佛寺水库消能防冲物理模型试验研究

王志坤

（辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳110003）

1 工程概况

佛寺水库溢洪道位于主坝右岸，主要包括进水渠、闸室、泄槽、消能防冲设施、出水渠。消能防冲构筑物为50年一遇洪水标准（P=2%），相应泄流量为1 152 m3/s。消能设施采用差动式挑流鼻坎，位于泄槽末端，下游连接出水渠。消能，鼻坎段长14.55 m，坎宽35.0 m，鼻坎顶高程129.56 m，坎底高程127.56 m；防冲设施主要为出水渠两侧护岸工程，长300 m，采用格宾石笼护岸，护脚设计埋深1.5 m。

2 工程地质条件

根据地质勘察成果，水库库区范围内，岩性主要由震旦系硅质灰岩及中生界侏罗系上统吐呼噜组（J3t）喷出安山岩，角闪安山岩、集块岩、角砾岩、凝灰岩及灰色砂岩、砾岩、页岩等组成，第四系冲积的壤土、砂壤土分布在两岸台地和山坡上，冲积砂卵石层和砂土主要分布在河床中；溢洪道闸室上游右岸边坡可见弱风化岩石出露，强风化厚度变化较大；冲刷坑区表面为细砾石土，平均厚度为2.0 m，中部为强风化安山岩，平均厚度为2.5 m，底部为弱风化安山岩，岩体为块状结构，节理较发育，节理短小，多闭合。

3 物理模型试验方案

1）模拟范围。根据原型工程水流特点，其主要在重力作用下产生水力现象，为了确保模型与原型水力条件相似性，模型截取的纵向长度必须保证研究段流态不受影响，确定模拟原型范围为纵向长度1 200 m，横向宽度1 260 m。

2）模型类型。根据《水工（常规）模型试验规程》（SL/T 155—2012），该试验选用整体模型，采用正态恒定流模拟，即长宽高三个方向采用同一比尺。冲刷坑段为动床模型，其余部分为定床模型。

3）模型比尺。依据重力相似准则，结合试验场地和设备供水能力，确定试验模型长度比尺为Lr=50，流量 Qr=17 677.67 m3/s，糙率 nr=1.92，流速vr=7.07。

4）模型材质。目前，模型材质主要有木材、水泥、有机玻璃、塑料、金属及天然河砂等。通过糙率相似性分析计算，这次模型进水渠至差动式挑坎段采用机玻璃，出水渠段采用混凝土，并进行抹面压光。冲刷坑地质条件采用天然河砂，按原型地质抗冲流速相似性确定模型砂粒径，计算按公式1。

式中：V——抗冲流速；d——模型砂粒径；M ——5～7（取7）

经计算，细砾石土模型沙粒径为（0.10～0.40）mm，强风化安山岩模型沙粒径为（25～60）mm，弱风化岩体模型沙粒径为（60～90）mm。见表1。

5）观测方法。按原型泄流量1 152 m3/s放水4 h以上，待冲刷坑稳定后量取各物理量。冲刷坑平面距离采用激光测距仪和钢尺测量，冲刷深度采用水准和地形仪测量，流速采用智能流速仪和多普勒流速仪。各测点测读3次，取其平均值。根据模型比尺，将模型数据转化为原型数据，并绘制冲刷坑等高线。

表1 模型砂粒径计算表

4 模型试验成果分析

1）冲刷范围及冲刷深度。当遇50年一遇洪水标准，设计流量1 152.0 m3/s时，在挑坎末端5～60 m范围内形成锥形冲刷坑，冲刷坑呈左右对称分布，最大深度为9.23 m发生在中线处，冲刷坑段左右岸石笼护脚部位冲刷深度在2.17～6.35 m之间，范围在50 m范围内。见表2和图1。

表2 冲刷坑范围观测成果表

2）总挑距及后坡。总挑距为挑坎末端至最大冲刷深度位置的水平距离，量测总挑距为33.0 m。经计算，冲刷坑后坡为0.28。

3）消能效果分析。试验观测成果表明，差动式挑流鼻坎前端断面平均流速为12.12 m/s，弗劳德数Fr=2.21，水流流态为急流。水流经挑入空中后，水舌落入下游水体表面剧烈旋滚，并掺入大量气泡，形成水跃，跃后断面平均流速为0.74 m/s，弗劳德数Fr=0.74，水流经消能后呈缓流状态。弗劳德数计算采用公式2。

式中：Fr——弗劳德数；V——平均流速，m/s；h——平均水深，m。

图1 50年一遇洪水冲刷坑示意图

5 结语

通过这次试验，可以得出以下结论：当水库溢洪道泄流量为1 152 m3/s（50年一遇洪水标准），在距差动式挑坎末端5～60 m范围内形成锥形冲刷坑，最大深度为9.23 m，冲刷坑段左右岸石笼护脚部位冲刷深度均大于石笼护脚设计埋深，石笼护岸易发生破坏，应加大护脚埋深；水流经消能后呈缓流状态，消能效果良好。根据《水力计算手册》：“最大后坡=1/2.5～1/5，当冲刷坑后坡时，就认为冲刷坑不会危及坝身的安全”，该工程冲刷坑不会对差动式挑流鼻坎产生破坏。