溢洪道转弯出水渠体型及出口防冲措施优化研究

刘艳华，王一帆，李仲权，曹 智

（1.云南建设基础设施投资有限公司丽江水网公司，云南 丽江 650500；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；4.安徽省招标集团股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 概述

对溢洪道等泄水建筑物而言，体型设计及消能防冲一直是研究的重点。为确保溢洪道内流态和下游防冲能满足规范要求，其设计方案常通过数值模拟或水工模型实验多次优化确定。随着除险加固工程的增多，许多老旧工程需要增设新的泄水建筑物。而这些新建筑物受已有工程或地形的限制，往往需要设置转弯段。弯道水流难免受惯性离心力影响，导致横断面水深与流量分布不均、水流流态复杂。周勤等［1］对“S”型溢洪道进行了模型试验和数值模拟研究，经试验优化后的斜槛布置改善了溢洪道水流流态，减小了横向超高。周锡发等［3］通过系列模型设计，在弯曲段采用底板横向超高组合导流墙的工程措施，降低了泄槽段弯道水流冲击波的不利影响，使入池水流流速分布均匀。郭红民等［4］采用数值模拟方法对不同冲坑预挖结构的防冲效果进行了对比，提出了可靠的消能防冲优化方案。王月华等［5］基于Flow-3D 软件结合物理模型试验研究消力池流场，对实际工程的消能方案设计提供了有益的指导。杨磊［2］，何志亚等［6，7］通过物理模型试验与数值模拟相结合的方法，验证了工程设计方案的可行性，并结合模型试验优化了消能防冲措施。

因此，合理地选择和设计溢洪道弯曲段的布局、体型和出口消能防冲方案，对溢洪道正常运行和工程量的大小都有重要意义。依托怀安县西洋河水库除险加固工程，主要研究了溢洪道转弯出水渠体型参数变化时，出水渠的流态、流速等水力学参数及出口防冲效果的变化情况，并在此基础上选择了合适的转弯出水渠体型及出口防冲措施。

1 工程概况

初设方案下，西洋河水库除险加固工程的新建溢洪道，由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段和出水渠组成，轴线总长473.8 m，最大泄量806 m3/s。新建溢洪道通过出水渠转弯将下泄水流在京新高速前导入下游河床，转弯角度达54°。初设方案下溢洪道泄槽出口采用底流消能，消力池为等宽矩形下挖式混凝土结构，总长63.4 m；池深4.5 m，与泄槽采用1∶4.0 的斜坡连接；消力池出口下游防冲段横断面为梯形，渠底采用厚0.5 m浆砌石护砌，边坡为1∶2浆砌石护坡。消能防冲段总长94.5 m，转弯半径180 m，防冲槽深度2.0 m，防冲槽后采用1∶5 斜坡段，在桩号Y0+339.9 m 断面与出水渠相接；出水渠横断面为梯形，底部高程91.9 m，顶部高程96.9 m。底部宽度由42.20 m 渐变至70.00 m，渠底采用厚0.5 m 浆砌石护砌，两侧岸坡为1∶2 钢丝石笼护坡。为防止出口水流冲刷河床，出口接长30 m、宽100 m、厚度0.5 m钢丝石笼护底。

初设方案溢洪道纵剖面布置如图1 所示，平面布置如图2所示。

图1 溢洪道纵剖面布置图（单位：m）Fig.1 Profile of initial design of the spillway

图2 溢洪道平面布置图（单位：m）Fig.2 Layout of the initial design of the spillway

2 初设方案模型试验成果

2.1 模型制作

为论证工程布置及水力设计的合理性，尤其是溢洪道转弯出水渠型式以及消能防冲措施的合理性，根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018）［8］，针对初设方案进行了水工模型试验。水工模型制作遵照《水工（常规）模型试验规程》［SL155-2012］［9］，按重力相似准则设计成正态模型，几何比尺λL=35。试验工况按照100 年一遇设计洪水标准及1 000 年一遇校核洪水标准设计，对应上游水位分别为113.71 m与115.02 m，对应泄流量分别为569.0 m3/s与806.0 m3/s。

为了测试下泄水流对下游河床及京新高速大桥桥墩的冲刷影响，模型中也模拟了从出水渠出口起算，向下游共计12 排桥墩及下游河床。模型河床粒径依设计院资料按模型比例尺换算后为0.02 mm及0.22 mm，深度为43 cm（原型15 m）。

2.2 模型实验成果

试验工况下溢洪道泄槽段无不利水力现象，设计泄槽段边墙高度能满足要求；消力池内均发生完全水跃，池内漩滚发育，消能充分。

消能防冲段与出水渠段最高水位均未超过对应位置的护砌顶高程，但相对渠道轴线表现出不对称流态。弯道水流受离心力的影响，消能防冲段主流明显偏向轴线左侧，使渠内水流呈现左深右浅状态。同时由于水流对边墙的不对称冲击，渠内水流出现波状分界，在渠道两侧边墙附近出现回流，左岸回流边线在两种水位下均位于岸坡坡脚处，右岸回流边线在设计水位下位于坡脚左侧17 m 左右，校核水位下位于19.2 m 左右。消能防冲段流态如图3 所示。出水渠段未见明显回流，但左侧水面仍明显高于右侧。

图3 初设方案消能防冲段流态Fig.3 Flow pattern in energy dissipation section of the initial design

设计水位及校核水位下，防冲槽入口处底部流速分别为4.41 m/s 和4.44 m/s。两种水位下槽内呈左侧淘刷右侧淤积形态，且左侧已冲刷殆尽至槽底。消能防冲段与出水渠段流速总体上呈现出轴线流速大，两岸流速较小且不对称分布的规律。校核水位下消能防冲段与出水渠底部最大流速分别为6.74 m/s和6.86 m/s，浆砌石护底不能满足规范规定的抗冲要求。

设计水位和校核水位下，出水渠出口石笼均受到冲刷破坏，出口处最大冲深分别为4.3 m 和8.1 m。下游河床最大冲深分别为5.7 m 和6.9 m。出口水流扩散后，左侧水流冲向京新高速大桥桥墩，其最大冲深均出现在第二排桥墩处，冲深分别为2.1 m 和2.3 m。初设方案出水渠出口及下游河床冲刷如图4所示。

图4 初设方案出水渠出口及下游河床冲刷Fig.4 Scouring of the downstream riverbed of the initial design

初设方案物理模型试验表明：两种水位下渠内流态均较差；校核水位下消能防冲段及出水渠段渠底防冲不满足要求；出水渠出口石笼大量冲毁且京新高速大桥桥墩处冲刷较严重。因此需要对转弯出水渠体型及出口防护措施进行优化。

3 转弯出水渠体型优化

由初设方案模型试验成果可知：校核水位下防冲槽内左侧冲刷已至槽底，如采用该方案，需进一步加深或扩挖防冲槽。而出水渠内流态相对较好，流速仍在可控范围之内。因此考虑在消力池后取消消能防冲段（相应取消防冲槽），直接设置平坡出水渠，将溢洪道消能防冲的重点放到出水渠出口断面。同时考虑到初设方案中出水渠梯形断面对水流约束较差，拟将其横断面改为矩形断面，渠顶高程95.0m，并将渠道护底方式改为混凝土护砌以满足抗冲要求。以此思路设计了转弯出水渠体型优化布置方案，并采取数值模拟方法对优化方案的可行性和合理性进行了分析。

3.1 数值模拟成果

采用FLOW-3D 软件对设计水位（H上=113.71 m）工况出水渠体型优化方案进行数值模拟。模型采用k-ε 紊流模型，自由液面追踪采用TruVOF 法，采用有限体积法进行离散。计算模型整体分为上游水库、溢洪道泄槽段、消力池、出水渠、下游河床5 个部分，网格划分采用非结构化网格，总网格数约为354 万个。计算模型如图5所示。

图5 数值模拟计算模型Fig.5 Schematic diagram of numerical simulation model

数值计算得到的出水渠流速、水深分布如图6所示，典型断面流速如图7所示，出水渠典型断面水深、流速如表1、2所示。

图6 数值模拟出水渠内流速水深分布云图Fig.6 Cloud atlas of velocity &water depth

图7 数值模拟出水渠典型断面流速Fig.7 Velocity of typical section of outlet channel

表1 出水渠体型优化方案典型断面水面线（H上=113.71 m）mTab.1 Water surface profile of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

由数值模拟结果可知：出水渠体型优化方案下，转弯出水渠内水流较为平顺，两侧岸边未出现回流，渠内水面高程未超过渠顶。出水渠轴线底流速较初设方案略有增大，但未超过混凝土衬砌的抗冲流速。成果表明体型优化方案具有可行性，随后采用物理模型试验进行了进一步验证。

3.2 体型优化方案模型试验成果

以数值计算推荐体型进行了物理模型试验。设计水位工况体型优化方案物理模型试验与数值计算渠内水流流态如图8所示。可见渠内水流流态平顺，两侧未见明显回流，两者流态结果吻合较好，表明数值计算模型合理，成果可信。

图8 出水渠体型优化方案渠内水流流态对比Fig.8 Flow pattern comparison in outlet channel of shape optimization scheme

表2 出水渠体型优化方案典型断面流速分布（H上=113.71 m）Tab.2 Velocity of shape optimization scheme of typical section（Hu=113.71 m）

出水渠体型优化方案模型试验中，典型断面流速及水深与初设方案对比如表3、4所示。

表3 初设方案与出水渠体型优化方案典型断面底部流速对比 m/sTab.3 Velocity comparison of shape optimization scheme &initial design

表4 初设方案与出水渠体型优化方案典型断面水深对比 mTab.4 Water depth comparison of shape optimization scheme &initial design

由表3、4 的试验结果可知：出水渠体型优化方案渠内流速较初设方案整体增大，但改用混凝土衬砌后可以满足防冲要求；出水渠体型改为矩形断面平坡渠道后，对水流束窄效果明显，各典型断面水深增加明显，且流态得到改善。出水渠体型采用矩形断面平坡方案可行。

3.3 出水渠推荐体型

综合考虑数值模拟与模型试验成果，转弯出水渠推荐体型如下：消力池出口下游桩号Y0+244.30 m 断面～桩号Y0+458.80 m 断面直接设置平坡出水渠段，总长94.5 m。出水渠横断面为矩形，底部高程91.9 m，两侧岸坡渠顶高程95.0 m。底部宽度由42.20 m渐变至70.00 m，转弯角54°，转弯半径180 m。渠底采用厚0.5 m混凝土护砌。

4 出口防护措施优化

4.1 出口防护优化方案

初设方案模型试验结果表明，初设方案设置的下游出口防护不足以保证下游河道和京新高速大桥不受宣泄水流影响。而出水渠体型优化试验又表明，出水渠平坡方案出水渠出口流速明显增加。因此需要对出水渠体型优化方案下的出口防护方案进行进一步优化。

鉴于初设方案出口设置的单层石笼被严重冲毁，出口左侧水流偏左且流速偏大，大桥桥墩冲刷明显，拟采取出口石笼加厚以及延长左岸岸坡的方案进行下游防护优化模型试验。其中石笼加厚方案在出口一定范围内铺设3 层或2 层石笼，其余仍铺设1层石笼。左岸岸坡延长方案考虑在石笼加厚方案的基础上，适当延长左岸岸坡，使得出口左侧水流延迟扩散，以减小对桥墩的直接冲刷，从而保护桥墩。

4.2 出口防护优化试验成果

试验中对石笼加厚范围以及左岸岸坡加长长度进行了多组次的组合。试验成果表明：两种方案下出口冲刷均较初设方案得到明显改善。仅石笼加厚方案下出口左侧水流仍可以直接对第二排桥墩产生冲击；但左岸延长方案下出口左侧水流并没有直接冲击桥墩，对其防护安全有利。校核水位下仅石笼加厚方案与左岸延长方案出口流态如图9所示。

图9 校核水位不同防护方案出口下游流态Fig.9 Downstream flow pattern at different protection scheme

比较分析各组合方案下的试验数据及结果，最终推荐出口防护措施优化方案如下：

（1）左侧岸坡延长16 m；

（2）石笼铺设范围：顺流向长28 m、宽度90 m。单个钢丝格宾石笼尺寸2.0 m×2.0 m×0.5 m（长×宽×厚），采用每3 个（或3 个以上）成串的方式进行联结；

（3）石笼铺设厚度：左侧出口向右侧42 m范围内，顺水流向28 m 铺设3 层；延长段后左侧6 m 宽，顺水流向12 m 铺设3 层；右侧出口向右侧宽度6 m，顺水流向28 m 铺设2层；右侧出口向左侧宽度28 m，顺水流向18 m 铺设1 层；顺水流向10 m 铺设2层。石笼下铺设0.1 m 厚垫层，石笼顶面与出水渠底面高程齐平。

试验中出口防护措施优化方案与初设方案下游冲刷特征值如表5所示。

表5 不同出口防护方案下游冲刷特征值比较 mTab.5 Downstream scouring comparison at different protection scheme

由表5 数据可知：出口防护措施优化方案不仅可以有效保证石笼在校核水位下不被冲毁，而且桥墩在设计与校核水位下最大冲深分别较初设方案减小0.87 m和0.76 m。成果表明出口防护优化方案的防护效果明显，可作为设计推荐方案。

5 结论

在模型试验基础上结合FLOW-3D 数值模拟，针对初设方案的不足之处，提出并验证了转弯出水渠体型优化方案，进而推荐了相应的出口防护优化方案。论文主要成果如下：

（1）西洋河水库新建溢洪道通过出水渠转弯将下泄水流导入下游河床，转弯角度达54°。初设方案物理模型试验表明渠内流态均较差，渠底防冲不满足要求，出口石笼大量冲毁且高速大桥桥墩处冲刷严重。需对转弯出水渠体型及出口防护措施进行优化。

（2）利用FLOW-3D 软件与模型试验相结合，对西洋河水库除险加固工程新建溢洪道转弯出水渠进行了体型优化研究，结果表明：出水渠平坡方案下渠内水流平顺、流态良好，流态较初设方案明显改善；虽渠内底部流速较初设方案有所增大，但改用混凝土衬砌后可以满足防冲要求。综合考虑数值模拟与模型试验成果，推荐了转弯出水渠体型。

（3）考虑初设方案设置的出口防护方案效果、转弯出水渠推荐体型下出口水流特性，结合模型试验多种组合方案的试验数据及分析结果，最终推荐了可行的出口防护优化方案，可有效防止对京新高速大桥桥墩的冲刷危害。