吊洞水庫工程溢洪道模型試驗優化

張笮娜，符怡森，袁麗娜

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著壩工建設的快速發展，近年來新型消能工不斷出現，其中挑流消能已成為高水頭、大單寬流量泄水建筑物的主要消能措施。目前主要的挑流消能技術有連續式消能工、差動式消能工、窄縫消能工或聯合消能工等形式。對于狹窄河谷地形的拱壩，表孔挑流消能容易產生向心集中問題，流速大且水股集中，能量較大，不妥善處理，將會導致下游河床和岸坡沖刷嚴重，而差動式挑坎能有效地在空中消能，控制射流的落水位置和范圍，能較好地保護岸坡和減輕對河道沖刷。但泄洪建筑物對消能工體型要求嚴格，體型不合理會帶來水舌形態不穩定、空化、下游沖刷等一系列問題，需要通過模型試驗或模擬等方法對消能工體型進行優化調整。通過對吊洞水庫溢洪道水工模型試驗工程實例，運用水工模型試驗相關理論知識，根據實驗相關成果對溢洪道差動式消能工體型進行優化設計。

1 工程概況

吊洞水庫位于丹寨縣興仁鎮擺泥河上，工程任務為工業供水、城鎮供水和農田灌溉。水庫校核洪水位744.25 m，總庫容2210萬m3，正常蓄水位742 m，興利庫容2012萬m3。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。

水庫樞紐主要建筑物由碾壓砼拱壩、壩頂開敞式溢洪道、左岸壩身放空底孔、右岸取水口等建筑物組成。

溢流表孔沿拱壩中心線對稱布置，為有閘控制的開敞式表孔，設三孔8 m×7 m弧形鋼閘門，堰頂高程735 m，溢流前沿凈寬24 m，最大單寬泄流量為55.4 m3/(s·m)，閘墩最大厚度3.5 m、最小厚度1.6 m，上游圓形墩頭半徑為1.75 m。

溢流堰采用WES實用堰，堰頂下游的堰面曲線為：y=0.09529x1.85，堰面曲線前接x2/2000+y2/1200=1的橢圓曲線，后接半徑為9 m的反弧段，出口采用挑流消能，坎頂高程726.525 m，挑角α=10°。

2 模型設計及制作

水力學模型試驗采用正態整體模型，按重力相似設計，選定水工模型的幾何比尺Lr=1∶50。模型地形部分采用斷面板法控制，水泥砂漿抹制，其高程誤差控制在±2 mm，平面誤差控制在±10 mm。壩體用樣板控制，磚砌、水泥砂漿抹制而成，閘門、底孔用柏木制作。溢流堰面按溢流曲線用樣板控制，采用水泥砂漿刮制，邊墩用水泥制作，其高程誤差控制在±0.3 mm。

3 設計方案試驗

3.1 堰面流態

設計方案庫區水流流經溢流表孔時，左右兩邊孔的水流出現擾動，其中左、右邊孔受取水口和底孔閘門井的影響，使得經過左、右邊孔的水流擺動，并且隨著下泄流量的加大，左、右邊孔內的擺動水流范圍也在加大，當下泄流量達到校核流量時，左、右邊孔的擺動水流的擺動范圍超過了2/3的孔口寬度。

3.2 泄流能力

模型試驗在各級流量下分別對溢流表孔各特征流量的泄流能力進行測試，其成果見表1。

表1 設計方案溢流面特征流量水位流量關系成果

由試驗看出：當下泄流量達到校核流量1350 m3/s時，試驗庫水位為744.39 m，比設計庫水位高0.14 m。

3.3 下游流態及沖刷情況

溢流堰后接連續式挑坎，堰頂與挑流鼻坎高差為6.671 m，挑流鼻坎的反弧半徑僅為9.0 m。在P=3.33%洪水頻率時，反弧最低點水深2.80 m，反弧半徑為水深的3.21倍；在設計流量P=2%時，反弧最低點水深2.81 m，反弧半徑為水深的3.20倍；在校核流量P=0.2%時，反弧最低點水深4.89 m，反弧半徑為水深的1.84倍。根據《水力計算手冊》(第二版)R=(4～10)hc和長江科學院提出的自由挑射最小反弧半徑公式Rmin=23h/Fr，判斷反弧半徑偏小，反弧段控制水流挑射作用不明顯，故在各級流量下，下泄水流在鼻坎處起挑的效果不明顯。

下泄水流入水后形成的涌浪，掏刷兩岸坡腳，同時由于河床狹窄，下泄水流單寬流量大、動能大，使得各級洪水流量下，下游河床形成較大的沖刷坑。由于溢流表孔的中心線略偏向下游河床左岸，下泄水流也是偏向左岸的，所以河床左岸的沖刷坑深度大于右岸沖刷坑深度。下游沖刷成果見表2。

表2 設計方案表孔下游沖刷成果表

3.4 設計方案試驗主要結論

(1)各級流量下，左、右邊孔受取水口和放空底孔閘門豎井的影響，溢流水流在孔內擺動，并且隨著下泄流量的加大，擺動范圍也逐漸加大。

(2)溢流表孔在設計工況下，試驗庫水位低于設計庫水位0.02 m；在校核工況下，試驗庫水位高于設計庫水位0.14 m。故溢流表孔的泄流能力不滿足設計要求。

(3)由于溢流堰面反弧半徑僅有9.0 m，且鼻坎與堰頂的落差為8.475 m，造成反弧水深過大，挑流效果不明顯。

(4)溢流表孔中心線略偏向左岸，致使下泄水流也偏向左岸，造成下游河床左岸坡腳的下切深度大于右岸坡腳的下切深度。而且河床較為狹窄，下泄水流的入水單寬流量較大，造成下游河床較大的沖刷坑深度和岸坡下切深度。在校核洪水流量(P=0.2%)時，下游沖刷坑最低點高程648.26 m，最大沖刷坑深度19.74 m，其后坡比1∶9.52，左岸坡腳最大下切深度16.52 m，右岸坡腳最大下切深度9.57 m。

4 修改方案試驗及成果分析

修改方案主要解決問題為：(1)左、右邊孔過堰水流平順的問題。(2)下泄水流攜帶巨大能量泄入下游河床，造成下游河床形成巨大的沖刷坑和岸坡下切。

采取的措施為取水口閘門井左側前沿的直角設置成半徑1.0 m的圓弧，在放空底孔閘門井右側前沿直角設置成半徑1.0 m的圓弧，使得通過閘門井的水流平順進入溢流左、右邊孔，水流平順后泄流能力也會有所增加。同時考慮挑流鼻坎修改為梯形差動式鼻坎，達到使出坎水流縱向拉開,橫向擴散，增大下泄水流的入水面積，減小入水單寬流量，從而減小沖刷坑深度和岸坡下切的目的。

4.1 差動式齒坎體型選擇

在溢流表孔鼻坎處設置4種差動式齒坎消能工。經試驗，各級頻率洪水，高坎與低坎水流上下層次明顯，各孔出坎水流為馬蹄形，出坎水舌的縱向拉開效果較好。試驗情況見表2、表3。

表2 差動式齒坎成果表

表3 下游沖刷情況比較表

4.2 差動式齒坎方案比較

(1)方案1的齒坎高度為3.0 m,各級流量下，在齒坎的作用不明顯，尤其是在校核工況下齒坎上水舌較厚，下游沖刷坑深度及兩岸坡下切深度與設計方案差不多。

(2)方案2的齒坎高度為4.0 m，每孔齒坎位置居中。該齒坎的高度較為合適，使得出坎水流較為充分起挑和擴散，水舌入水的單寬流量就減小了，沖刷坑深度和兩岸坡下切深度也有明顯的改善。由于溢流表孔齒坎的高度為4.0 m，堰頂與鼻坎的落差為4.475 m，如果繼續再增加梯形齒坎的高度，則將使得堰頂和鼻坎落差進一步減小，下泄水舌的挑流效果更加不好。故選定溢流表孔輔助消能工梯形差動齒坎的高度為4.0 m。

(3)方案3溢流表孔梯形齒坎的尺寸是采用方案2的尺寸，在設置上則為左齒坎靠左邊墻，右齒坎靠右邊墻。主要是考慮下游河床狹窄，兩岸坡下切深度較大，將梯形齒坎向兩邊墩靠攏后，則會進一步使下泄水舌向河床中央集中，減小對兩岸坡腳的沖刷。在試驗中，左右兩邊孔的出坎水流與中孔出坎水流在空中有更大程度上的碰撞，空中消能效果比方案2好一些。使得兩邊孔出坎水流向河床集中，但未增加下游河床的沖刷坑深度。

(4)考慮到溢流表孔中心線偏向左岸，造成下泄水流也偏向左岸，使得左岸坡腳下切深度比右岸坡腳深。為進一步減小左岸坡腳的下切深度，方案4是在方案3的基礎上，再次修改左邊孔梯形齒坎的形狀和位置，使梯形齒坎在一定程度上起到貼角的作用，左邊孔孔內水流完全從齒坎右側泄出。試驗中，校核工況下左岸坡腳下切深度較方案3減小了1.14 m。故采用齒坎方案4。

4.3 修改方案成果分析

(1)試驗表明，取水口和放空底孔閘門井迎水段直角修改為圓弧，圓弧連接曲線的設置，使得各級流量下，經過取水口和放空底孔閘門井進入左、右邊墩的水流均較原方案平順流入，且孔內擺動水流的現象也大大減弱了。

(2)在校核工況下，試驗庫水位僅比設計庫水位高0.02 m，已基本滿足設計的需要，說明溢流表孔左、右邊孔流態的改善，對大壩的泄流能力略有增加。

(3)溢流表孔梯形差動式齒坎的設置，使溢流表孔出坎水流縱向拉開，增大了水舌的入水單寬面積，減小了入水水舌的單寬流量，從而減小了下游河床沖刷坑深度和兩岸岸坡下切深度。特別是左右邊孔的梯形坎緊靠左右邊墩，使得左右邊孔下泄水流與中孔下泄水流有更加充分碰撞，消耗下泄水流攜帶的能量，進一步減小了兩岸坡腳的下切深度，尤其是左岸坡腳的下切深度有明顯的減少。

5 結語

(1)新型挑坎的挑距和沖坑深度與傳統的連續式挑坎計算成果相差較大，由于挑坎型式不同，導致水流能量分配方式也不同，挑距及沖坑深度也不同。因此通過理論分析和模型試驗相結合的方法來對挑坎型式進行優化設計更加必要。

(2)根據工程實際地形及建筑物布置，造成下泄水流偏向時，可考慮非對稱布置差動式挑坎，能較好地達到保護岸坡的目的。

(3)工程實際運用表明吊洞水庫溢洪道采用差動式挑坎，經過水力學計算和水工模型試驗研究所確定的優化方案，能夠很好地解決下游消能及沖刷問題。