某泥石流防护工程泄洪建筑物优化试验研究

高宗昌，花立峰

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000 ；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

某泥石流防护工程的总库容1228万m3。泥石流防治标准为100a一遇，淤积高程1340m，对应泥石流淤积库容998万m3，最大坝高51m，主体工程由挡水坝段(砂砾石均质坝)和泄水坝段(混凝土蜂窝坝)组成。挡水坝段左岸坝长200m，右岸坝长256m，泄水坝段坝顶长84m。水库洪水设防标准为50a一遇(洪峰流量407m3/s)设计，1000年一遇(洪峰流量772m3/s)校核。

泄水坝段包括中间62m蜂窝坝段和两侧各11m宽的箱型挡土墙。蜂窝坝段由两孔泄洪底孔和表孔溢洪道构成。

泄洪底孔由上游进水通道、涵洞、出口消能防冲段、下游整治段组成。上游进水通道长103.5m，采用分层进水形式，进水口的高程为1300.43～1333.25m，分10层布置，两孔泄洪底孔共20个进水口，进水口的尺寸分为3m×2.24m(宽×高)和3m×2.55m(宽×高)2种，设钢格栅。涵洞段为矩形钢筋混凝土箱涵结构，进口采用无闸控制的自由出流形式，顶部为圆弧渐变连接，孔口尺寸为3m×2m(宽×高)，洞身尺寸4m×3m。出口消能段由12.5m的陡坡段、38m长的消力池和13.3m长的防冲段组成，陡坡段坡度为1∶3.5，底宽由4m渐变为14.8m。消力池段采用矩形结构，池宽14.8m，池深2.5m。

表孔溢洪道宽62m，主要由泄水台阶段和台阶出口消能段组成。溢洪道堰顶宽2.0m，堰顶高程为1340m，泄槽下游采用台阶消能，共设有5级台阶，每级消能台阶的步高为5.8m，步长为14.0m，台阶与蜂窝坝钢筋混凝土网格结合。台阶下游共设5个消力池，其中2个I型消力池与泄洪底孔共用，3个II型消力池与I型消力池间隔布置。I型消力池池长为50.5m，池宽14.8m，II型消力池池长为28.5m，池宽分别为10.85m、10.7m、10.85m，池深均为2.5m。

为验证泄水建筑物泄流能力、泄洪底孔分层进水时的水力学参数、表孔溢洪道泄水台阶水力学参数和不同型式消力池联合消能效果，进行水工模型试验研究。

2 模型设计与制作

按照水工模型试验要求，根据重力相似准则，模型设计需要满足几何相似、水流运动相似和动力相似，模型几何比尺Lr=50。相应流量比尺Qr=17677.6695，流速比尺Vr=7.07107，糙率比尺nr=1.91938。为了观察泄水建筑物的水流流态，溢洪道、泄洪底孔及消力池等建筑物用有机玻璃制作。下游河道模型动床冲料采用天然河沙来配制。

表1 水工模型试验典型工况

3 试验工况

泄水建筑物主要由泄洪底孔和表孔溢洪道构成。泄洪底孔进口底高程为1299.4m，表孔溢洪道堰顶高程为1340.0m，只有当水位高于1340.0m时，表孔溢洪道才参与泄洪。结合上游不同的水位流量情况和泥石流淤积后泄洪底孔及库容淤堵情况，试验工况见表1。

4 原设计方案试验成果分析

试验对原设计的泄洪建筑物的泄流能力进行了率定，观测了泄洪底孔没有淤堵时校核洪水位溢洪道和泄洪底孔联合运用(表1序号①)和水库水位1340m时泄洪底孔单独运用(表1序号②)时流态、流速和压强分布。观测了泄洪底孔淤堵后校核洪水位溢洪道单独运用(表1序号③)和泄洪底孔没有淤堵时校核洪水位溢洪道和泄洪底孔联合运用(表1序号①)时流态、流速和压强分布。

4.1 泄流能力

(1)泄洪底孔的泄流能力。经模型实测，原设计方案泄洪底孔校核洪水位(1342.30m)时的泄量为319.00m3/s比设计计算值268.30m3/s大50.70m3/s，占设计值的18.90%；在运行前期，库水位为1340m时，2泄洪底孔实测泄量为310.49m3/s，比设计值260.70m3/s大49.79m3/s，占设计值的19.10%，泄流能力偏大。根据公式计算特征水位的流量系数为0.818和0.819，流量系数基本合理。

(2)溢洪道的泄流能力。原设计方案溢洪道在底孔淤堵后校核洪水位1344.00m时，溢洪道实测下泄流量为901.13m3/s，较设计值660m3/s大241.13m3/s，占设计值的36.53%；溢洪道在校核洪水位(1342.30m)时的泄量为343.9m3/s，较设计计算值287.8m3/s大56.1m3/s，占设计值的19.49%；总体看，溢洪道实际运用时，其泄流能力满足设计要求。

4.2 水流流态

4.2.1 泄流底孔水流流态

(1)分层进水口。试验观测到，就分层进口前的流态来看，随着进口顶板以上水深的变化，每一层进口上缘附近都会形成不同程度的漩涡流态。在水库运行前期，底孔有压孔口前的水位与分层进口前的库水位虽有不同程度的跌落，但其变化规律是一致的，这种水面跌落是由分层进口至有压孔口之间的局部损失造成的。在水库运行后期，随着淤积高程的增大，有压孔口前的水位与分层进口前的库水位之间的落差也逐步增大，这时，在分层进口与有压孔口前形成跌流消能区；当只有第十层孔口进流时，有压孔口前的水位与分层进口前的水位的落差可能会达到极大值，这时有压孔口前的水流就非常紊乱，掺气也很充分。

(2)泄水涵洞。试验观测到，库水位低于1306.0m时，泄洪底孔孔口为明流，库水位高于1307.0m时，泄洪底孔为孔口出流，库水位在二者之间时，泄洪底孔有压段处于明满流过渡。，由于体型的原因，随着水位的升高和泄量的增大，有压孔口末端附近有水流脱壁的现象；另外，由于有压孔口前流态的影响，特别是扩散段的影响，有压孔口后一定范围内因折冲波形成的水翅间歇性冲击明流洞的顶板。如：校核洪水位工况和库水位1340m工况，有压孔口下游约20m范围内因扩散段形成水流折冲，个别断面边墙处水深略高于边墙高度，其中，库水位1340m工况，纵下0+017.5m断面边墙水深为3.25m，高出边墙0.25m。

(3)消力池。试验观测到，泄洪底孔在单独运用且水位较高或流量较大时，如库水位1340m工况，Ⅰ型消力池形成远驱水跃，涌浪位于尾坎附近，涌浪高度超出消力池边墙；当泄洪底孔与表孔溢洪道联合运用时，如校核洪水位工况时，由于溢洪道水流以挑跌流形式进入Ⅰ型消力池，溢洪道跌落水流与底孔水流两股水体互相碰撞、干扰，形成了稳定的水跃流态，则消力池能够形成理想的水跃流态。

4.2.2 溢洪道水流流态

试验看到，各种工况的堰前水流流态都平稳顺畅；而当堰上水头大于2.985m时，堰流类型为薄壁堰，由于堰后未设置通气孔，堰后不同格挡流态有所差异，有的格挡堰后有空腔，有的格挡堰后则没有，流态不稳定。

堰上水头在1.0m左右附近时，过堰水流流态介于宽顶堰与实用堰流态之间，各级台阶水流流态受台阶末尾坎顶托形成挑跌流流态，水舌上缘较高，各级台阶流态类似，随着能量的消耗水舌挑距逐步减小，最后以挑跌流的形式进入消力池，各级台阶没有形成跌流流态。在第一台阶和第二台阶处水舌超过或间歇性超过溢洪道边墙高度，溢洪道左右两侧台阶体型需要修改和优化。由于溢洪道水流总是以挑跌流的形式或挑流水舌与系梁碰撞后进入Ⅱ型消力池，因而各工况溢洪道消力池的流态都较为理想，消力池的体型和尺寸也满足设计要求。

4.3 压强分布

(1)泄洪底孔压强分布。原设计方案泄洪底孔各部位压强测点共布置36个，其中有压孔口以上进水通道底板段13个，孔口顶板4个，泄洪洞底板及消力池段19个。经测验发现，泄洪底孔出现负压的部位有两个，一个是有压孔口顶板的直线段部位，一个是洞出口陡坡段中部以上部位，这两个部位的负压都是由于体型不当所致，其中，校核洪水位工况时，有压孔口顶板3#号测压孔出现-5.7×9.81kPa的负压；而洞出口陡坡段的负压虽然较小(最大为-0.29×9.81kPa)，考虑到该部位为高速水流区，因而这2个部位都需要修改优化。

(2)溢洪道压强分布。溢洪道原方案各部位压强测点共布置73个。通过试验验证，各运行工况，除台阶局部有-0.02×9.81kPa～-0.92×9.81kPa的负压外，其余部位压强均为正值，压强分布正常。

5 优化方案试验成果分析

5.1 试验优化方案

在原设计方案模型试验成果基础上，针对原设计方案进行了以下优化。

(1)对溢洪道两侧台阶的体型进行了优化，即将原台阶高度4等分成小台阶方案。

(2)对溢洪道薄壁堰堰后通气孔位置及尺寸进行了确定；考虑到堰流水舌与薄壁堰之间有一回流区或静水区，堰后通气孔高度必须高于最大回流水面的高度，否则不但不能保证堰后充分通气，还可能导致通气孔进水而失效。经试验观测，大多数情况下能形成稳定通气的通气孔高程在1339.25m上下。同时，当堰顶水头小于2.5～3.0cm时，由于水流表面张力的影响，薄壁堰容易形成贴壁流，这时部分水流可能进入通气通道，这一情况在实际工程中也会出现，因此，在设置通气通道时应同时设置通气通道的排水设施。

(3)对泄洪底孔有压孔口体型进行了调整；将有压孔口顶板由“圆弧曲线+直线”调整为“四分之一椭圆曲线”，孔口末端高度维持原设计尺寸2.0m，压坡调整后孔口尺寸由1.85m减小到1.68m。有压孔口长度由原设计3.81m调整为3.0m。

(4)对Ⅰ型消力池辅助消能设施及陡坡扩散段体型进行了优化。消力池扩散段由推荐方案的“洞内扩散”调整为“洞外扩散”，扩散段长度由15m增加到30m，消力池段在维持池长不变的情况下，消力池整体下移22.7m，底板高程降低0.45m。

5.2 优化方案泄洪底孔成果分析

5.2.1 泄流能力

优化方案试验结果表明，泄洪底孔运用时，模型实测泄量较设计计算值偏大，差值在66.10～67.70m3/s，分别占相应设计计算值的25.35%和25.23%，泄流能力满足设计要求。

5.2.2 水流流态

分层进水流态与原设计基本相同。

(1)泄水涵洞。定型方案泄洪底孔水流流态与原方案基本相同，即运行前期库水位低于1306.00m时，泄洪底孔孔口为明流，库水位高于1306.93m时，泄洪底孔为孔口出流，库水位在二者之间时，泄洪底孔有压段处于明满流过渡。试验看到，由于有压孔口位于扩散段，虽然孔口顶板采用1/4椭圆曲线体型得到了优化，但随着水位的升高和泄量的增大，有压孔口末端附近仍有不同程度水流脱壁的现象；另外，由于有压孔口前流态的影响，特别是扩散段的影响，有压孔口后一定范围内因折冲波形成的水翅间歇性冲击明流洞的顶板。校核洪水位溢洪道与底孔联合运用工况、设计洪水位工况和库水位1340m底孔单独泄水3个工况运行时，泄洪底孔明流洞所有断面水深均低于洞身直墙高度，洞顶余幅为27.33%，满足规范要求(15%～25%)，明流洞体型尺寸基本合理。

(2)消力池。试验结果表明，优化方案各工况Ⅰ型消力池水跃均为微淹没水跃，消力池最大水深均未超过边墙高度，消力池体型尺寸满足要求。

5.2.3 压强分布

试验结果表明，各工况泄洪底孔出现负压的部位有2个，一个是有压孔口顶板的后半部分，一个是洞出口陡坡段起始部位，这2个部位的负压都是由于体型不当所致，其中泄洪底孔没有淤堵的校核洪水位工况下，有压孔口顶板3#号测压孔出现-4.24×9.81kPa的负压；而洞出口陡坡段的负压较小(最大为-0.61×9.81kPa)，设计洪水位工况下，随着泄量的减少，有压孔口顶板的负压也有所改善考虑，3#号测压孔压强为-2.11×9.81kPa。优化方案有压孔口顶板曲线采用1/4椭圆曲线虽对原设计体型进行了优化，压强分布得到了改善，但负压问题未得到根本解决，由于有压孔口为高流速区域，建议有压孔口顶板采用特制材料进行施工并严格控制其不平整度。

5.3 优化方案溢洪道成果分析

5.3.1 泄流能力

优化方案校核洪水位和设计洪水位模型实测泄量均大于设计计算值，量值在61.38～206.65m3/s之间，占相应设计泄量的17.19%～31.31%，泄流能力满足设计要求。

5.3.2 水流流态

优化方案各工况表孔溢洪道进口流态良好。溢洪道薄壁堰背水面设置通气孔后过堰水流流态良好，堰后空腔稳定，通气孔位置和尺寸合理可行。

溢洪道两侧采用小台阶后，水流流态为滑移流流态，中部大台阶流态为挑跌流流态，各工况台阶水深均低于溢洪道边墙高度，溢洪道体型尺寸满足设计要求。试验看到，由于溢洪道水流总是以挑跌流的形式或挑流水舌与系梁碰撞后进入Ⅱ型消力池，因而各工况溢洪道消力池的流态都较为理想，消力池的体型和尺寸也满足设计要求。

5.3.3 压强分布

试验结果表明，底孔淤堵后校核洪水位和底孔没有淤堵时校核洪水位及设计洪水位3个工况溢洪道除台阶局部有-0.02×9.81kPa～-0.77×9.81kPa的负压外(最大负压为-0.77×9.81kPa，满足规范要求)，其余部位压强均为正值，压强分布正常。

6 结语

针对原设计方案泄洪底孔存在有压孔口顶板体型问题，即圆曲线与其下游直线段不相切，在高水头时出现水流与顶板末端脱壁且有压孔口顶板后半部分为负压区；有压孔口末所在扩散段的扩散角较大，其后水流折冲较明显，水面间歇性冲击孔口顶板；泄洪洞出口陡坡扩散段水流扩散不明显。表孔溢洪道特征工况消力池水跃为远驱水跃、薄壁堰流态与台阶流态问题等问题，经试验验证，对原设计方案进行了优化，调整体型后的泄洪建筑物在泄水能力、水流流态和压强分布等方面满足设计要求，模型试验很好地指导了工程设计。