龍英水庫溢流壩挑流消能工優化試驗研究

覃 培，張小飛，黃佳敏，肖天培

（廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530000）

0 引言

龍英水庫大壩溢流采用挑流消能，采用連續式鼻坎，鼻坎頂高程為837 m，反弧半徑R 為10 m，挑射角取30°。由于下游河道寬在25 m 左右，為避免水流沖刷岸坡，初步設計將溢流壩導墻兩側各向內收縮25.9°，并在反弧段設置長為10 m的調直段，調直段與鼻坎連接，鼻坎前沿寬度20 m。根據龍英水庫溢流壩導墻收縮角對泄流水力特性影響的試驗成果，當導墻收縮角大于20°時，需要采用工程措施改善挑坎處流態，改善挑流水舌的形態和穩定性，減小霧化和下游的沖刷，因此，有必要對龍英水庫溢流壩挑流消能工進行優化。

挑流消能是泄水建筑物常用的消能方式，對挑流消能工的設計已很成熟，但由于高速水流與其過水建筑物相互作用的復雜性，國內外對挑流消能工的研究一直沒有停止，對挑流消能工體型進行了大量的研究工作，已經由傳統的連續式挑坎、差動式挑坎發展出了寬尾墩、窄縫、扭曲斜切坎以及燕尾坎等多種表現優異的新型挑坎[1]；李元杰等[2]根據黃家灣水利樞紐工程的特點，研究提出了一種新型非對稱轉向收縮差動式挑坎，以適應工程地形地質條件、樞紐布置和泄水建筑物的運行要求，試驗表明消能效果較好，并能有效控制射流落入下游河床的位置；陳雪冬[3]提出異型斜切鼻坎挑流消能工，并采用模型試驗的方法對挑流消能挑射水舌進行研究，認為影響其挑射水舌形態的主要因素為右側圓弧邊墻轉彎半徑、高坎處的挑射角度。這些研究是針對導墻沒有收縮或收縮角很小的挑流消能工進行的，龍英水庫溢流壩收縮角為25.9°，遠大于常見范圍，水流具有其特殊性，因此，有必要對挑流消能工開展試驗研究，為龍英水庫溢流壩挑流消能工優化設計提供依據。

1 模型設計與試驗流量

1.1 模型設計

水工模型試驗按重力相似準則進行設計，采用正態整體水工模型，模型幾何比尺采用Lr=80，其它水力要素比尺按《水工（常規）模型試驗規程》（SL155-2012）重力相似準則的要求確定，具體如下：

流量比尺：Qr=Lr5/2=57 243.34

流速比尺：Vr=Lr1/2=8.9 443

時間比尺：Tr=Lr1/2=8.9 443

糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0 758

測量主要儀器設備：流速量測采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀，脈動壓力量測采用DJ800 多功能監測系統，時均動水壓力量測采用連通測壓管。

1.2 試驗流量

為了分析不同挑流消能工布置方案在下泄各級流量時水流形態和消能效果，對不同挑流消能工布置方案分別測試了包括校核洪水（Q=837 m3/s）、設計洪水（Q=574 m3/s）和消能防沖設計洪水（Q=464 m3/s）在內的9個流量（見表1）。

表1 模型試驗流量

2 初步設計推薦方案試驗

初步設計推薦方案消能方式采用挑流消能，將溢流壩導墻兩側各向內收縮25.9°，并在反弧段設置長為10 m 的調直段，調直段與鼻坎連接，鼻坎前沿寬度20 m，采用連續式鼻坎，鼻坎頂高程為837 m，反弧半徑為10 m，挑射角取30°。

敞泄校核、設計、消能防沖設計和10 年一遇洪水時的流態分別見圖1～圖4。

試驗觀測表明：受兩側導墻向內收縮的影響，水流在收縮段的邊墻處產生沖擊波，由于下泄水流流速較大，沖擊波波角很小，沖擊波幾乎沒有向中間傳播，而是沿導墻積聚成兩股水流向下流動，造成導墻附近的水面出現明顯壅高。隨著沖擊形成的水流在導墻內壁流動并沿程疊加，導墻附近的水面壅高呈沿程不斷增加的趨勢。在挑坎處，沿兩側導墻向下流動的兩股集中水流和沿壩面下泄的水流在挑坎反弧段處交匯，交匯的3股水流相互碰撞，產生向上躍起的水冠，水冠不穩定，出現左右擺動。下泄較大流量時，擺動的水冠會拍打和沖刷下游兩側河岸。由于水冠的存在，挑流水舌不規則、不穩定。

下泄各級試驗流量時，均能形成挑流，沒有出現水流沿挑坎末端漫溢現象；挑流水舌落在下游河床中部偏左岸，部分水流沖擊左岸山體，下游河道內水流湍急，流速較大，流態復雜。根據挑流水舌的形態判斷，大流量時挑流會產生較強的霧化。

綜合上述，溢流壩挑坎的坎高、挑角和反弧半徑基本合理，挑坎的布置需要進一步進行優化。

圖1 敞泄校核洪水（Q=873 m3/s）流態圖

圖2 敞泄設計洪水（Q=574 m3/s）流態圖

圖3 敞泄消能防沖設計洪水（Q=464 m3/s）流態圖

圖4 敞泄P=10%洪水（Q=389 m3/s）流態圖

3 挑坎分流墩優化試驗

3.1 挑坎分流墩布置方案

為改善挑坎處由于兩側導墻收縮形成的兩股水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的水流不穩定，避免或減輕挑流水舌對兩岸的沖刷，減輕霧化。根據初步設計推薦方案挑坎處水流的流態，提出了在挑坎段設置分流墩的試驗方案。為優化分流墩的布置，做了多種方案的嘗試性試驗，在分流墩的體型方面，試驗了在豎直方向為Y形、倒梯形和矩形3種墩型，從試驗結果來看，和矩形分流墩相比，Y形、倒梯形分流墩在消除挑坎處水流碰撞產生的水冠方面效果不明顯，而且增加了分流墩在結構上的復雜性，因此，分流墩的體型建議采用矩形墩。對矩形分流墩的布置，試驗共測試了4個分流墩布置方案。

（1）方案1。采用1個分流墩，分流墩布置在挑坎段兩側導墻的中間，分流墩的厚度為1.2 m，長度、頂高程和導墻的調直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾和兩側調直段導墻末端齊平。

（2）方案2。采用2 個分流墩，2 個分流墩等間距布置在兩側導墻之間，與兩側調直段導墻成平行布置，體型和方案1 的相同，長度、頂高程和導墻的調直段相同，墩尾和兩側調直段導墻末端齊平。

（3）方案3。采用2 個分流墩，2 個分流墩等間距（以墩尾距離計，下同）布置在兩側導墻之間，每個分流墩分別與相鄰側的調直段導墻成一定夾角，體型和方案1的相同，長度為13.2 m，頂高程和導墻的調直段相同，墩尾和兩側調直段導墻末端齊平。

（4）方案4。采用2 個分流墩，2 個分流墩等間距布置在兩側導墻之間，每個分流墩分別與相鄰側的調直段導墻成一定夾角（9.7°），分流墩的厚度為1.2 m，長度為11.2 m，頂高程和導墻的調直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾距離挑坎末端3 m。

3.2 試驗結果

（1）方案1采用單一分流墩不能實現將沿兩側導墻向下流動的水流與沿壩面下泄的水流的有效分隔，挑坎處流態與無分流墩時的相比，沒有明顯改善。

（2）方案2采用2個分流墩，分流墩能較有效地將3 股水流分隔，挑坎處水流流態與無分流墩時相比有明顯改善，但由于分流墩與沿兩側導墻向下流動的兩股水流交角較大，水流撞擊分流墩后沿分流墩面出現較大的躍升，挑流水舌不夠穩定。下泄設計洪水時，方案2挑流流態見圖5。

（3）為減小左右兩股水流撞擊分流墩后沿分流墩面躍升的高度，增加挑流水舌的穩定性，方案3將2 個分流墩分別與相鄰側的調直段導墻成一定夾角，經試驗比較，夾角在9.5°～10°之間時，分流墩的分流效果和挑流水舌的流態均較好，試驗最終選用了9.7°。下泄設計洪水時，方案3挑流流態見圖6。

圖5 方案2敞泄設計洪水（Q=574 m3/s）挑流態圖

圖6 方案3敞泄設計洪水（Q=574 m3/s）挑流態圖

（4）方案3的分流墩在分流和改善挑流水舌的流態方面有較好的效果，但挑坎末端水舌的流態不夠平穩，為了進一步改善挑流流態，經試驗比較，方案4在方案3的基礎上，分流墩向上游方向延長了1 m，而尾部縮短了3 m，最終選定的分流墩的厚度為1.2 m，長度為11.2 m，頂高程和導墻的調直段相同，上游采用三角形墩頭，墩尾距離挑坎末端3 m。方案4分流墩的布置見圖7和圖8。

方案4 進一步改善了挑坎末端挑流水舌的流態，減小了水流向中間集中，挑坎末端水流分布更均勻，挑流水舌更穩定，有利于下游的消能防沖和降低霧化。下泄設計洪水、消能防沖設計洪水時，方案4挑流流態分別見圖9和圖10。

圖7 方案4分流墩推薦方案平面示意圖

圖8 方案4A-A剖視圖

圖9 方案4敞泄設計洪水挑流態圖

圖10 方案4敞泄消能防沖設計洪水挑流態圖

從方案4下泄各級洪水時挑坎上的水流和挑流水舌的流態來看，在下泄消能防沖設計及以下洪水時，挑坎上的水流和挑流水舌的流態均較好；在下泄設計及校核洪水時，沿兩側導墻向下流動的兩股水流撞擊分流墩后沿分流墩面躍升的高度高于分流墩，躍起水流由于脫離了導墻和分流墩的約束而不夠穩定。下泄設計洪水時，躍起水流較小、不連續；下泄校核洪水時，躍起水流較大、躍起高、連續、不夠穩定，但躍起水流沒有直接打在岸坡上，主要是對霧化產生影響。方案4 下泄各級洪水時，挑流水舌入水處均在河道中部略偏左岸，下泄校核、設計和消能防沖設計洪水時測得的挑流挑距分別為61.2、53.96和47.56 m。經動床試驗，下泄設計和消能防沖設計洪水時，對應的沖坑深度分別為11.41和10.73 m，沖坑后坡（挑距/沖坑深度）分別為5.91和5.54，沖坑不至于直接危及大壩的安全。

4 結論

（1）對初步設計推薦的挑流消能工進行優化。在挑坎處設置矩形分流墩可以改善沿兩側導墻向下流動的水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的挑坎處水流不穩定，避免或減輕挑流水舌對兩岸的沖刷，減輕霧化。

（2）采用等間距布置2 個分流墩，每個分流墩分別與相鄰側的調直段導墻成9.7°夾角，可以較好地解決沿兩側導墻向下流動的水流和沿壩面下泄水流碰撞引起的挑坎處水流不穩定問題，在下泄各級洪水時挑坎上的水流和挑流水舌的流態均較好，沒有出現直接危及大壩安全的水流現象。