改善泄洪放空洞挑流消能效果的试验研究

孙东坡，曹 帅，宋永军，吴新宇

(华北水利水电大学，河南 郑州450045)

某水库设计洪水位1 061 m，校核洪水位1 063.67 m，死水位1 042 m，设有溢洪道与泄洪放空隧洞.泄洪放空隧洞全长303.63 m，洞身设计为城门洞型无压隧洞，末端设挑流消能工.隧洞包括进水塔、明流隧洞段、出口泄槽段、挑流段和出口护坦.消能工为连续式挑坎，反弧半径35 m，挑角25°，坎顶高程1 020.89 m.放空洞下游为一弯道，挑坎轴线斜对河道右岸防护堤，堤后为施工方营地.为保证右岸防护堤的安全，须对设计方案中的挑流消能工的挑流消能效果及下游河道流态做进一步深入分析.

1 研究方法

研究对象为放空洞挑流消能工，涉及范围包括部分库区、放空洞全部及下游部分河道，如图1所示.采用水力模拟方法进行试验研究.根据泄洪放空洞的运用特点，水力模拟采用正态水工模型进行试验研究，泄流建筑物采用有机玻璃制作，下游河道为动床模拟.模型设计中，水流遵循重力－惯性力准则，兼顾紊动阻力相似;下游河床质遵循泥沙起动相似选择模型沙粒径比尺，同时还考虑了气候对水流黏性的影响［1］. 模型按《水电水利工程常规水工模型试验规程》(DL/T 5244—2010)设计，模型主要控制比尺见表1.

图1 泄洪放空洞下游平面布置

表1 模型设计比尺

2 研究成果及分析

2.1 泄洪放空洞泄流能力

泄洪放空洞闸门全开泄流时，进口处为压力流，其后逐渐转变成无压流;随着水库水位增高，放空隧洞过流能力逐渐增大，实测库水位－流量关系曲线如图2所示.

图2 闸门全开时库水位－流量关系曲线

2.2 原设计方案泄洪放空洞挑流消能特点

水库放空洞在校核洪水位时闸门全开，全洞为急流，洞身段水流顺畅，挑流段出口形成自由挑射水舌，流速最大可达30 m/s，如图3所示.

图3 校核洪水时挑流水舌及下游流态

出挑流鼻坎后射流水股直冲右岸防护堤，水舌跌落后引起水面剧烈波动，形成水垫塘;同时还形成长达30 ～40 m 的冲刷坑，最大冲刷深度15 m 左右，冲刷最深点距挑流鼻坎下游55 m. 设计洪水位(1 061.00 m)及校核洪水位(1 063.67 m)时挑流水舌、下游河床冲刷及涌浪等相关水力数据见表2.

表2 泄洪放空洞挑流消能及冲刷水力要素统计

由于水舌入水点距右边岸很近(30 ～40 m)，形成对右岸强烈的波动冲击，水流顶冲岸坡的位置正对营地，涌浪波动幅度平均2.3 m.顶冲边岸的水流部分反转，顺右岸防护堤形成强度很高的顺时针环流，边岸回流流速达2. 2 ～4. 2 m/s，最大流速达5.0 m/s，冲刷深度一般在5.0 ～7.0 m;在涌浪和边岸回流的共同作用下，右岸洪水位明显偏高，校核洪水时有部分右岸防护堤漫溢.

受跌落水舌的摩擦影响，水舌左侧也有环流产生，但回流范围、回流强度与边岸冲刷都明显低于右岸，回流流速一般为1.2 ～2.3 m/s，局部冲刷深度一般为3.2 ～4.3 m.挑射水流在冲刷河床形成冲坑的同时，还将泥沙推向下游形成沙坎.水流冲刷防护堤护岸坡脚，冲深较大，一般为1.65 ～5.20 m;下游左岸山根近岸流速一般在1.6 ～2.5 m/s，近岸冲刷深度一般为0.6 ～2.5 m，设计洪水时挑流水舌下游河床冲刷地形如图4所示.

图4 设计洪水时下游河床冲刷地形

由于挑射水流直冲河道右岸防护堤，水舌跌落后引起水面剧烈波动，波浪爬坡较高，危及防护堤后的施工营地安全［2］，因此有必要对对泄洪放空洞下游挑流消能工进行适当的体型调整.

2.3 存在问题及解决思路

原设计挑坎中心线与洞轴线重合，出挑水流冲刷下游河床形成冲坑，泥沙推向下游河道形成拦沙坎，水舌入河道后受拦沙坎顶冲，冲向右岸防护堤，护岸处涌浪爬越岸坡顶.由图3可以看出，顶冲水流部分贴右边岸下行，大部分顶冲水流折转越过沙坎左侧，冲向下游左岸山体，被山体顶冲后又折向河道右岸防护堤，因此在营地护岸转折附近形成淤积区.

为了减小挑射水流入水后顶冲河道右岸护岸坡脚的威胁，降低下游形成的拦沙坎和涌浪爬坡高度，应该尽量使挑射水流能顺着河道，沿护岸下行，这就需要将挑流坎向左扭转，使挑流坎轴线偏离放空洞轴线一定角度，使挑射水股轴线与下游河道方向基本一致.针对放空洞末端原设计方案存在的问题，提出对挑流鼻坎进行如下改进:①泄洪放空洞在距出口11 m 处开始，其轴线向左侧扭转，转角为32°，形成转角挑流坎;②挑流段出口处宽度由原来的9 m缩窄为8 m，起到束高、送远水流的作用;③挑流段左、右侧均设计为圆弧边墙，使挑流段水股在弯道段平顺转向;④新方案挑流坎底部为扭面，在距泄洪放空洞出口8 m 处，设一个三角体，以抬高右侧水流，平衡离心惯性力［3］.

优化后的挑流鼻坎设计如图5所示.新方案的扭面转角设计不仅可以避免挑流水舌对出口下游右岸堤防的顶冲，消除爬坡涌浪，挑射水股转向左侧，还可以减轻右边岸的回流淘刷，保证护岸后的营地安全.

图5 修改方案设计鼻坎平面布置及A—A 剖面(单位:m)

2.4 优化方案试验成果

2.4.1 洞身及挑流流态

修改挑坎后的泄洪放空洞内流态稳定，水深及净空余幅都满足规范要求［4］. 经修改后挑流段中心线相对洞身轴线向左偏转32°，挑流段底板改为适应弯道离心力影响的扭曲面. 不同水力条件的放水试验表明，在挑流段水股平顺转折，在挑坎处稳定出挑，且束窄后的出口使挑流水舌挑得更高.在挑流段水流受离心惯性力影响，形成与扭曲面一致的水面横比降，如图6所示;凹岸水深低于设计边墙，出流顺畅.挑流水舌形成明显偏向左侧的转折，如图7所示.出挑坎后，挑射水流偏转角度较大. 与原方案相比，设计洪水时的水舌中心入水点向左偏离洞轴线31.2 m，挑高平均增大2 m，水舌左侧射程比右侧略低，形成纵向拉长的入射区;基本实现了挑射水流轴线与下游河道的平行，水舌入水后主流沿基本河道相对平顺传播，有关水力要素见表3.

图6 设计洪水时优化方案挑流段流态

图7 设计洪水时优化方案水舌及下游流态

2.4.2 下游河道流态及消能冲刷

挑射水流入河后不再顶冲右岸堤防，大大减轻了顶冲右岸的涌浪和边岸回流强度，使右岸洪水位明显降低;设计洪水与校核洪水时，右岸洪水位降低3 ～5 m，均低于右岸现状堤防.由于水舌左偏，对右岸堤防顶冲威胁减弱，岸边水流的波动也基本消失;右侧回流强度大大衰减，边岸流速一般为0. 7 ～2.5 m/s，与原设计相比降低38% ～56%.仅左侧回流强度及鼻坎附近左侧边岸流速略有增大，右岸河床冲刷大大降低.当设计洪水位(Hs=1 061.00 m)与校核洪水位(Hj=1 063.67 m)时，优化方案的相关水力要素数据见表3.

表3 优化方案的相关水力要素数据

修改后的挑流水股入河后，与河道走向一致，出流顺畅.与原方案相比，该方案形成的挑流射程及冲刷坑深度基本相同，但冲刷坑最深点明显向左岸偏移37 m，因此右边岸涌浪与回流强度大大减弱，防护堤不再受顶冲威胁，对堤防的沿岸淘刷比原设计方案减轻许多，冲刷深度一般为2.0 ～3.6 m. 模型试验中下游河道河势及洪水后河道冲淤地形如图8—9 所示.由表3及图8、图9可以看出:优化方案解除了水流顶冲护岸坡脚的威胁;右侧回流减弱，涌浪基本消失;优化后的扭面转角挑流鼻坎使挑射水流的消能效果更好;冲刷坑向左侧移动，原设计方案冲坑下游形成的拦沙坎消失，下游淤积高度降低，解除了原设计方案鼻坎下游河道的严重壅水现象;下游河道主流方向与右岸堤防近似平行，水流下行顺畅.

图8 优化方案泄洪放空洞下游河势

图9 优化方案泄洪放空洞下游河道冲淤地形

3 结 语

1)采用水力模拟方法研究了某水库泄洪放空洞泄流状况及下游消能、冲刷、流态等问题.

2)泄洪放空洞原轴向布置与下游河道边界不相适应，隧洞末端挑流水舌跌落后会引发水流顶冲右岸防护堤及涌浪波动强烈、流态恶劣等问题［5］.

3)通过分析研究，提出了将挑流鼻坎向左转角32°的优化方案，并采用束窄出口及圆弧扭面衔接的技术，调整挑射水流方向，有效地保证了下游消能安全，同时避免了主流顶冲右岸堤防.由于消除了拦沙坎，下游出流平顺，边岸涌浪基本消失，大大降低了下游洪水位，削减了边岸回流强度与淘刷，保证了右岸施工营地的安全.

［1］解伟，孙东坡.伊洛河偃师城区段二期水面工程河工模型研究报告［R］.郑州:华北水利水电学院，2001.

［2］孙双科，刘之平.小湾水电站大型导流洞改建泄洪洞研究［J］.水力发电，2001(1):26－31.

［3］吴持恭.水力学:上册［M］.3 版. 北京:高等教育出版社，2003.

［4］水利部东北勘测设计研究院. SL 279—2002 水工隧洞设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［5］王才欢，张元良.水布垭水利枢纽放空洞158 水工整体模型终结试验研究报告［R］.武汉:长江科学院，2002.