某水库工程泄洪排沙洞出口消能防冲方案模型验证及优化设计

贾红娟

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

某水库总库容4910万m3，其中兴利库容3510万m3，调洪库容115万m3，淤积库容1285万m3。水库大坝采用碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高82.4m。枢纽采用溢洪道和泄洪洞联合泄洪，水库主要建筑物洪水标准按50年一遇洪水设计，相应洪峰流量Q2%=534m3/s；1000年一遇洪水校核，相应洪峰流量Q0.1%=957m3/s；经过调洪演算，校核洪峰流量经水库滞洪消峰后的最大下泄流量为832.8m3/s。泄洪洞洞径5.0m，按照水库泄洪设计要求，在正常蓄水位(设计洪水位)情况下(1961.60m)，泄洪洞需满足下泄流量为336.56m3/s，在校核洪水位(1962.25m)情况下，泄洪洞需满足下泄流量为338.13m3/s。

2 泄洪排沙洞出口消能设计

泄洪洞由进口塔式进水口、洞身段、工作闸室段及出口消能段四部分组成。

2.1 泄洪洞出口消能型式比选

泄洪洞出口表层岩性为洪积砂卵砾石土，松散-稍密，主要组成物为卵石、砾石、砂、土，来源于两岸基岩风化产物及高阶地砂砾石，厚10～21m。下部及地基岩性为新近系上新统疏勒河组砂质泥岩夹砾岩，局部夹砂岩，岩性软弱破碎，完整性差，遇水易软化，强风化带厚4～5m。根据地质条件，针对泄洪洞出口消能方式进行了理论比较。

2.1.1底流式消能型式

泄洪洞出口采用底流式消能6型式，断面形式为扩散式矩形断面。依据SL265—2016《水闸设计规范》，消力池消能计算结果见表1。

表1 底流消能计算结果表

经计算，泄洪洞出口消力池池长设计取值85m，池深7.5m，首端宽度6m，末端宽度20m。计算各工况均能安全泄流。

2.1.2挑流式消能型式

泄洪洞出口采用挑流消能型式，挑流水舌外缘挑距计算如下：

(1)

式中，L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，(°)；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。

泄槽流程长度S与单宽流量q满足S<18q2/3，鼻坎处平均流速v可按下式计算：

(2)

(3)

(4)

式中，V—鼻坎末端平均流速，m/s；Z0—鼻坎末端断面水面以上的水头，m；φ—流速系数；hf—泄槽沿程水头损失，m；hj—泄槽各项局部水头损失之和，m，可取hj/Z0为0.05；S—泄槽流程长度，m；q—泄槽单宽流量，m3/s。

泄槽流程长度S与单宽流量q不满足S<18q2/3，鼻坎处平均流速v按推算水面线方法计算，即单宽流量除以泄槽末端断面水深可近似得鼻坎断面平均流速。

冲刷坑最大水垫深度计算：

T=kq1/2Z1/4

(5)

式中，T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q—鼻坎末端断面单宽流量，m3/s；Z—上、下游水位差，m；k—综合冲刷系数，取1.4。

泄洪洞出口挑流消能计算结果见表2。

表2 泄洪洞出口挑流消能计算结果表

经计算，泄洪洞出口挑流消能在各工况下均能安全泄流，冲坑边坡系数约为1∶2.5，略不满足冲坑处岩石稳定边坡系数(1∶3～1∶6)。

经过以上计算，挑流消能冲坑边坡系数虽然略不满足稳定边坡系数，但可以通过工程措施进行预防护。即鼻砍下游护坦采用预开挖方式护砌，护坦边坡采用1∶1.5护砌，并依据计算冲坑位置和深度确定护坦水平长20m，护坦下游开挖面采用大粒径(D≥500mm)钢筋笼卵石抛填至弱风化线。通过该项措施完全可以保证鼻砍安全。

通过分析比较，泄洪洞出口采用底流消能方式，消力池较长，费用较高，所以本次采用挑流消能的方式。

2.2 出口消能段结构设计

工作闸室段出口与下游挑流消能段相接，挑流鼻坎段长12m，宽6.0m，弧半径25.0m，挑角20°。挑流段进口底高程1887.90m，出口挑流鼻坎顶高程1889.11m。挑流段整体采用现浇C30钢筋混凝土整体结构，过流面现浇C30钢筋纤维混凝土厚800mm。洪水经挑流消能后至下游河道。

挑流消能段后接45m长护坦，宽6～34.67m，厚1.8m，下游齿墙深度16m，为现浇C25钢筋混凝土结构。护坦后铺设预制C20混凝土四面体，宽度34.67～48.64m，长20m。

依据消能工计算成果，挑砍下游冲坑边坡系数略不满足稳定边坡系数，为保证挑流鼻砍安全，本次设计鼻砍下游护坦采用预开挖方式护砌。即护坦边坡采用1∶1.5护砌，并依据计算冲坑位置和深度确定护坦水平长20m，护坦下游开挖面采用大粒径钢筋笼卵石抛填至原基弱风化线。

2.3 泄洪建筑物出口防护设计

本工程受地形地貌和地质条件影响，泄洪建筑物出口距大坝下游坝脚较近，且溢洪道与泄洪洞出口相邻，容易造成坝脚和泄洪建筑物出口淘、冲刷破坏。本设计采用浆砌石护坡与钢筋笼块石防护相结合的措施来防止淘、冲刷破坏。

本工程建设期在大坝下游设有施工挡水围堰，后期作为永久工程保留，将围堰下游侧左端50m长度段和泄洪建筑物出口两侧河岸边坡采用贴坡式浆砌石防护，并在护坡脚铺设钢筋笼块石。

3 水工模型试验验证

为验证本工程布置及主要建筑物设计的合理性，对水库枢纽进行了整体水工模型试验，通过实验，从水力学角度验证枢纽及各建筑物布置及体型的合理性，提出布置及体型优化建议，对工程设计和施工提出优化建议。

3.1 原设计方案各工况水流流态与流速分布

为研究各设计工况下泄水建筑物下泄水流特点，试验中观测了各工况泄洪洞出口水流流态，量测了各特征断面的水流流速分布。

3.1.1校核工况

在水库泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水、Q0.1%=832.80m3/s工况下，泄洪洞闸门全部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至校核洪水位1962.25m，闸门开度2.48m。

出泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，但因挑坎高程及下游河道往复回流的影响，挑流水舌底部会间歇性受底部水体的影响；出溢洪道水流通过出口挑坎顺利起挑，但同样因挑坎高程及下游河道往复回流的影响，挑流水舌底部会间歇性受底部水体的影响。两股水舌交汇后汇集为一股主流斜冲下游河道右岸，部分水体受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之间形成大范围回流区，部分水体受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范围回流区，并补充受高速主流区卷吸带走的水体。

出泄洪洞挑流水舌长度坎后56.00m，水舌最大高度12.4m；出溢洪道挑流水舌长度坎后56.00m，水舌最大高度8.80m；下游水流最大流速12.04m/s。

3.1.2设计工况

在水库泄洪建筑物下泄50年一遇洪水、Q2%=534.00m3/s时，对水库调度运行来说，可有不同的调度运行方式，即以溢洪道为主要泄洪通道或以泄洪洞为主要泄洪通道。考虑水库地处西北地区，库区来沙较多，应尽可能利用下泄洪水排沙，建议水库运行时，应尽可能以泄洪洞为主要泄洪通道。此工况下，泄洪洞闸门全部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至设计洪水位1961.60m，此时闸门开度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，因以泄洪洞为主要泄洪通道，出泄洪洞水流在水舌落点后部形成一定范围的急流区，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流区对主流的挤压，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄。受高速主流的剪切作用，在下游河道右侧形成大范围回流区。

出泄洪洞挑流水舌长度至坎后34.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌长度坎后32.00m，水舌最大高度5.20m；下游水流最大流速15.24m/s。

3.1.3消能防冲工况

在水库泄洪建筑物下泄30年一遇洪水、Q3.33%=464.00m3/s时。基于上节考虑的库区排沙问题，此工况亦以泄洪洞为主要泄洪通道。此工况下，泄洪洞闸门全部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至设计洪水位1961.60m，此时闸门开度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，因以泄洪洞为主要泄洪通道，下游水流流态与设计工况基本相同，出泄洪洞水流在水舌落点后部形成一定范围的急流区，并沿下游河道左岸下泄，受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流区对主流的挤压，出溢洪道水流也偏向下游河道下泄，因溢洪道侧出流流量减小，出溢洪道水流所受卷吸作用更为明显。受高速主流的剪切作用，在下游河道右侧形成大范围回流区。

出泄洪洞挑流水舌外缘至坎后40.00m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌长度坎后22.00m，水舌最大高度4.00m；下游水流最大流速15.01m/s。

3.2 修改方案试验成果及分析

3.2.1原设计方案调整

根据试验研究成果，因溢洪道及泄洪洞挑坎坎顶高程、挑射角度及下游回流影响，某些工况下，挑流水舌会间歇性受下游水体影响。且在以溢洪道为主要泄洪通道情况下，挑射水流进入下游河道后斜冲右岸，在右岸没有防护措施或防护不当情况下有可能造成右岸岸坡严重冲刷甚至岸坡坍塌的情况。拟调整泄洪洞挑坎挑角20°-25°，并建议综合考虑库区排沙需求，尽可能以泄洪洞为首要泄洪通道。

3.2.2修改方案后水流流态与流速分布

(1)校核工况

修改方案下，在水库泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水Q0.1%=832.80m3/s工况下，泄洪洞闸门全部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至校核洪水位1962.25m，闸门开度2.48m。

出溢洪道及泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，调整挑坎高度及挑角后，挑流水舌偶受底部水体影响，且影响大为降低。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流区对主流的挤压，与泄洪洞出流汇合后，下泄主流斜冲下游河道右岸，部分水体受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之间形成大范围回流区，部分水体受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范围回流区。

出泄洪洞挑流水舌外缘距坎后56.00m，内缘距坎后47.60m，水舌最大高度8.80m；；出溢洪道挑流水舌外缘距坎后66.40m，内缘距坎后46.00m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速15.27m/s。

(2)设计工况

修改方案下，在水库泄洪建筑物下泄50年一遇洪水Q2%=534.00m3/s工况下，泄洪洞闸门局部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至设计洪水位1961.60m，此时闸门开度1.68m。

出溢洪道及泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，调整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水体的影响。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流区对主流的挤压，与泄洪洞出流汇合后，下泄主流斜冲下游河道右岸，从流态观察，强度大为降低。部分水体受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之间形成大范围回流区，部分水体受右岸岸坡反射后折向下游，在下游河道形成大范围回流区。

出泄洪洞挑流水舌外缘距坎后38.40m，内缘距坎后26.80m，水舌最大高度8.00m；出溢洪道挑流水舌外缘距坎后28.00m，内缘距坎后23.20m，水舌最大高度6.40m；下游水流最大流速10.51m/s。

(3)消能防冲工况

修改方案下，在水库泄洪建筑物下泄30年一遇洪水Q3.33%=464.00m3/s时。如前考虑库区排沙问题相同，此工况亦以泄洪洞为主要泄洪通道。此工况下，泄洪洞闸门全部开启，控制溢洪道闸门使库区水位至设计洪水位1961.60m，此时闸门开度0.92m。

出溢洪道及泄洪洞水流通过出口挑坎顺利起挑，调整挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水体的影响。

出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流区对主流的挤压，与泄洪洞出流汇合后，下泄主流斜冲下游河道右岸，部分水体受右岸岸坡反射后折向上游，在上游右岸及溢洪道出口之间形成大范围回流区。

出泄洪洞挑流水舌外缘距坎后35.20m，内缘距坎后25.60m，水舌最大高度8.40m；出溢洪道挑流水舌外缘距坎后22.40m，内缘距坎后12.40m，水舌最大高度10.40m；下游水流最大流速13.23m/s。

3.2.3下游局部动床模型及消能防冲修改方案试验结果

根据类似工程坝址区地质资料中岩性与冲刷系数的关系，确定下游局部动床基岩对应允许抗冲流速2.00～3.00m/s。在原下游河道定床地形基础上，结合各特征工况下泄水流下游流态，确定下游河道局部动床范围，并按原地形铺设模型沙。

本阶段试验中，在下游河道局部设置为动床时，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游动床，冲刷河床，会在短时期内在下游河道内形成冲坑，下泄水流能量的消除主要为水垫塘消能。因此下游河道水流呈现不同于定床模型试验的水流流态，下泄水流在水垫塘内消除大量能量后，受冲坑后泥沙二次堆丘的影响，主流偏向于左岸下泄，水流流态如图1所示，水流对左岸冲刷较为明显，需要加强对左岸岸坡及坡脚的防护。

消能工况左岸岸坡处水流最大流速4.17m/s，右岸岸坡处水流最大流速0.96m/s，坝后回流区最大流速0.32m/s；设计工况左岸岸坡处水流最大流速4.39m/s，右岸岸坡处水流最大流速0.64m/s，坝后回流区最大流速0.38m/s；校核工况左岸岸坡处水流最大流速2.81m/s，右岸岸坡处水流最大流速1.81m/s，坝后回流区最大流速0.47m/s。

各特征工况下游河道冲淤地形如图2—7所示。

图1 下游河道水流流态

图2 下游河道泥沙冲淤情况(消能工况)

图3 下游河道泥沙冲淤情况(设计工况)

图4 下游河道泥沙冲淤情况(校核工况)

图5 下游河道泥沙冲淤地形(消能工况)

图6 下游河道泥沙冲淤地形(设计工况)

图7 下游河道泥沙冲淤地形(校核工况)

根据前阶段模型试验情况，在下游河道局部设置为动床时，因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游动床，冲刷河床，会在短时期内在下游河道内形成冲坑，水流对左岸冲刷较为明显。

为改善下游河道左岸冲刷明显的状况，根据上阶段水流流态及河道冲刷情况，对泄洪洞消能方案进行调整。为尽可能使水舌远离河道左岸，延长泄洪洞尾端平直段10.00m，即平直段末端由0+741.66m调整至0+751.66m。并考虑使出泄洪洞尾坎水流尽可能向右扩散，提前解除右边墙的约束，采用切向挑坎，在保持原挑坎半径及起挑位置基础上，挑角由连续20°调整为右侧20°、左侧35°。泄洪洞尾部挑坎型式如图8所示。

试验结果表明，此泄洪洞消能型式修改方案确能起到使挑流水舌远离下游河道左岸，降低左岸直接冲刷的效果。同时，下游回流沿左岸回掏左岸，形成左岸部分冲刷。

但需说明的是，此回流受下游二次堆丘的准确模拟、下游河床覆盖层的准确模拟及下游河道前期泥沙冲刷均相关，主要是部分下泄水流主流不能沿主河槽顺利下泄引起，存在随机及不确定性，只能判定左岸有受回流淘刷的风险。需要加强对左岸岸坡及坡脚的防护与监测。

此方案下，校核工况下游河道泥沙冲淤地形如图9所示。

4 结论

根据水工模型试验泄流存在问题，调整泄洪洞出口挑坎高度及挑角后，挑流水舌不再受底部水体的影响，出泄洪洞水流能通过出口挑坎顺利起挑，改善了主流偏向左岸的情况。在下游河床固定床面情况下，挑射水舌未能在下游形成冲坑及水垫塘，因消能不充分造成下游水流流态恶劣；在下游局部动床模型试验中，下游河道水流流态有所改善，说明挑流消能体型设计时应充分考虑下游地形及下泄水流在各工况下的实际流态情况，确定最终下游河道防护方案。

图8 泄洪洞挑坎型式

图9 下游河道水流流态及河道泥沙冲淤情况(校核工况，消能方案修改)