樓莊子水庫工程砂、泥巖互層軟巖的地質特性，為減小下游沖刷，保證出口右岸邊坡安全，并驗證溢洪洞布置和出口消能工體型的合理性和可能性，通過水工模型試驗分析了原設計溢洪洞布置存在的問題，提出了溢洪洞進口、出口優化體形及舌形挑流鼻坎消能工方案，且驗證了其優越性。目前，將舌形挑坎運用到實際工程的經驗較少，本工程取得良好的模型試驗結果，可為同類工程的設計提供參考。

2 工程概況

樓莊子水庫位于新疆頭屯河上游，為“十三五”期間重點水利工程，其主要任務是灌溉、下游防洪和城市供水等。水庫總庫容為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、出水口。基巖為中侏羅統灰綠色砂巖泥巖互層，為軟巖，洞身圍巖類別主要為Ⅳ類。進口WES堰控制段寬6.0 m，頂高程1 391.0 m，正常運行時采用弧形工作閘門擋水。隧洞段斷面(城門洞形)尺寸由6.0 m×6.0 m(寬×高)漸變為5.0 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。原設計方案泄槽末端設挑流消能連續鼻坎，鼻坎長18.5 m，寬5.0 m，挑角為30°，下游連接混凝土護坦。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，對洪溝對岸進行了開挖處理。

3 研究方法

根據重力相似準則設計試驗模型[3-7]，采用正態模型，模型幾何比尺為 1∶40。模型水庫兩岸山體地形和下游河道由水泥砂漿拉毛制作而成，溢洪洞進口段用水泥砂漿制成，溢洪洞建筑物用有機玻璃制作。

為了揭示泄洪消能沖淤規律，下游河床采用動床模擬方法，天然河床部分及溢洪洞出口泄洪渠部分的河床質均采用散粒體進行模擬。試驗的2種特征工況為：(1)工況1，設計洪水位，庫水位1 397.41 m；下泄流量246.6 m3/s；(2)工況2，校核洪水位，庫水位1 397.63 m，下泄流量256.0 m3/s。

4 試驗結果與分析

4.1 溢洪洞原設計方案試驗結果與分析

4.1.1 泄流能力試驗結果分析 首先對原設計方案溢洪洞的泄流能力進行試驗測試，對校核洪水位及設計洪水位閘門全開時的溢洪洞進出口水力特性及下游河道水流流態和沖淤形態進行了觀測，泄流能力設計值與試驗值對比見表1。

表1 原設計方案溢洪洞泄流能力設計值與試驗值比較

由表1可見，溢洪洞模型實測泄量小于設計泄量，在設計和校核水位時，兩者差值為61.92～63.55 m3/s，占相應設計泄量的25.11%～24.82%。為進一步分析泄流能力不足的原因，試驗中在堰寬不變的條件下，將校核洪水位提高至1 399.05 m，以滿足設計流量256 m3/s的要求。試驗結果表明溢洪洞WES堰泄洪過流能力不足，不符合設計要求，為水庫大壩安全運行帶來隱患。

4.1.2 挑流水舌特性結果分析 將庫水位提高至1 399.05 m，溢洪洞下泄流量達到設計要求泄量256 m3/s，對水舌形態與挑距進行了觀測分析。

原方案溢洪洞校核泄量工況水舌形態見圖1。試驗中觀測到，校核洪水位對應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，水舌擴散后右側部分沖砸河床右岸邊坡。試驗結果表明，原方案挑坎縱向不能形成窄縫水舌，橫向也未拉開擴散，導致入水集中，且沖砸岸坡。

圖1 原方案溢洪洞校核泄量工況水舌形態

4.2 溢洪洞優化方案試驗結果與分析

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，針對溢洪洞原方案存在的問題，考慮從樞紐布置角度對溢洪洞軸線平面位置、進出口結構體型尺寸等方面進行優化調整。為解決水舌沖砸河床右岸邊坡的問題，初擬將溢洪洞出口軸線向河床移動20 m。為了使溢洪洞泄量滿足設計要求，且減少進口石方開挖量，初擬維持進口溢流堰堰寬6.0 m不變，而將WES堰頂高程降低1.5 m，即從原設計堰頂高程1 391.0 m下降至1 389.5 m。再通過模型試驗進一步驗證優化后溢洪洞方案進口過流能力及出口水舌特性，探尋下游河道沖淤形態規律。

4.2.1 泄流能力試驗結果分析 針對優化后溢洪洞進口泄洪過流能力進行試驗測定， 對校核洪水位及設計洪水位閘門全開時的溢洪洞進出口水力特性及下游河道水流流態和沖淤形態進行了觀測，泄流能力設計值與試驗值對比見表2。

表2 優化方案溢洪洞設計值與試驗值比較

由表2可見，優化方案溢洪洞模型實測過流能力大于設計過流能力，差值為36.43～39.4 m3/s，設計泄量余幅14.77%～15.39%，試驗結果表明：在溢流堰寬為6 m條件下，堰高降低1.5 m，進口泄流能力滿足設計要求，且有一定余幅，具有一定的安全系數。

4.2.2 優化軸線方案出口水舌特性分析 試驗針對調整溢洪洞軸線后的優化布置方案出口挑流水舌特性進行試驗分析，溢洪洞優化布置方案水舌流態及沖淤形態見圖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。試驗結果表明：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，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。試驗結果表明：溢洪洞出口水舌消能不充分，沖砸河床嚴重，將導致下游河道的嚴重沖淤，影響下游行洪安全。

4.3 鼻坎體型優化試驗結果與分析

針對原設計溢洪洞方案及優化溢洪洞軸線方案出口水舌均擴散不充分、沖砸河床嚴重、下游河道嚴重沖淤的問題，試驗對鼻坎體型進行了優化。體型優化主要從樞紐布置特點、消能區地形特征及溢洪洞水力條件進行豎向及橫向擴散消能試驗。

4.3.1 豎向擴散消能優化試驗結果分析 首先采用窄縫式鼻坎進行豎向擴散消能試驗，試驗進行了豎向擴散方案1及方案2兩個體型方案測試，試驗結果見圖3。

圖2 溢洪洞優化布置方案水舌流態及沖淤形態

圖3 豎向擴散方案水舌流態

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

4.3.2 橫向擴散消能優化試驗結果分析 豎向擴散消能效果不佳，則考慮試驗鼻坎體型修改為橫向擴散消能體型。由于溢洪洞出口下游河道消能區寬度有限，因此，挑坎只能適度擴散，確保不影響河床右岸邊坡穩定安全。試驗先將鼻坎兩側邊墻進行了兩個角度的擴散，隨后在大擴散角的基礎上將兩側邊墻縮短，同時將鼻坎底板末端做成舌形，其分別為橫向擴散方案1、橫向擴散方案2和橫向擴散方案3。為了進一步驗證舌形鼻坎的合理性，試驗對橫向擴散方案3的水舌形態和下游河道沖淤形態進行觀測分析。各橫向擴散方案試驗結果見圖4。

圖4 橫向擴散方案水舌流態及沖淤形態

由圖4(a)可見，方案1擴散角為4.46°，靠近邊墻的部分水流受到邊墻的約束而水深較大。試驗結果表明：由于鼻坎擴散角較小，水舌橫向擴散不充分，入水偏集中，消能防沖略不足。由圖4(b)可見，方案2擴散角為6.088°，橫向擴散角略有增大，邊墻對水流的影響有所減弱，試驗結果表明：由于擴散角有所增加，水舌橫向擴散基本充分，且擴散水流不影響河床右岸邊坡安全。由圖4(c)可見，方案3在方案2的基礎上，適當縮短邊墻長度并將底板出口做成舌形后，試驗結果表明：挑流水舌橫向擴散充分、連續而平滑，入水橫向寬度增大，進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定。

方案3校核洪水位對應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))。試驗結果表明：水舌形態較原設計方案得到明顯改善，擴散充分，水舌沖擊壓力減小，下游河道沖淤明顯減輕，相對于原設計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 論

(1)針對原設計溢洪洞方案進行水力特性研究，結果表明，溢洪洞進口泄流能力不足，出口挑流水舌部分沖砸河床右岸邊坡；通過優化，保證原設計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計要求且余幅達到15.39%～14.77%。調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、橫向擴散消能均不充分，導致沖砸下游河床而產生嚴重淤積。

(2)針對出口挑流消能工體型，進行豎向擴散消能及橫向擴散消能共5個方案模型試驗優化。試驗表明，由于鼻坎佛汝德數過小而不能形成窄縫水舌，豎向擴散不充分；鼻坎橫向擴散角為6.088°時，擴散效果較優，鼻坎調整為舌形，水舌連續平滑、擴散充分，入水寬度增大，進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定。