福建省洋口水庫溢洪道模型試驗和挑流鼻坎優化研究

李昌垣

(江西省水利科學院,江西 南昌 330029)

0 引 言

溢洪道是水庫泄洪的主要建筑物,其建筑形式設計與布置的合理性關系到水庫的運行安全。為研究溢洪道的泄洪能力,分散挑流能量,改善沖坑形態,科研人員對泄流建筑物挑坎型式做出研究和改進,如提出差動式、寬尾墩式、窄縫式、舌瓣式等挑坎型式[1]。黃智敏等[2-4]研究了各型式挑坎,特別是差動式挑坎的水力學特性;虞佳穎等[5]重點研究了縱向錯落差動式挑坎;趙建坤等[6]通過模型試驗驗證了差動式鼻坎的消能效果。為驗證洋口水庫設計合理性并提出優化意見,本文開展了水庫模型試驗,包括水工模型試驗和局部動床沖刷試驗,選擇了差動式鼻坎的優化方案,優化方案下挑流水舌在縱向上前后距離拉長,可有效分散挑流能量,減輕對下游河道的沖刷,使下游沖坑形態得到改善。

1 工程概況

洋口水庫位于福建省南平市順昌縣,是一座以灌溉為主、兼有供水任務的中型水庫。正常蓄水位為298.00 m,相應庫容1 410萬m3。大壩設計為三心圓雙曲中厚拱壩,壩底高程241.00 m,最大壩高61 m,壩頂厚4 m,壩底厚14.406 m,壩頂總長183.733 m,其中左、右岸擋水壩段軸線各長73.956 m。溢流堰段軸線總長35.82 m。水庫溢流堰采用3孔表孔溢流,溢流堰堰頂高程294.30 m,溢流凈寬為33 m。每孔設置一扇平面鋼閘門作為工作閘門,閘門平面尺寸為10.86 m×4.90 m。堰頂頭部為橢圓曲線,下游堰面采用WES曲線,堰后接反弧段,反弧半徑為10 m,末端采用挑流消能,挑角為15°。溢流段下游壩腳設置厚1.5 m的C25混凝土護坦,用以減輕施工期洪水及運行期小流量對下游壩腳的淘刷。沖刷坑位于壩線下游50 m左右,該處河床寬約25 m,表層為砂礫石、漂石層,厚3.5 m左右,抗沖刷能力一般,基巖面高程約243.2 m?；鶐r面多為微風化的石英細砂巖,巖質堅硬,巖體較完整,工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置Fig.1 Layout of the project

2 模型設計與制作

水庫模型為正態模型,建造和試驗方法均參照水利部SL 155-2012《水工(常規)模型試驗規程》執行,按重力相似及幾何相似設計[7-8],幾何比尺定為1∶40,λL=λH=40,原型溢流堰表面糙率為0.014～0.016,模型溢流堰采用光滑有機玻璃制作,模型糙率為0.008左右,基本能滿足糙率相似性要求。模擬范圍為溢流堰上游庫區、拱壩、溢流堰及下游450 m河道。上游庫區的模型地形最高高程為305 m,下游河道的模型地形最高高程為260 m。為保證模型壩體的制作和安裝精度,采用高精度雕刻機切出壩體輪廓斷面板,安裝到位后形成壩體立體輪廓,再砌磚和填充水泥砌筑壩體;為加固壩身防止其位移,在壩體與地面的銜接上采用預埋鋼筋加固。

表1 模型試驗工況Tab.1 Test conditions of model

3 試驗結果分析

3.1 敞泄泄流能力

閘門全開時泄流成果如表2和圖2所示,試驗結果表明,三孔敞泄時,各流量下上游水位試驗值曲線在設計值曲線以下。其中,消能工況、設計工況以及校核工況的試驗上游庫水位分別為298.72,299.04 m和301.08 m,較相應的設計值298.86,299.20 m和301.22 m分別低0.14,0.16 m和0.14 m,溢洪堰泄流能力滿足設計要求。

表2 庫水位與流量關系(敞泄)Tab.2 Relation between reservoir water level and flow (open discharge)

圖2 庫水位與流量關系曲線(敞泄)Fig.2 Reservoir water level-flow relation curves (open discharge)

3.2 三孔閘控泄流能力

進行了三孔均勻局部開啟泄流試驗,設置三閘門開度e分別為0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 m和4.0 m,分別測得同一開度固定時的庫水位與流量間關系,試驗成果見圖3,反映了不同開度下的庫水位與流量關系。從水位和流量曲線可以看出,同一開度情況下,上游水位隨下泄流量的增大而增大,兩者基本呈線性關系,線條光滑。

圖3 庫水位-流量關系曲線(閘門局部開啟)Fig.3 Reservoir water level-flow relation curves (gate partially opened)

3.3 進口段流態

敞泄時,各工況下堰前進水口處水面平穩,無明顯波動,進水平順,流態總體良好,未見明顯不良水力現象,水流流經溢流堰時未見明顯不良水力現象。但是,由于閘孔徑向收縮以及邊墻擠壓的作用,橫向上水流深度不均勻,在校核工況下,出坎水流水位超過導墻末端高度,高出左邊墻0.26 m、右邊墻 1.20 m。

控泄時,堰前水面平穩,無明顯波動。常遇洪水工況下,三孔平面閘門迎水面出現一定強度的漩渦,漩渦在平面鋼閘門左右兩端,靠近閘門槽,水流流經溢流堰時未見明顯不良水力現象。

3.4 出口流態與消能防沖

原設計方案下,各工況均能形成挑流,挑流水舌均落于河道中間,水舌歸槽性好,未發生水流直接沖擊左右岸坡現象,挑流水舌入水處縱向上寬度小,單寬流量大,水舌入水遠點挑距與近點挑距十分接近,水流能量集中在一條線上,特別是在大流量工況下(校核、設計工況),對沖坑的淘刷作用非常明顯,沖坑內水體翻滾,將沖坑內砂石大量卷起并沖到下游。為準確模擬水流對下游河道的淘刷情況,所有工況的沖坑動床沖刷試驗均是在挑流穩定后,連續放水沖刷至少5 h,并將堆積在沖坑下游的砂石及時清除,待不再有砂石被沖起、沖坑形態基本穩定,再停水測量。各工況都有明顯的沖坑沖出,沖坑最深點基本在河道中央,存在的主要問題為:① 挑流水舌落入下游水面處縱向上寬度小,單寬流量大,水流能量過于集中;② 校核工況時下游河道沖刷嚴重,造成沖坑上游面較陡,沖坑底深度為16.51 m,沖坑底到壩趾距離為41.12 m,沖坑上游坡比為1∶2.49,未滿足規范要求,有可能影響壩體基礎安全。

4 挑流鼻坎優化

為改善挑流形態、分散挑流能量,對挑流鼻坎體型參數做出優化。差動鼻坎平面與剖面見圖4～5?？紤]到下游河道寬度小,水舌橫向分散的余地不大,設計方向定為增大水舌后縱向分散,增大水舌入水面積,減小縱向單寬流量,經多種方案試驗比對后,確定調整為差動鼻坎[9],利用高低坎分流作用將水流分開挑射,使其分成上、下兩層,水舌在垂直方向擴散,同時加強挑射水流在空中的碰撞、摻氣效果,從而減輕下游河床沖刷。方案以原設計堰面為低坎,新增加鼻坎的高坎寬度4.4 m,坎高1.5 m,高坎反弧半徑11.0 m,挑角θ1=21.45°,低坎挑角θ=15°,Δθ=6.45°,高坎起點與低坎起點均為原反弧段起點,挑流鼻坎優化后的試驗結果數據如表3所示。

表3 挑流鼻坎優化沖坑參數Tab.3 Parameters of scouring pit in differential flip bucket optimization design

圖4 差動鼻坎平面Fig.4 Layout of differential flip bucket

圖5 差動鼻坎剖面Fig.5 Section of differential flip bucket

加差動鼻坎后,水流經溢流堰時未見明顯不良水力現象,水流經過差動鼻坎后出坎水流穩定,在高坎和低坎分流作用下分成上、下兩層,兩層水流經在空中碰撞匯合,水舌形態呈內凹形,挑流兩側挑距明顯大于中間。試驗結果表明:采用差動鼻坎后,挑流水舌入水遠點與近點距離變大,入水面縱向寬度明顯加大,沖坑內水流翻滾劇烈程度變小,沖刷作用降低,沖坑形態好于原設計,消能效果較原設計大為改善。校核工況下,原設計與優化設計挑流形態對比見圖6～7,沖坑參數和形態對比見表4和圖8。

表4 挑流鼻坎優化前后沖坑參數對比Tab.4 Scour pit data of original design and differential flip bucket optimization design

圖6 原設計挑流水舌照片(校核工況)Fig.6 Picture of trajectory nappe in original design (check flood case)

圖7 差動鼻坎優化方案挑流水舌照片(校核工況)Fig.7 Picture of trajectory nappe with differential flip bucket optimization design (check flood case)

圖8 校核工況下沖坑沖刷后地形照片(高程單位:m)Fig.8 Picture of topography after washout of the pit in calibration condition

受挑流墜入水面以及地形影響,沖坑左、右岸在一定范圍出現較高的靠岸回流,流速不穩定,流速隨泄流量增大而逐漸增大,在校核工況下測得,沖坑左岸最大流速5.87 m/s,右岸流速5.77 m/s,發生位置在下游樁號X=0+30 m,而沖坑左岸山體以弱風化(允許抗沖流速4 m/s)的含長石變質石英細砂巖為主,右岸巖性主要為變質石英細砂巖,表層巖體呈強、弱風化狀(允許抗沖流速2～4 m/s),下游河道流速分布見圖9。因此,沖坑內產生的靠岸回流在兩岸岸坡附近形成的沖刷可能會對岸坡穩定產生一定影響,建議對兩岸坡腳加強防護。

圖9 校核工況下游河道流速分布(單位:m/s)Fig.9 Flow rate distribution of downstream river in calibration condition

5 結 論

通過水庫溢洪道物理模型試驗研究,結果表明:洋口水庫溢洪道在各工況下泄流能力達到設計要求,溢流堰進水口和溢流堰上水流總體平順,無明顯不良流態現象,堰型設計和布置合理。針對挑流水舌入水處縱向寬度小、單寬流量大,造成校核工況下游河道沖刷較嚴重的問題,提出了堰尾差動鼻坎優化方案,并通過試驗證明了優化方案極大地改善了消能狀況,減輕了對下游河道的沖刷,降低了安全隱患。根據校核工況下沖坑內靠岸回流流速大于允許抗沖流速的問題,對沖坑附近兩岸坡腳提出加強防護的建議。