某工程溢流坝消能防冲优化研究

汪 旭

（重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司，重庆 400045）

1 工程概况

某工程为Ⅲ等中型水库，最大坝高77.5 m，正常蓄水位1 000.5 m，挡水大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 005.50 m。

采用坝身泄洪方式，由3 个溢流表孔组成，采用自由溢流式的布置形式。表孔堰顶高程1 000.5 m，堰面采用WES 曲线，与下游坝坡为1∶0.8 斜坡段相接，斜面通过反弧段接挑流鼻坎，反弧半径为15 m。出口采用差动式挑流，鼻坎高坎坎顶高程945.90 m，挑角20°，底坎坎顶高程945.00 m，挑角0°；为防止水流冲击下游岸坡坡脚，挑坎两侧分别增设宽度为1.15 m 的贴角，贴角长度13.2 m。溢流表孔采用开敞式泄洪方式，孔口净宽30 m（10 m×3）。表孔中墩厚1.5 m，边墩厚1 m。为防止水舌冲击坝脚，坝后设置长度为24.8 m 的护坦，护坦高程938.00 m。溢流坝具体布置如图1 所示。

2 设计体型试验

图1 溢流坝布置图

消能防冲工况下溢流坝水流流态见图2，可以看到，中墩墩尾产生一定程度的水翅现象，这种现象对大坝本身几乎没有影响，但是对于峡谷地区尤其是具有较大风速的情况下，水翅产生的雾化现象将对下游较大范围产生不利影响，甚至影响下游边坡的稳定。

图2 不同部位水流流态

溢流坝水舌最左侧有部分水流冲击到护岸岸坡，这对岸坡的稳定有极为不利的影响。同时由于挑流水舌没有完全拉伸扩散，水舌落点也比较集中，这对下游河道的防冲有极为不利的影响。

不同工况下溢流坝挑流水舌挑距见表1，可以看到，20 年一遇及其以上洪水工况时，溢流坝水舌均能够挑离护坦（护坦长度24.8 m）；10 年一遇洪水工况时水舌近端部分水流落点位于护坦末端，5 年一遇洪水工况时水舌落点基本位于护坦之上。综上，由于溢流坝为不设闸开敞式泄流，且下游水位较低，遭遇小洪水时水舌直接砸落在护坦之上，护坦遭受结构破坏的可能性极大。因此，可以考虑不设护坦或者缩短护坦长度，同时将溢流坝水舌沿纵向大幅拉伸，减小水舌入水单宽流量，从而减弱下游消能区的冲刷破坏。

表1 不同工况下水舌挑距

3 优化体型试验

3.1 闸墩优化

针对闸墩尾部出现的较强水翅的现象，在墩后增设高度沿程逐渐降低、横向宽度逐渐减小的尾墩，尾墩总长10.00 m，尾墩起点高度2.50 m（宽度1.50 m），末端高度0.50 m（宽度0.50 m），同时对尾墩边角进行导圆处理，导圆半径R=0.25 m，具体布置见图3。

体型修改后进口流态见图4，可以看到，闸墩墩后水翅基本消失，将修改后的尾墩作为推荐体型。

3.2 出口挑坎优化

针对挑坎设计体型水舌冲刷岸坡以及水舌集中的问题，将设计的高低坎方案调整为可以沿水流向大幅拉伸的燕尾坎形式。调整方案为：将挑坎反弧起点调整至坝纵0+039.79，反弧半径R=14.50 m，挑坎近端开口位置桩号坝纵0+053.63，远端位置桩号保持坝纵0+060.00 不变，从而使近端挑角θ1=10.00°，远端挑角θ2=37.80°，近端出射点高程949.53 m，远端出射点高程952.35 m，同时在挑坎开口位置设置2.00 m 高跌坎后放坡i=0.25；鉴于水舌左端冲刷下游左岸边坡，将挑坎左侧贴角末端宽度调整为4.00 m，挑坎近端开口宽度均为4.00 m，挑坎左侧末端宽度1.00 m，右侧末端宽度1.00 m，中间两个挑坎宽度均为3.00 m；同时将护岸长度缩短为10.00 m。挑坎优化具体布置见图5（优化体型一）。

图3 闸墩优化布置图

图4 墩后水流流态图

出挑水舌流态见图6，可以看到，通过设置燕尾坎后，水舌在纵向上实现了较大幅度的拉伸，可以有效减弱对下游河床的冲刷破坏；但是，水舌近端略偏向下游，有进一步优化调整的空间，同时远端水舌相对集中，并且挑坎左侧的贴角末端收缩宽幅度过大，水舌距离左岸边坡较远，同样有进一步优化调整的空间。

针对水舌近端挑距较远且远端水舌相对集中的问题，在优化体型一的基础上，将近端开口位置向上游移动至坝纵0+049.85，使近端挑角θ1=-5.00°，保持近端开口宽度4.00 m 和远端挑坎宽度3.00 m 不变；同时将左侧贴角末端宽度缩窄为2.40 m，则挑坎最左侧末端坎宽2.60 m，挑坎具体布置见图7（优化体型二）。

出挑水舌流态见图8，可以看到，挑坎近端开口位置往上游移动后（出射角由挑角变为俯角），水舌近端落点明显往上游位置移动，水舌近端落点基本合适，挑坎左侧贴角宽度变窄以后，出挑水舌左缘与河道左岸岸坡相对位置基本合适；但是水舌远端水量依然较为集中，并且由于挑坎左侧贴角的原因，靠近左岸的两股水舌落点非常近，这不利于水流的分散消能。

图5 优化体型一布置图

图6 优化体型一流态图

图7 优化体型二布置图

分析认为下游左岸护坡范围可以适当扩挖，从而避免挑坎左侧边墙收缩所造成的临近两股水舌汇聚集中的现象，保持右岸护坡不变，将护坦横向宽度调整为41.22 m，左岸护坡坡度调整为1∶0.3；将挑坎作如下调整：在优化体型二的基础上，取消挑坎左侧贴角，挑坎近端开口宽度调整为2.00 m，远端挑坎宽度为2.00 m（两侧挑坎末端宽度为0.55 m），同时将近端开口下部2.00 m 高跌坎后放坡调整为i=0.5，具体布置见图9（优化体型三）。

图8 优化体型二流态图

出挑水舌流态见图10，可以看到，水舌落点距离护坦及两岸护坡均保持有足够的距离，不会对护坦及护坡造成冲刷破坏；水舌沿程分布均匀，将优化体型三作为挑坎最终推荐体型。

图9 优化体型三布置图

图10 优化体型三流态图

4 推荐体型冲刷试验

不同工况下游河道冲刷情况见图11，不同工况下游河道最大冲刷点高程及最大冲深统计见表2（最大冲深计算将护坦高程938.00 m 作为基准面）。可以看到，下游消能区冲刷明显减弱，冲刷范围主要集中于左岸，校核工况（P=0.2%）时最大冲深为7.14 m，消能防冲工况（P=3.33%）时最大冲深为3.88 m，满足消能防冲要求。

图11 不同工况下游河床冲刷情况

表2 不同工况下游河道最大冲刷点高程及最大冲深

5 结 论

本文针对某工程溢流坝存在的一系列消能防冲问题，采用增设高程逐渐降低、横向宽度逐渐减小的尾墩，基本消除了墩后水翅；采用阵列式燕尾坎，实现了溢流坝水舌与下游河道的良好的衔接，实现了良好的消能防冲，可以为类似的工程提供借鉴参考。