福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究

李昌垣

(江西省水利科学院,江西 南昌 330029)

0 引 言

溢洪道是水库泄洪的主要建筑物,其建筑形式设计与布置的合理性关系到水库的运行安全。为研究溢洪道的泄洪能力,分散挑流能量,改善冲坑形态,科研人员对泄流建筑物挑坎型式做出研究和改进,如提出差动式、宽尾墩式、窄缝式、舌瓣式等挑坎型式[1]。黄智敏等[2-4]研究了各型式挑坎,特别是差动式挑坎的水力学特性;虞佳颖等[5]重点研究了纵向错落差动式挑坎;赵建坤等[6]通过模型试验验证了差动式鼻坎的消能效果。为验证洋口水库设计合理性并提出优化意见,本文开展了水库模型试验,包括水工模型试验和局部动床冲刷试验,选择了差动式鼻坎的优化方案,优化方案下挑流水舌在纵向上前后距离拉长,可有效分散挑流能量,减轻对下游河道的冲刷,使下游冲坑形态得到改善。

1 工程概况

洋口水库位于福建省南平市顺昌县,是一座以灌溉为主、兼有供水任务的中型水库。正常蓄水位为298.00 m,相应库容1 410万m3。大坝设计为三心圆双曲中厚拱坝,坝底高程241.00 m,最大坝高61 m,坝顶厚4 m,坝底厚14.406 m,坝顶总长183.733 m,其中左、右岸挡水坝段轴线各长73.956 m。溢流堰段轴线总长35.82 m。水库溢流堰采用3孔表孔溢流,溢流堰堰顶高程294.30 m,溢流净宽为33 m。每孔设置一扇平面钢闸门作为工作闸门,闸门平面尺寸为10.86 m×4.90 m。堰顶头部为椭圆曲线,下游堰面采用WES曲线,堰后接反弧段,反弧半径为10 m,末端采用挑流消能,挑角为15°。溢流段下游坝脚设置厚1.5 m的C25混凝土护坦,用以减轻施工期洪水及运行期小流量对下游坝脚的淘刷。冲刷坑位于坝线下游50 m左右,该处河床宽约25 m,表层为砂砾石、漂石层,厚3.5 m左右,抗冲刷能力一般,基岩面高程约243.2 m。基岩面多为微风化的石英细砂岩,岩质坚硬,岩体较完整,工程平面布置如图1所示。

图1 工程平面布置Fig.1 Layout of the project

2 模型设计与制作

水库模型为正态模型,建造和试验方法均参照水利部SL 155-2012《水工(常规)模型试验规程》执行,按重力相似及几何相似设计[7-8],几何比尺定为1∶40,λL=λH=40,原型溢流堰表面糙率为0.014～0.016,模型溢流堰采用光滑有机玻璃制作,模型糙率为0.008左右,基本能满足糙率相似性要求。模拟范围为溢流堰上游库区、拱坝、溢流堰及下游450 m河道。上游库区的模型地形最高高程为305 m,下游河道的模型地形最高高程为260 m。为保证模型坝体的制作和安装精度,采用高精度雕刻机切出坝体轮廓断面板,安装到位后形成坝体立体轮廓,再砌砖和填充水泥砌筑坝体;为加固坝身防止其位移,在坝体与地面的衔接上采用预埋钢筋加固。

表1 模型试验工况Tab.1 Test conditions of model

3 试验结果分析

3.1 敞泄泄流能力

闸门全开时泄流成果如表2和图2所示,试验结果表明,三孔敞泄时,各流量下上游水位试验值曲线在设计值曲线以下。其中,消能工况、设计工况以及校核工况的试验上游库水位分别为298.72,299.04 m和301.08 m,较相应的设计值298.86,299.20 m和301.22 m分别低0.14,0.16 m和0.14 m,溢洪堰泄流能力满足设计要求。

表2 库水位与流量关系(敞泄)Tab.2 Relation between reservoir water level and flow (open discharge)

图2 库水位与流量关系曲线(敞泄)Fig.2 Reservoir water level-flow relation curves (open discharge)

3.2 三孔闸控泄流能力

进行了三孔均匀局部开启泄流试验,设置三闸门开度e分别为0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 m和4.0 m,分别测得同一开度固定时的库水位与流量间关系,试验成果见图3,反映了不同开度下的库水位与流量关系。从水位和流量曲线可以看出,同一开度情况下,上游水位随下泄流量的增大而增大,两者基本呈线性关系,线条光滑。

图3 库水位-流量关系曲线(闸门局部开启)Fig.3 Reservoir water level-flow relation curves (gate partially opened)

3.3 进口段流态

敞泄时,各工况下堰前进水口处水面平稳,无明显波动,进水平顺,流态总体良好,未见明显不良水力现象,水流流经溢流堰时未见明显不良水力现象。但是,由于闸孔径向收缩以及边墙挤压的作用,横向上水流深度不均匀,在校核工况下,出坎水流水位超过导墙末端高度,高出左边墙0.26 m、右边墙 1.20 m。

控泄时,堰前水面平稳,无明显波动。常遇洪水工况下,三孔平面闸门迎水面出现一定强度的漩涡,漩涡在平面钢闸门左右两端,靠近闸门槽,水流流经溢流堰时未见明显不良水力现象。

3.4 出口流态与消能防冲

原设计方案下,各工况均能形成挑流,挑流水舌均落于河道中间,水舌归槽性好,未发生水流直接冲击左右岸坡现象,挑流水舌入水处纵向上宽度小,单宽流量大,水舌入水远点挑距与近点挑距十分接近,水流能量集中在一条线上,特别是在大流量工况下(校核、设计工况),对冲坑的淘刷作用非常明显,冲坑内水体翻滚,将冲坑内砂石大量卷起并冲到下游。为准确模拟水流对下游河道的淘刷情况,所有工况的冲坑动床冲刷试验均是在挑流稳定后,连续放水冲刷至少5 h,并将堆积在冲坑下游的砂石及时清除,待不再有砂石被冲起、冲坑形态基本稳定,再停水测量。各工况都有明显的冲坑冲出,冲坑最深点基本在河道中央,存在的主要问题为:① 挑流水舌落入下游水面处纵向上宽度小,单宽流量大,水流能量过于集中;② 校核工况时下游河道冲刷严重,造成冲坑上游面较陡,冲坑底深度为16.51 m,冲坑底到坝趾距离为41.12 m,冲坑上游坡比为1∶2.49,未满足规范要求,有可能影响坝体基础安全。

4 挑流鼻坎优化

为改善挑流形态、分散挑流能量,对挑流鼻坎体型参数做出优化。差动鼻坎平面与剖面见图4～5。考虑到下游河道宽度小,水舌横向分散的余地不大,设计方向定为增大水舌后纵向分散,增大水舌入水面积,减小纵向单宽流量,经多种方案试验比对后,确定调整为差动鼻坎[9],利用高低坎分流作用将水流分开挑射,使其分成上、下两层,水舌在垂直方向扩散,同时加强挑射水流在空中的碰撞、掺气效果,从而减轻下游河床冲刷。方案以原设计堰面为低坎,新增加鼻坎的高坎宽度4.4 m,坎高1.5 m,高坎反弧半径11.0 m,挑角θ1=21.45°,低坎挑角θ=15°,Δθ=6.45°,高坎起点与低坎起点均为原反弧段起点,挑流鼻坎优化后的试验结果数据如表3所示。

表3 挑流鼻坎优化冲坑参数Tab.3 Parameters of scouring pit in differential flip bucket optimization design

图4 差动鼻坎平面Fig.4 Layout of differential flip bucket

图5 差动鼻坎剖面Fig.5 Section of differential flip bucket

加差动鼻坎后,水流经溢流堰时未见明显不良水力现象,水流经过差动鼻坎后出坎水流稳定,在高坎和低坎分流作用下分成上、下两层,两层水流经在空中碰撞汇合,水舌形态呈内凹形,挑流两侧挑距明显大于中间。试验结果表明:采用差动鼻坎后,挑流水舌入水远点与近点距离变大,入水面纵向宽度明显加大,冲坑内水流翻滚剧烈程度变小,冲刷作用降低,冲坑形态好于原设计,消能效果较原设计大为改善。校核工况下,原设计与优化设计挑流形态对比见图6～7,冲坑参数和形态对比见表4和图8。

表4 挑流鼻坎优化前后冲坑参数对比Tab.4 Scour pit data of original design and differential flip bucket optimization design

图6 原设计挑流水舌照片(校核工况)Fig.6 Picture of trajectory nappe in original design (check flood case)

图7 差动鼻坎优化方案挑流水舌照片(校核工况)Fig.7 Picture of trajectory nappe with differential flip bucket optimization design (check flood case)

图8 校核工况下冲坑冲刷后地形照片(高程单位:m)Fig.8 Picture of topography after washout of the pit in calibration condition

受挑流坠入水面以及地形影响,冲坑左、右岸在一定范围出现较高的靠岸回流,流速不稳定,流速随泄流量增大而逐渐增大,在校核工况下测得,冲坑左岸最大流速5.87 m/s,右岸流速5.77 m/s,发生位置在下游桩号X=0+30 m,而冲坑左岸山体以弱风化(允许抗冲流速4 m/s)的含长石变质石英细砂岩为主,右岸岩性主要为变质石英细砂岩,表层岩体呈强、弱风化状(允许抗冲流速2～4 m/s),下游河道流速分布见图9。因此,冲坑内产生的靠岸回流在两岸岸坡附近形成的冲刷可能会对岸坡稳定产生一定影响,建议对两岸坡脚加强防护。

图9 校核工况下游河道流速分布(单位:m/s)Fig.9 Flow rate distribution of downstream river in calibration condition

5 结 论

通过水库溢洪道物理模型试验研究,结果表明:洋口水库溢洪道在各工况下泄流能力达到设计要求,溢流堰进水口和溢流堰上水流总体平顺,无明显不良流态现象,堰型设计和布置合理。针对挑流水舌入水处纵向宽度小、单宽流量大,造成校核工况下游河道冲刷较严重的问题,提出了堰尾差动鼻坎优化方案,并通过试验证明了优化方案极大地改善了消能状况,减轻了对下游河道的冲刷,降低了安全隐患。根据校核工况下冲坑内靠岸回流流速大于允许抗冲流速的问题,对冲坑附近两岸坡脚提出加强防护的建议。