溢洪道轉彎出水渠體型及出口防沖措施優化研究

劉艷華，王一帆，李仲權，曹 智

（1.云南建設基礎設施投資有限公司麗江水網公司，云南 麗江 650500；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；4.安徽省招標集團股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 概述

對溢洪道等泄水建筑物而言，體型設計及消能防沖一直是研究的重點。為確保溢洪道內流態和下游防沖能滿足規范要求，其設計方案常通過數值模擬或水工模型實驗多次優化確定。隨著除險加固工程的增多，許多老舊工程需要增設新的泄水建筑物。而這些新建筑物受已有工程或地形的限制，往往需要設置轉彎段。彎道水流難免受慣性離心力影響，導致橫斷面水深與流量分布不均、水流流態復雜。周勤等［1］對“S”型溢洪道進行了模型試驗和數值模擬研究，經試驗優化后的斜檻布置改善了溢洪道水流流態，減小了橫向超高。周錫發等［3］通過系列模型設計，在彎曲段采用底板橫向超高組合導流墻的工程措施，降低了泄槽段彎道水流沖擊波的不利影響，使入池水流流速分布均勻。郭紅民等［4］采用數值模擬方法對不同沖坑預挖結構的防沖效果進行了對比，提出了可靠的消能防沖優化方案。王月華等［5］基于Flow-3D 軟件結合物理模型試驗研究消力池流場，對實際工程的消能方案設計提供了有益的指導。楊磊［2］，何志亞等［6，7］通過物理模型試驗與數值模擬相結合的方法，驗證了工程設計方案的可行性，并結合模型試驗優化了消能防沖措施。

因此，合理地選擇和設計溢洪道彎曲段的布局、體型和出口消能防沖方案，對溢洪道正常運行和工程量的大小都有重要意義。依托懷安縣西洋河水庫除險加固工程，主要研究了溢洪道轉彎出水渠體型參數變化時，出水渠的流態、流速等水力學參數及出口防沖效果的變化情況，并在此基礎上選擇了合適的轉彎出水渠體型及出口防沖措施。

1 工程概況

初設方案下，西洋河水庫除險加固工程的新建溢洪道，由進水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和出水渠組成，軸線總長473.8 m，最大泄量806 m3/s。新建溢洪道通過出水渠轉彎將下泄水流在京新高速前導入下游河床，轉彎角度達54°。初設方案下溢洪道泄槽出口采用底流消能，消力池為等寬矩形下挖式混凝土結構，總長63.4 m；池深4.5 m，與泄槽采用1∶4.0 的斜坡連接；消力池出口下游防沖段橫斷面為梯形，渠底采用厚0.5 m漿砌石護砌，邊坡為1∶2漿砌石護坡。消能防沖段總長94.5 m，轉彎半徑180 m，防沖槽深度2.0 m，防沖槽后采用1∶5 斜坡段，在樁號Y0+339.9 m 斷面與出水渠相接；出水渠橫斷面為梯形，底部高程91.9 m，頂部高程96.9 m。底部寬度由42.20 m 漸變至70.00 m，渠底采用厚0.5 m 漿砌石護砌，兩側岸坡為1∶2 鋼絲石籠護坡。為防止出口水流沖刷河床，出口接長30 m、寬100 m、厚度0.5 m鋼絲石籠護底。

初設方案溢洪道縱剖面布置如圖1 所示，平面布置如圖2所示。

圖1 溢洪道縱剖面布置圖（單位：m）Fig.1 Profile of initial design of the spillway

圖2 溢洪道平面布置圖（單位：m）Fig.2 Layout of the initial design of the spillway

2 初設方案模型試驗成果

2.1 模型制作

為論證工程布置及水力設計的合理性，尤其是溢洪道轉彎出水渠型式以及消能防沖措施的合理性，根據《溢洪道設計規范》（SL253-2018）［8］，針對初設方案進行了水工模型試驗。水工模型制作遵照《水工（常規）模型試驗規程》［SL155-2012］［9］，按重力相似準則設計成正態模型，幾何比尺λL=35。試驗工況按照100 年一遇設計洪水標準及1 000 年一遇校核洪水標準設計，對應上游水位分別為113.71 m與115.02 m，對應泄流量分別為569.0 m3/s與806.0 m3/s。

為了測試下泄水流對下游河床及京新高速大橋橋墩的沖刷影響，模型中也模擬了從出水渠出口起算，向下游共計12 排橋墩及下游河床。模型河床粒徑依設計院資料按模型比例尺換算后為0.02 mm及0.22 mm，深度為43 cm（原型15 m）。

2.2 模型實驗成果

試驗工況下溢洪道泄槽段無不利水力現象，設計泄槽段邊墻高度能滿足要求；消力池內均發生完全水躍，池內漩滾發育，消能充分。

消能防沖段與出水渠段最高水位均未超過對應位置的護砌頂高程，但相對渠道軸線表現出不對稱流態。彎道水流受離心力的影響，消能防沖段主流明顯偏向軸線左側，使渠內水流呈現左深右淺狀態。同時由于水流對邊墻的不對稱沖擊，渠內水流出現波狀分界，在渠道兩側邊墻附近出現回流，左岸回流邊線在兩種水位下均位于岸坡坡腳處，右岸回流邊線在設計水位下位于坡腳左側17 m 左右，校核水位下位于19.2 m 左右。消能防沖段流態如圖3 所示。出水渠段未見明顯回流，但左側水面仍明顯高于右側。

圖3 初設方案消能防沖段流態Fig.3 Flow pattern in energy dissipation section of the initial design

設計水位及校核水位下，防沖槽入口處底部流速分別為4.41 m/s 和4.44 m/s。兩種水位下槽內呈左側淘刷右側淤積形態，且左側已沖刷殆盡至槽底。消能防沖段與出水渠段流速總體上呈現出軸線流速大，兩岸流速較小且不對稱分布的規律。校核水位下消能防沖段與出水渠底部最大流速分別為6.74 m/s和6.86 m/s，漿砌石護底不能滿足規范規定的抗沖要求。

設計水位和校核水位下，出水渠出口石籠均受到沖刷破壞，出口處最大沖深分別為4.3 m 和8.1 m。下游河床最大沖深分別為5.7 m 和6.9 m。出口水流擴散后，左側水流沖向京新高速大橋橋墩，其最大沖深均出現在第二排橋墩處，沖深分別為2.1 m 和2.3 m。初設方案出水渠出口及下游河床沖刷如圖4所示。

圖4 初設方案出水渠出口及下游河床沖刷Fig.4 Scouring of the downstream riverbed of the initial design

初設方案物理模型試驗表明：兩種水位下渠內流態均較差；校核水位下消能防沖段及出水渠段渠底防沖不滿足要求；出水渠出口石籠大量沖毀且京新高速大橋橋墩處沖刷較嚴重。因此需要對轉彎出水渠體型及出口防護措施進行優化。

3 轉彎出水渠體型優化

由初設方案模型試驗成果可知：校核水位下防沖槽內左側沖刷已至槽底，如采用該方案，需進一步加深或擴挖防沖槽。而出水渠內流態相對較好，流速仍在可控范圍之內。因此考慮在消力池后取消消能防沖段（相應取消防沖槽），直接設置平坡出水渠，將溢洪道消能防沖的重點放到出水渠出口斷面。同時考慮到初設方案中出水渠梯形斷面對水流約束較差，擬將其橫斷面改為矩形斷面，渠頂高程95.0m，并將渠道護底方式改為混凝土護砌以滿足抗沖要求。以此思路設計了轉彎出水渠體型優化布置方案，并采取數值模擬方法對優化方案的可行性和合理性進行了分析。

3.1 數值模擬成果

采用FLOW-3D 軟件對設計水位（H上=113.71 m）工況出水渠體型優化方案進行數值模擬。模型采用k-ε 紊流模型，自由液面追蹤采用TruVOF 法，采用有限體積法進行離散。計算模型整體分為上游水庫、溢洪道泄槽段、消力池、出水渠、下游河床5 個部分，網格劃分采用非結構化網格，總網格數約為354 萬個。計算模型如圖5所示。

圖5 數值模擬計算模型Fig.5 Schematic diagram of numerical simulation model

數值計算得到的出水渠流速、水深分布如圖6所示，典型斷面流速如圖7所示，出水渠典型斷面水深、流速如表1、2所示。

圖6 數值模擬出水渠內流速水深分布云圖Fig.6 Cloud atlas of velocity &water depth

圖7 數值模擬出水渠典型斷面流速Fig.7 Velocity of typical section of outlet channel

表1 出水渠體型優化方案典型斷面水面線（H上=113.71 m）mTab.1 Water surface profile of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

由數值模擬結果可知：出水渠體型優化方案下，轉彎出水渠內水流較為平順，兩側岸邊未出現回流，渠內水面高程未超過渠頂。出水渠軸線底流速較初設方案略有增大，但未超過混凝土襯砌的抗沖流速。成果表明體型優化方案具有可行性，隨后采用物理模型試驗進行了進一步驗證。

3.2 體型優化方案模型試驗成果

以數值計算推薦體型進行了物理模型試驗。設計水位工況體型優化方案物理模型試驗與數值計算渠內水流流態如圖8所示。可見渠內水流流態平順，兩側未見明顯回流，兩者流態結果吻合較好，表明數值計算模型合理，成果可信。

圖8 出水渠體型優化方案渠內水流流態對比Fig.8 Flow pattern comparison in outlet channel of shape optimization scheme

表2 出水渠體型優化方案典型斷面流速分布（H上=113.71 m）Tab.2 Velocity of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

出水渠體型優化方案模型試驗中，典型斷面流速及水深與初設方案對比如表3、4所示。

表3 初設方案與出水渠體型優化方案典型斷面底部流速對比 m/sTab.3 Velocity comparison of shape optimization scheme &initial design

表4 初設方案與出水渠體型優化方案典型斷面水深對比 mTab.4 Water depth comparison of shape optimization scheme &initial design

由表3、4 的試驗結果可知：出水渠體型優化方案渠內流速較初設方案整體增大，但改用混凝土襯砌后可以滿足防沖要求；出水渠體型改為矩形斷面平坡渠道后，對水流束窄效果明顯，各典型斷面水深增加明顯，且流態得到改善。出水渠體型采用矩形斷面平坡方案可行。

3.3 出水渠推薦體型

綜合考慮數值模擬與模型試驗成果，轉彎出水渠推薦體型如下：消力池出口下游樁號Y0+244.30 m 斷面～樁號Y0+458.80 m 斷面直接設置平坡出水渠段，總長94.5 m。出水渠橫斷面為矩形，底部高程91.9 m，兩側岸坡渠頂高程95.0 m。底部寬度由42.20 m漸變至70.00 m，轉彎角54°，轉彎半徑180 m。渠底采用厚0.5 m混凝土護砌。

4 出口防護措施優化

4.1 出口防護優化方案

初設方案模型試驗結果表明，初設方案設置的下游出口防護不足以保證下游河道和京新高速大橋不受宣泄水流影響。而出水渠體型優化試驗又表明，出水渠平坡方案出水渠出口流速明顯增加。因此需要對出水渠體型優化方案下的出口防護方案進行進一步優化。

鑒于初設方案出口設置的單層石籠被嚴重沖毀，出口左側水流偏左且流速偏大，大橋橋墩沖刷明顯，擬采取出口石籠加厚以及延長左岸岸坡的方案進行下游防護優化模型試驗。其中石籠加厚方案在出口一定范圍內鋪設3 層或2 層石籠，其余仍鋪設1層石籠。左岸岸坡延長方案考慮在石籠加厚方案的基礎上，適當延長左岸岸坡，使得出口左側水流延遲擴散，以減小對橋墩的直接沖刷，從而保護橋墩。

4.2 出口防護優化試驗成果

試驗中對石籠加厚范圍以及左岸岸坡加長長度進行了多組次的組合。試驗成果表明：兩種方案下出口沖刷均較初設方案得到明顯改善。僅石籠加厚方案下出口左側水流仍可以直接對第二排橋墩產生沖擊；但左岸延長方案下出口左側水流并沒有直接沖擊橋墩，對其防護安全有利。校核水位下僅石籠加厚方案與左岸延長方案出口流態如圖9所示。

圖9 校核水位不同防護方案出口下游流態Fig.9 Downstream flow pattern at different protection scheme

比較分析各組合方案下的試驗數據及結果，最終推薦出口防護措施優化方案如下：

（1）左側岸坡延長16 m；

（2）石籠鋪設范圍：順流向長28 m、寬度90 m。單個鋼絲格賓石籠尺寸2.0 m×2.0 m×0.5 m（長×寬×厚），采用每3 個（或3 個以上）成串的方式進行聯結；

（3）石籠鋪設厚度：左側出口向右側42 m范圍內，順水流向28 m 鋪設3 層；延長段后左側6 m 寬，順水流向12 m 鋪設3 層；右側出口向右側寬度6 m，順水流向28 m 鋪設2層；右側出口向左側寬度28 m，順水流向18 m 鋪設1 層；順水流向10 m 鋪設2層。石籠下鋪設0.1 m 厚墊層，石籠頂面與出水渠底面高程齊平。

試驗中出口防護措施優化方案與初設方案下游沖刷特征值如表5所示。

表5 不同出口防護方案下游沖刷特征值比較 mTab.5 Downstream scouring comparison at different protection scheme

由表5 數據可知：出口防護措施優化方案不僅可以有效保證石籠在校核水位下不被沖毀，而且橋墩在設計與校核水位下最大沖深分別較初設方案減小0.87 m和0.76 m。成果表明出口防護優化方案的防護效果明顯，可作為設計推薦方案。

5 結論

在模型試驗基礎上結合FLOW-3D 數值模擬，針對初設方案的不足之處，提出并驗證了轉彎出水渠體型優化方案，進而推薦了相應的出口防護優化方案。論文主要成果如下：

（1）西洋河水庫新建溢洪道通過出水渠轉彎將下泄水流導入下游河床，轉彎角度達54°。初設方案物理模型試驗表明渠內流態均較差，渠底防沖不滿足要求，出口石籠大量沖毀且高速大橋橋墩處沖刷嚴重。需對轉彎出水渠體型及出口防護措施進行優化。

（2）利用FLOW-3D 軟件與模型試驗相結合，對西洋河水庫除險加固工程新建溢洪道轉彎出水渠進行了體型優化研究，結果表明：出水渠平坡方案下渠內水流平順、流態良好，流態較初設方案明顯改善；雖渠內底部流速較初設方案有所增大，但改用混凝土襯砌后可以滿足防沖要求。綜合考慮數值模擬與模型試驗成果，推薦了轉彎出水渠體型。

（3）考慮初設方案設置的出口防護方案效果、轉彎出水渠推薦體型下出口水流特性，結合模型試驗多種組合方案的試驗數據及分析結果，最終推薦了可行的出口防護優化方案，可有效防止對京新高速大橋橋墩的沖刷危害。