韩家峡水库溢洪道正交入汇条件下溢洪道最佳挑流消能问题研究

赵生华，付 强

(1.金昌市水务投资有限责任公司, 甘肃 金昌 737100；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

溢洪道是水利枢纽中最常用的泄水建筑物，溢洪道的布置和型式选择，受水文、地形、地质、水流条件、枢纽总体布局以及施工运行管理等多方因素所制约。在溢洪道设计诸多权衡因素中，出口水流与下游河道衔接方式是必须考虑的一个方面。一般情况下溢洪道轴线布置尽可能向下斜交于河道水流方向，以减少其对河道岸坡及上游坝肩的冲刷影响，但特殊情况下也会出现溢洪道轴线正交于河道水流方向的情况。分析研究正交入汇条件下溢洪道水力计算的相关问题尤其是研究挑流入汇情况下的消能工形式具有一定的实际意义。金昌市水务投资有限责任公司拟投资建设的韩家峡水库受水库枢纽总体布置的约束，溢洪道轴线基本与河道水流呈正交态势，溢洪道出口下游河道河床较窄，溢洪道泄洪时高速水流对下游河床冲刷所产生的安全隐患需要防范，属于比较典型的正交条件下溢洪道出口的工程水力学问题。本文依据韩家峡水库溢洪道工程设计分析资料和溢洪道水工模型试验资料，就上述相关问题开展分析与讨论，以期为同类拟建工程提供借鉴和参考。

1 研究对象及试验条件

1.1 正交入汇研究对象简介

韩家峡水库位于永昌县河西堡镇[1]，距离金昌市约30 km。工程任务主要是供水及灌溉。水库正常蓄水位1 825.7 m，设计洪水位1 825.7 m，校核洪水位1 827.63 m。水库总库容为990 万m3，包括大坝、输水洞、溢洪道等建筑物，库区回水长度为3.4 km。溢洪道布置在右岸,由引渠段、闸室段、泄槽段和出口消能工组成，一孔一槽二级陡坡,无检修门。溢洪道与下游河道正交态势工程平面布置示意图见图1。

图1 溢洪道平面布置示意图

1.2 水工模型试验基本条件

为了验证工程设计阶段各项水力设计参数的准确性，并研究韩家峡水库溢洪道正交入汇下游河道这一特殊条件时，适宜的消能工措施,量化描述下游河床冲刷特征，为防护设计提供依据，科研单位进行了几何比尺为1∶25的水工模型试验[2]。试验研究主要针对溢洪道最大泄洪流量447.7 m3/s、P=0.1%洪水(大坝及泄水建筑物校核洪水工况，溢洪道泄洪流量415 m3/s)、P=2%洪水(大坝及泄水建筑物设计洪水工况，溢洪道泄洪流量134 m3/s)、P=5%(消能防冲设计洪水工况，溢洪道泄洪流量为100 m3/s)、P=10%(常遇洪水工况，溢洪道泄洪流量为77 m3/s)、P=20%(常遇洪水工况，溢洪道泄洪流量54 m3/s)共六组工况时的相关工程水力学要素开展了研究。研究观测的主要内容包括过流能力与水面线，溢洪道沿程各区段的流速流态压强，消能设施沿程压力和流速分布、水舌落点、挑距，下游河道冲刷深度和冲刷范围等等。水库下游河床按动床模型设计，根据表1所列的原河道河床质级配，依据相似比尺分析确定的下游河道动床模型沙级配曲线如图2所示。

表1 韩家峡水库溢洪道出口河床砂砾石级配

图2 溢洪道下游河道河床质模型沙级配曲线

2 水力设计参数的试验验证与分析

以往不同泄水工程的水力计算，由于计算方法和相关参数选取时存在的差异，理论分析结果往往存在较大的偏差，借助于水工模型试验，对本工程设计阶段理论分析所采用的方法和计算成果进行了验证，具体分析讨论如下。

2.1 过流能力与水面线试验观测成果

模型试验结果表明校核洪水位1 827.63 m时，溢洪道全开率定泄量为447.2 m3/s，比设计值447.7 m3/s仅小0.5 m3/s，与设计值基本相同，较溢洪道校核洪水分配的下泄量Q=415 m3/s大32.2 m3/s，超泄能力7.8%；设计洪水位1 825.7 m时，溢洪道全开率定泄量为305.0 m3/s，比设计值333.5 m3/s小28.5 m3/s，即小8.5%。率定泄量较溢洪道设计洪水分配的下泄量Q=134 m3/s大171 m3/s，超泄能力约127%；过流能力的试验观测结果表明设计所选用的流量计算方法和流量系数等准确合理满足精度要求。原方案方案试验进行了最大泄洪流量、校核洪水、设计洪水及消能防冲洪水、常遇洪水共六种工况的试验，校核洪水溢洪道泄槽实测水深和设计水深对比见表2，观测结果显示试验观测与原设计二者基本接近，说明设计所采用方法与参数准确可靠，确定的泄槽边墙高度合理。

表2 溢洪道校核洪水断面水深试验测试值与设计计算值比较

2.2 流速分布与水舌挑距试验观测成果

测试结果表明，溢洪道流速沿程增大，随着流量的增大，流速缓慢增加。缓坡段泄槽流速一般约11 m/s～12 m/s；抛物线段流速约12 m/s～14 m/s；陡坡段泄槽和鼻坎反弧段流速约15 m/s～19 m/s。鼻坎出口实测最大垂线平均流速18.78 m/s。缓坡段泄槽和抛物线段实测流速与设计计算流速接近，陡坡段泄槽和鼻坎段实测流速较设计值略小。溢洪道校核洪水时各断面流速设计值与试验观测值对比见表3。

表3 溢洪道校核洪水断面流速试验测试值与设计值比较

试验观测结果也显示，设计工况及以下洪水，溢洪道局开运行，水舌横向扩散很小、呈曲线形落水、厚度较薄，水舌落点位于河道中间偏右侧。校核工况及最大洪水，溢洪道全开，水舌厚度大、横向扩散小，落点集中，水舌落点位置相比设计洪水及以下工况位置差别不大。

2.3 溢洪道下游河床冲刷深度试验观测成果

模型试验观测结果表明，5 a一遇洪水时，溢洪道入水宽度与挑流鼻坎末端水流宽度接近，横向扩散不明显。冲刷坑最深点距护坦末端仅6.2 m，冲坑底高程1 788.0 m，冲刷深度5.0 m(冲坑附近冲刷前河道平均高程约为1 794.0 m)；10 a一遇洪水时，冲刷坑最深点距护坦末端约16 m，水舌落点处冲坑底高程1 786.3 m，冲刷深度7.7 m。水舌顶冲对岸，在对岸坡脚下形成底高程1 785.4 m的冲坑，冲坑深度8.6 m；20 a一遇洪水时，冲刷坑最深点距护坦末端约16 m，水舌落点处冲坑底高程1 784.9 m，冲刷深度9.1 m。水舌顶冲对岸，在对岸坡脚下形成底高程1 783.0 m的冲坑;50 a一遇洪水水舌落点处冲坑底高程1 785.1 m，位于河道中部，冲刷深度9 m。水舌顶冲对岸，在对岸坡脚下形成底高程1 781.0 m的冲坑，冲坑深度13 m；校核洪水时，水舌横向扩散不大，水舌纵向拉开约7 m,水舌落点形成的冲坑和水舌顶冲对岸的冲坑合为一体，在对岸坡脚下形成底高程1 773.2 m的冲坑，冲刷深度20.8 m；最大洪水时最大冲刷位置位于对岸坡脚下，冲刷最深点高程1 772.5 m，冲刷深度21.5 m。表4为各工况下游河道最大冲刷深度试验观测值与设计分析计算值对比。

表4 各工况下游河道最大冲刷深度试验测试值与设计计算值比较

根据以上各项试验观测结果，试验测试所得的溢洪道流量、水深、流速、水舌挑距、冲刷深度等参数与设计计算值接近，显示本工程溢洪道设计阶段各主要水力设计参数的分析计算方法准确合理，对以后类似工程水力设计和相关参数的选定有重要参考意义。

3 正交入汇条件下溢洪道出口挑流消能方案研究

模型试验原设计方案各工况试验观测分析发现，由于正交入汇条件这一特殊因素的存在，原方案溢洪道出口水流顶冲对岸的问题比较严重，且本岸水舌之下回流强度也较大，造成下游冲坑较深对左右岸的稳定性均构成威胁。进一步分析讨论后认为，虽然改善溢洪道出流顶冲岸坡的可选途径不少，但是在现有正交入汇的约束条件下，唯有从优化溢洪道出口挑流鼻坎体型，合理规划水舌落点增大溢洪道出口水舌横向扩散的强度着手[3-4]，开展进一步工作。

3.1 正交入汇条件时溢洪道最佳挑流方案比选

通过模型试验，研究了针对本工程正交入汇条件时溢洪道出口挑流鼻坎除原设计方案外的7种可能方案。方案1采用向上倾斜的扩散斜鼻坎[5-8]，目的是封闭回流，增加水流横向扩散，减轻两岸冲刷。该方案仅对大流量有较明显的效果，对常遇小流量洪水效果不佳；方案2采用向下游倾斜的扩散导向斜鼻坎，增大了回流过流宽度，减小了回流流速；部分水流导向下游，减弱了水流对左岸的冲刷。该方案鼻坎左侧水流较集中，造成大洪水时对左岸顶冲程度仍然较大；方案3鼻坎采用仅右侧扩散的正鼻坎，水流对左岸顶冲流速较大，冲刷深度较修改方案2大；鼻坎左侧边墙设置类似宽尾墩的折流墩[9-10]，由于折流墩底部缝隙上游一侧开口过大，水流折射程度过大；方案4鼻坎采用导向扩散斜鼻坎，小流量时两岸冲刷小，防冲效果好；但流量较大时，鼻坎右侧水舌较集中，对左岸冲刷较严重，故放弃本方案；方案5是方案4基础上的优化，鼻坎采用导向扩散斜鼻坎，小流量两岸冲刷小，防冲效果很好；但流量较大时，鼻坎右侧水舌仍较集中；方案6是方案2基础上的优化，采用导向扩散斜鼻坎并设置折流墩，消能防冲洪水时消能效果较理想；方案7出口鼻坎为向下游倾斜的扩散导向斜鼻坎。鼻坎反弧半径16 m，左侧边墙半径为90 m，右侧边墙半径为30 m，右侧挑角17.7°，左侧挑角25.4°，鼻坎出口斜长10.61 m。

挑流消能方案比选试验结果表明，不同方案在不同工况流量时顶冲位置深度各有差异，鉴于本工程溢洪道出口水流正交入汇的具体条件，沿用中小工程消能防冲方案比选确定时保中小流量兼顾大流量、保本岸兼顾对岸的原则[11-12]，综合考虑后认为，出口鼻坎确定为向下游倾斜的扩散导向斜鼻坎方案，作为适宜本工程正交入汇条件时最佳的消能工体型推荐使用，溢洪道消能工体型如图3所示。

图3 韩家峡水库溢洪道挑流消能推荐案体型

3.2 正交入汇条件下推荐方案各水力设计参数的合理性分析

为了进一步明确上述正交入汇条件下溢洪道挑流消能最佳体型方案相对于本工程溢洪道其他水力设计参数的反馈与影响，通过模型试验进行了推荐方案溢洪道各水力设计参数的合理性分析。试验结果表明，溢洪道库水位流量关系、溢洪道弧门开度与流量关系等，与原方案试验结果没有变化，溢洪道堰顶至鼻坎出口水深变化规律与原方案试验相同，均随流量的增加而增大，水深沿程逐渐减小；泄槽内水深与原方案试验以及设计计算值也比较接近，泄槽安全超高0.85 m～1.35 m。表5为校核洪水推荐方案溢洪道沿程断面水深与安全超高。

表5 推荐方案溢洪道校核洪水断面水深及掺气水深计算值

推荐方案水舌呈弧形状斜向分布在河道内，水舌入水宽度24 m～46 m，随流量的增大入水宽度相应增大，水舌平均入水宽度是原方案试验时的3倍左右，水舌落点分散、位置合理，水舌横向、纵向扩散良好。大洪水时，在折流墩的作用下，鼻坎出流还具有一定的垂向扩散效果，表6为推荐方案各工况溢洪道挑流水舌挑距观测结果。推荐方案试验溢洪道流速与原设计方案测试结果相差不大，流速变化规律也基本相同。

表6 推荐方案各工况溢洪道水舌挑距

推荐方案各工况及各项水流要素的观测试验结果表明，针对本工程正交入汇条件下推荐的溢洪道挑流消能方案，对原设计确定的各项水力参数基本没有影响，正交入汇条件下类似工程溢洪道水力参数分析计算可参考前述推荐方法，挑流鼻坎的定型时应结合各自工程实际，参考本文推荐方案选择使用。

4 结论与建议

本文针对韩家峡水库正交入汇条件下溢洪道设计中的水力参数分析计算问题以及适宜的挑流消能体型问题，结合设计分析计算资料和水工模型试验观测资料开展了分析和讨论，论证了正交入汇条件下溢洪道水力计算中相关参数的分析确定方法和挑流消能最佳的鼻坎体型，可作为类似工程溢洪道设计参考。