某水庫工程泄洪排沙洞出口消能防沖方案模型驗證及優化設計

賈紅娟

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某水庫總庫容4910萬m3，其中興利庫容3510萬m3，調洪庫容115萬m3，淤積庫容1285萬m3。水庫大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高82.4m。樞紐采用溢洪道和泄洪洞聯合泄洪，水庫主要建筑物洪水標準按50年一遇洪水設計，相應洪峰流量Q2%=534m3/s；1000年一遇洪水校核，相應洪峰流量Q0.1%=957m3/s；經過調洪演算，校核洪峰流量經水庫滯洪消峰后的最大下泄流量為832.8m3/s。泄洪洞洞徑5.0m，按照水庫泄洪設計要求，在正常蓄水位(設計洪水位)情況下(1961.60m)，泄洪洞需滿足下泄流量為336.56m3/s，在校核洪水位(1962.25m)情況下，泄洪洞需滿足下泄流量為338.13m3/s。

2 泄洪排沙洞出口消能設計

泄洪洞由進口塔式進水口、洞身段、工作閘室段及出口消能段四部分組成。

2.1 泄洪洞出口消能型式比選

泄洪洞出口表層巖性為洪積砂卵礫石土，松散-稍密，主要組成物為卵石、礫石、砂、土，來源于兩岸基巖風化產物及高階地砂礫石，厚10～21m。下部及地基巖性為新近系上新統疏勒河組砂質泥巖夾礫巖，局部夾砂巖，巖性軟弱破碎，完整性差，遇水易軟化，強風化帶厚4～5m。根據地質條件，針對泄洪洞出口消能方式進行了理論比較。

2.1.1底流式消能型式

泄洪洞出口采用底流式消能6型式，斷面形式為擴散式矩形斷面。依據SL265—2016《水閘設計規范》，消力池消能計算結果見表1。

表1 底流消能計算結果表

經計算，泄洪洞出口消力池池長設計取值85m，池深7.5m，首端寬度6m，末端寬度20m。計算各工況均能安全泄流。

2.1.2挑流式消能型式

泄洪洞出口采用挑流消能型式，挑流水舌外緣挑距計算如下：

(1)

式中，L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，(°)；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計。

泄槽流程長度S與單寬流量q滿足S<18q2/3，鼻坎處平均流速v可按下式計算：

(2)

(3)

(4)

式中，V—鼻坎末端平均流速，m/s；Z0—鼻坎末端斷面水面以上的水頭，m；φ—流速系數；hf—泄槽沿程水頭損失，m；hj—泄槽各項局部水頭損失之和，m，可取hj/Z0為0.05；S—泄槽流程長度，m；q—泄槽單寬流量，m3/s。

泄槽流程長度S與單寬流量q不滿足S<18q2/3，鼻坎處平均流速v按推算水面線方法計算，即單寬流量除以泄槽末端斷面水深可近似得鼻坎斷面平均流速。

沖刷坑最大水墊深度計算：

T=kq1/2Z1/4

(5)

式中，T—自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q—鼻坎末端斷面單寬流量，m3/s；Z—上、下游水位差，m；k—綜合沖刷系數，取1.4。

泄洪洞出口挑流消能計算結果見表2。

表2 泄洪洞出口挑流消能計算結果表

經計算，泄洪洞出口挑流消能在各工況下均能安全泄流，沖坑邊坡系數約為1∶2.5，略不滿足沖坑處巖石穩定邊坡系數(1∶3～1∶6)。

經過以上計算，挑流消能沖坑邊坡系數雖然略不滿足穩定邊坡系數，但可以通過工程措施進行預防護。即鼻砍下游護坦采用預開挖方式護砌，護坦邊坡采用1∶1.5護砌，并依據計算沖坑位置和深度確定護坦水平長20m，護坦下游開挖面采用大粒徑(D≥500mm)鋼筋籠卵石拋填至弱風化線。通過該項措施完全可以保證鼻砍安全。

通過分析比較，泄洪洞出口采用底流消能方式，消力池較長，費用較高，所以本次采用挑流消能的方式。

2.2 出口消能段結構設計

工作閘室段出口與下游挑流消能段相接，挑流鼻坎段長12m，寬6.0m，弧半徑25.0m，挑角20°。挑流段進口底高程1887.90m，出口挑流鼻坎頂高程1889.11m。挑流段整體采用現澆C30鋼筋混凝土整體結構，過流面現澆C30鋼筋纖維混凝土厚800mm。洪水經挑流消能后至下游河道。

挑流消能段后接45m長護坦，寬6～34.67m，厚1.8m，下游齒墻深度16m，為現澆C25鋼筋混凝土結構。護坦后鋪設預制C20混凝土四面體，寬度34.67～48.64m，長20m。

依據消能工計算成果，挑砍下游沖坑邊坡系數略不滿足穩定邊坡系數，為保證挑流鼻砍安全，本次設計鼻砍下游護坦采用預開挖方式護砌。即護坦邊坡采用1∶1.5護砌，并依據計算沖坑位置和深度確定護坦水平長20m，護坦下游開挖面采用大粒徑鋼筋籠卵石拋填至原基弱風化線。

2.3 泄洪建筑物出口防護設計

本工程受地形地貌和地質條件影響，泄洪建筑物出口距大壩下游壩腳較近，且溢洪道與泄洪洞出口相鄰，容易造成壩腳和泄洪建筑物出口淘、沖刷破壞。本設計采用漿砌石護坡與鋼筋籠塊石防護相結合的措施來防止淘、沖刷破壞。

本工程建設期在大壩下游設有施工擋水圍堰，后期作為永久工程保留，將圍堰下游側左端50m長度段和泄洪建筑物出口兩側河岸邊坡采用貼坡式漿砌石防護，并在護坡腳鋪設鋼筋籠塊石。

3 水工模型試驗驗證

為驗證本工程布置及主要建筑物設計的合理性，對水庫樞紐進行了整體水工模型試驗，通過實驗，從水力學角度驗證樞紐及各建筑物布置及體型的合理性，提出布置及體型優化建議，對工程設計和施工提出優化建議。

3.1 原設計方案各工況水流流態與流速分布

為研究各設計工況下泄水建筑物下泄水流特點，試驗中觀測了各工況泄洪洞出口水流流態，量測了各特征斷面的水流流速分布。

3.1.1校核工況

在水庫泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水、Q0.1%=832.80m3/s工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至校核洪水位1962.25m，閘門開度2.48m。

出泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，但因挑坎高程及下游河道往復回流的影響，挑流水舌底部會間歇性受底部水體的影響；出溢洪道水流通過出口挑坎順利起挑，但同樣因挑坎高程及下游河道往復回流的影響，挑流水舌底部會間歇性受底部水體的影響。兩股水舌交匯后匯集為一股主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區，并補充受高速主流區卷吸帶走的水體。

出泄洪洞挑流水舌長度坎后56.00m，水舌最大高度12.4m；出溢洪道挑流水舌長度坎后56.00m，水舌最大高度8.80m；下游水流最大流速12.04m/s。

3.1.2設計工況

在水庫泄洪建筑物下泄50年一遇洪水、Q2%=534.00m3/s時，對水庫調度運行來說，可有不同的調度運行方式，即以溢洪道為主要泄洪通道或以泄洪洞為主要泄洪通道。考慮水庫地處西北地區，庫區來沙較多，應盡可能利用下泄洪水排沙，建議水庫運行時，應盡可能以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至設計洪水位1961.60m，此時閘門開度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，因以泄洪洞為主要泄洪通道，出泄洪洞水流在水舌落點后部形成一定范圍的急流區，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區對主流的擠壓，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄。受高速主流的剪切作用，在下游河道右側形成大范圍回流區。

出泄洪洞挑流水舌長度至坎后34.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌長度坎后32.00m，水舌最大高度5.20m；下游水流最大流速15.24m/s。

3.1.3消能防沖工況

在水庫泄洪建筑物下泄30年一遇洪水、Q3.33%=464.00m3/s時。基于上節考慮的庫區排沙問題，此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至設計洪水位1961.60m，此時閘門開度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，因以泄洪洞為主要泄洪通道，下游水流流態與設計工況基本相同，出泄洪洞水流在水舌落點后部形成一定范圍的急流區，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區對主流的擠壓，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄，因溢洪道側出流流量減小，出溢洪道水流所受卷吸作用更為明顯。受高速主流的剪切作用，在下游河道右側形成大范圍回流區。

出泄洪洞挑流水舌外緣至坎后40.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌長度坎后22.00m，水舌最大高度4.00m；下游水流最大流速15.01m/s。

3.2 修改方案試驗成果及分析

3.2.1原設計方案調整

根據試驗研究成果，因溢洪道及泄洪洞挑坎坎頂高程、挑射角度及下游回流影響，某些工況下，挑流水舌會間歇性受下游水體影響。且在以溢洪道為主要泄洪通道情況下，挑射水流進入下游河道后斜沖右岸，在右岸沒有防護措施或防護不當情況下有可能造成右岸岸坡嚴重沖刷甚至岸坡坍塌的情況。擬調整泄洪洞挑坎挑角20°-25°，并建議綜合考慮庫區排沙需求，盡可能以泄洪洞為首要泄洪通道。

3.2.2修改方案后水流流態與流速分布

(1)校核工況

修改方案下，在水庫泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水Q0.1%=832.80m3/s工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至校核洪水位1962.25m，閘門開度2.48m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調整挑坎高度及挑角后，挑流水舌偶受底部水體影響，且影響大為降低。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區對主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后56.00m，內緣距坎后47.60m，水舌最大高度8.80m；；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后66.40m，內緣距坎后46.00m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速15.27m/s。

(2)設計工況

修改方案下，在水庫泄洪建筑物下泄50年一遇洪水Q2%=534.00m3/s工況下，泄洪洞閘門局部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至設計洪水位1961.60m，此時閘門開度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區對主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，從流態觀察，強度大為降低。部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區，部分水體受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范圍回流區。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后38.40m，內緣距坎后26.80m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后28.00m，內緣距坎后23.20m，水舌最大高度6.40m；下游水流最大流速10.51m/s。

(3)消能防沖工況

修改方案下，在水庫泄洪建筑物下泄30年一遇洪水Q3.33%=464.00m3/s時。如前考慮庫區排沙問題相同，此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下，泄洪洞閘門全部開啟，控制溢洪道閘門使庫區水位至設計洪水位1961.60m，此時閘門開度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑，調整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區對主流的擠壓，與泄洪洞出流匯合后，下泄主流斜沖下游河道右岸，部分水體受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區。

出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后35.20m，內緣距坎后25.60m，水舌最大高度8.40m；出溢洪道挑流水舌外緣距坎后22.40m，內緣距坎后12.40m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速13.23m/s。

3.2.3下游局部動床模型及消能防沖修改方案試驗結果

根據類似工程壩址區地質資料中巖性與沖刷系數的關系，確定下游局部動床基巖對應允許抗沖流速2.00～3.00m/s。在原下游河道定床地形基礎上，結合各特征工況下泄水流下游流態，確定下游河道局部動床范圍，并按原地形鋪設模型沙。

本階段試驗中，在下游河道局部設置為動床時，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動床，沖刷河床，會在短時期內在下游河道內形成沖坑，下泄水流能量的消除主要為水墊塘消能。因此下游河道水流呈現不同于定床模型試驗的水流流態，下泄水流在水墊塘內消除大量能量后，受沖坑后泥沙二次堆丘的影響，主流偏向于左岸下泄，水流流態如圖1所示，水流對左岸沖刷較為明顯，需要加強對左岸岸坡及坡腳的防護。

消能工況左岸岸坡處水流最大流速4.17m/s，右岸岸坡處水流最大流速0.96m/s，壩后回流區最大流速0.32m/s；設計工況左岸岸坡處水流最大流速4.39m/s，右岸岸坡處水流最大流速0.64m/s，壩后回流區最大流速0.38m/s；校核工況左岸岸坡處水流最大流速2.81m/s，右岸岸坡處水流最大流速1.81m/s，壩后回流區最大流速0.47m/s。

各特征工況下游河道沖淤地形如圖2—7所示。

圖1 下游河道水流流態

圖2 下游河道泥沙沖淤情況(消能工況)

圖3 下游河道泥沙沖淤情況(設計工況)

圖4 下游河道泥沙沖淤情況(校核工況)

圖5 下游河道泥沙沖淤地形(消能工況)

圖6 下游河道泥沙沖淤地形(設計工況)

圖7 下游河道泥沙沖淤地形(校核工況)

根據前階段模型試驗情況，在下游河道局部設置為動床時，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動床，沖刷河床，會在短時期內在下游河道內形成沖坑，水流對左岸沖刷較為明顯。

為改善下游河道左岸沖刷明顯的狀況，根據上階段水流流態及河道沖刷情況，對泄洪洞消能方案進行調整。為盡可能使水舌遠離河道左岸，延長泄洪洞尾端平直段10.00m，即平直段末端由0+741.66m調整至0+751.66m。并考慮使出泄洪洞尾坎水流盡可能向右擴散，提前解除右邊墻的約束，采用切向挑坎，在保持原挑坎半徑及起挑位置基礎上，挑角由連續20°調整為右側20°、左側35°。泄洪洞尾部挑坎型式如圖8所示。

試驗結果表明，此泄洪洞消能型式修改方案確能起到使挑流水舌遠離下游河道左岸，降低左岸直接沖刷的效果。同時，下游回流沿左岸回掏左岸，形成左岸部分沖刷。

但需說明的是，此回流受下游二次堆丘的準確模擬、下游河床覆蓋層的準確模擬及下游河道前期泥沙沖刷均相關，主要是部分下泄水流主流不能沿主河槽順利下泄引起，存在隨機及不確定性，只能判定左岸有受回流淘刷的風險。需要加強對左岸岸坡及坡腳的防護與監測。

此方案下，校核工況下游河道泥沙沖淤地形如圖9所示。

4 結論

根據水工模型試驗泄流存在問題，調整泄洪洞出口挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水體的影響，出泄洪洞水流能通過出口挑坎順利起挑，改善了主流偏向左岸的情況。在下游河床固定床面情況下，挑射水舌未能在下游形成沖坑及水墊塘，因消能不充分造成下游水流流態惡劣；在下游局部動床模型試驗中，下游河道水流流態有所改善，說明挑流消能體型設計時應充分考慮下游地形及下泄水流在各工況下的實際流態情況，確定最終下游河道防護方案。

圖8 泄洪洞挑坎型式

圖9 下游河道水流流態及河道泥沙沖淤情況(校核工況，消能方案修改)