高宗昌，花立峰

(1.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000 ；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

某泥石流防護(hù)工程的總庫(kù)容1228萬(wàn)m3。泥石流防治標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，淤積高程1340m，對(duì)應(yīng)泥石流淤積庫(kù)容998萬(wàn)m3，最大壩高51m，主體工程由擋水壩段(砂礫石均質(zhì)壩)和泄水壩段(混凝土蜂窩壩)組成。擋水壩段左岸壩長(zhǎng)200m，右岸壩長(zhǎng)256m，泄水壩段壩頂長(zhǎng)84m。水庫(kù)洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇(洪峰流量407m3/s)設(shè)計(jì)，1000年一遇(洪峰流量772m3/s)校核。

泄水壩段包括中間62m蜂窩壩段和兩側(cè)各11m寬的箱型擋土墻。蜂窩壩段由兩孔泄洪底孔和表孔溢洪道構(gòu)成。

泄洪底孔由上游進(jìn)水通道、涵洞、出口消能防沖段、下游整治段組成。上游進(jìn)水通道長(zhǎng)103.5m，采用分層進(jìn)水形式，進(jìn)水口的高程為1300.43～1333.25m，分10層布置，兩孔泄洪底孔共20個(gè)進(jìn)水口，進(jìn)水口的尺寸分為3m×2.24m(寬×高)和3m×2.55m(寬×高)2種，設(shè)鋼格柵。涵洞段為矩形鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，進(jìn)口采用無(wú)閘控制的自由出流形式，頂部為圓弧漸變連接，孔口尺寸為3m×2m(寬×高)，洞身尺寸4m×3m。出口消能段由12.5m的陡坡段、38m長(zhǎng)的消力池和13.3m長(zhǎng)的防沖段組成，陡坡段坡度為1∶3.5，底寬由4m漸變?yōu)?4.8m。消力池段采用矩形結(jié)構(gòu)，池寬14.8m，池深2.5m。

表孔溢洪道寬62m，主要由泄水臺(tái)階段和臺(tái)階出口消能段組成。溢洪道堰頂寬2.0m，堰頂高程為1340m，泄槽下游采用臺(tái)階消能，共設(shè)有5級(jí)臺(tái)階，每級(jí)消能臺(tái)階的步高為5.8m，步長(zhǎng)為14.0m，臺(tái)階與蜂窩壩鋼筋混凝土網(wǎng)格結(jié)合。臺(tái)階下游共設(shè)5個(gè)消力池，其中2個(gè)I型消力池與泄洪底孔共用，3個(gè)II型消力池與I型消力池間隔布置。I型消力池池長(zhǎng)為50.5m，池寬14.8m，II型消力池池長(zhǎng)為28.5m，池寬分別為10.85m、10.7m、10.85m，池深均為2.5m。

為驗(yàn)證泄水建筑物泄流能力、泄洪底孔分層進(jìn)水時(shí)的水力學(xué)參數(shù)、表孔溢洪道泄水臺(tái)階水力學(xué)參數(shù)和不同型式消力池聯(lián)合消能效果，進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

按照水工模型試驗(yàn)要求，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，模型設(shè)計(jì)需要滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，模型幾何比尺Lr=50。相應(yīng)流量比尺Qr=17677.6695，流速比尺Vr=7.07107，糙率比尺nr=1.91938。為了觀察泄水建筑物的水流流態(tài)，溢洪道、泄洪底孔及消力池等建筑物用有機(jī)玻璃制作。下游河道模型動(dòng)床沖料采用天然河沙來(lái)配制。

表1 水工模型試驗(yàn)典型工況

3 試驗(yàn)工況

泄水建筑物主要由泄洪底孔和表孔溢洪道構(gòu)成。泄洪底孔進(jìn)口底高程為1299.4m，表孔溢洪道堰頂高程為1340.0m，只有當(dāng)水位高于1340.0m時(shí)，表孔溢洪道才參與泄洪。結(jié)合上游不同的水位流量情況和泥石流淤積后泄洪底孔及庫(kù)容淤堵情況，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

4 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)對(duì)原設(shè)計(jì)的泄洪建筑物的泄流能力進(jìn)行了率定，觀測(cè)了泄洪底孔沒(méi)有淤堵時(shí)校核洪水位溢洪道和泄洪底孔聯(lián)合運(yùn)用(表1序號(hào)①)和水庫(kù)水位1340m時(shí)泄洪底孔單獨(dú)運(yùn)用(表1序號(hào)②)時(shí)流態(tài)、流速和壓強(qiáng)分布。觀測(cè)了泄洪底孔淤堵后校核洪水位溢洪道單獨(dú)運(yùn)用(表1序號(hào)③)和泄洪底孔沒(méi)有淤堵時(shí)校核洪水位溢洪道和泄洪底孔聯(lián)合運(yùn)用(表1序號(hào)①)時(shí)流態(tài)、流速和壓強(qiáng)分布。

4.1 泄流能力

(1)泄洪底孔的泄流能力。經(jīng)模型實(shí)測(cè)，原設(shè)計(jì)方案泄洪底孔校核洪水位(1342.30m)時(shí)的泄量為319.00m3/s比設(shè)計(jì)計(jì)算值268.30m3/s大50.70m3/s，占設(shè)計(jì)值的18.90%；在運(yùn)行前期，庫(kù)水位為1340m時(shí)，2泄洪底孔實(shí)測(cè)泄量為310.49m3/s，比設(shè)計(jì)值260.70m3/s大49.79m3/s，占設(shè)計(jì)值的19.10%，泄流能力偏大。根據(jù)公式計(jì)算特征水位的流量系數(shù)為0.818和0.819，流量系數(shù)基本合理。

(2)溢洪道的泄流能力。原設(shè)計(jì)方案溢洪道在底孔淤堵后校核洪水位1344.00m時(shí)，溢洪道實(shí)測(cè)下泄流量為901.13m3/s，較設(shè)計(jì)值660m3/s大241.13m3/s，占設(shè)計(jì)值的36.53%；溢洪道在校核洪水位(1342.30m)時(shí)的泄量為343.9m3/s，較設(shè)計(jì)計(jì)算值287.8m3/s大56.1m3/s，占設(shè)計(jì)值的19.49%；總體看，溢洪道實(shí)際運(yùn)用時(shí)，其泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 水流流態(tài)

4.2.1 泄流底孔水流流態(tài)

(1)分層進(jìn)水口。試驗(yàn)觀測(cè)到，就分層進(jìn)口前的流態(tài)來(lái)看，隨著進(jìn)口頂板以上水深的變化，每一層進(jìn)口上緣附近都會(huì)形成不同程度的漩渦流態(tài)。在水庫(kù)運(yùn)行前期，底孔有壓孔口前的水位與分層進(jìn)口前的庫(kù)水位雖有不同程度的跌落，但其變化規(guī)律是一致的，這種水面跌落是由分層進(jìn)口至有壓孔口之間的局部損失造成的。在水庫(kù)運(yùn)行后期，隨著淤積高程的增大，有壓孔口前的水位與分層進(jìn)口前的庫(kù)水位之間的落差也逐步增大，這時(shí)，在分層進(jìn)口與有壓孔口前形成跌流消能區(qū)；當(dāng)只有第十層孔口進(jìn)流時(shí)，有壓孔口前的水位與分層進(jìn)口前的水位的落差可能會(huì)達(dá)到極大值，這時(shí)有壓孔口前的水流就非常紊亂，摻氣也很充分。

(2)泄水涵洞。試驗(yàn)觀測(cè)到，庫(kù)水位低于1306.0m時(shí)，泄洪底孔孔口為明流，庫(kù)水位高于1307.0m時(shí)，泄洪底孔為孔口出流，庫(kù)水位在二者之間時(shí)，泄洪底孔有壓段處于明滿流過(guò)渡。，由于體型的原因，隨著水位的升高和泄量的增大，有壓孔口末端附近有水流脫壁的現(xiàn)象；另外，由于有壓孔口前流態(tài)的影響，特別是擴(kuò)散段的影響，有壓孔口后一定范圍內(nèi)因折沖波形成的水翅間歇性沖擊明流洞的頂板。如：校核洪水位工況和庫(kù)水位1340m工況，有壓孔口下游約20m范圍內(nèi)因擴(kuò)散段形成水流折沖，個(gè)別斷面邊墻處水深略高于邊墻高度，其中，庫(kù)水位1340m工況，縱下0+017.5m斷面邊墻水深為3.25m，高出邊墻0.25m。

(3)消力池。試驗(yàn)觀測(cè)到，泄洪底孔在單獨(dú)運(yùn)用且水位較高或流量較大時(shí)，如庫(kù)水位1340m工況，Ⅰ型消力池形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，涌浪位于尾坎附近，涌浪高度超出消力池邊墻；當(dāng)泄洪底孔與表孔溢洪道聯(lián)合運(yùn)用時(shí)，如校核洪水位工況時(shí)，由于溢洪道水流以挑跌流形式進(jìn)入Ⅰ型消力池，溢洪道跌落水流與底孔水流兩股水體互相碰撞、干擾，形成了穩(wěn)定的水躍流態(tài)，則消力池能夠形成理想的水躍流態(tài)。

4.2.2 溢洪道水流流態(tài)

試驗(yàn)看到，各種工況的堰前水流流態(tài)都平穩(wěn)順暢；而當(dāng)堰上水頭大于2.985m時(shí)，堰流類型為薄壁堰，由于堰后未設(shè)置通氣孔，堰后不同格擋流態(tài)有所差異，有的格擋堰后有空腔，有的格擋堰后則沒(méi)有，流態(tài)不穩(wěn)定。

堰上水頭在1.0m左右附近時(shí)，過(guò)堰水流流態(tài)介于寬頂堰與實(shí)用堰流態(tài)之間，各級(jí)臺(tái)階水流流態(tài)受臺(tái)階末尾坎頂托形成挑跌流流態(tài)，水舌上緣較高，各級(jí)臺(tái)階流態(tài)類似，隨著能量的消耗水舌挑距逐步減小，最后以挑跌流的形式進(jìn)入消力池，各級(jí)臺(tái)階沒(méi)有形成跌流流態(tài)。在第一臺(tái)階和第二臺(tái)階處水舌超過(guò)或間歇性超過(guò)溢洪道邊墻高度，溢洪道左右兩側(cè)臺(tái)階體型需要修改和優(yōu)化。由于溢洪道水流總是以挑跌流的形式或挑流水舌與系梁碰撞后進(jìn)入Ⅱ型消力池，因而各工況溢洪道消力池的流態(tài)都較為理想，消力池的體型和尺寸也滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 壓強(qiáng)分布

(1)泄洪底孔壓強(qiáng)分布。原設(shè)計(jì)方案泄洪底孔各部位壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)共布置36個(gè)，其中有壓孔口以上進(jìn)水通道底板段13個(gè)，孔口頂板4個(gè)，泄洪洞底板及消力池段19個(gè)。經(jīng)測(cè)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泄洪底孔出現(xiàn)負(fù)壓的部位有兩個(gè)，一個(gè)是有壓孔口頂板的直線段部位，一個(gè)是洞出口陡坡段中部以上部位，這兩個(gè)部位的負(fù)壓都是由于體型不當(dāng)所致，其中，校核洪水位工況時(shí)，有壓孔口頂板3#號(hào)測(cè)壓孔出現(xiàn)-5.7×9.81kPa的負(fù)壓；而洞出口陡坡段的負(fù)壓雖然較小(最大為-0.29×9.81kPa)，考慮到該部位為高速水流區(qū)，因而這2個(gè)部位都需要修改優(yōu)化。

(2)溢洪道壓強(qiáng)分布。溢洪道原方案各部位壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)共布置73個(gè)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，各運(yùn)行工況，除臺(tái)階局部有-0.02×9.81kPa～-0.92×9.81kPa的負(fù)壓外，其余部位壓強(qiáng)均為正值，壓強(qiáng)分布正常。

5 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果分析

5.1 試驗(yàn)優(yōu)化方案

在原設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了以下優(yōu)化。

(1)對(duì)溢洪道兩側(cè)臺(tái)階的體型進(jìn)行了優(yōu)化，即將原臺(tái)階高度4等分成小臺(tái)階方案。

(2)對(duì)溢洪道薄壁堰堰后通氣孔位置及尺寸進(jìn)行了確定；考慮到堰流水舌與薄壁堰之間有一回流區(qū)或靜水區(qū)，堰后通氣孔高度必須高于最大回流水面的高度，否則不但不能保證堰后充分通氣，還可能導(dǎo)致通氣孔進(jìn)水而失效。經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)，大多數(shù)情況下能形成穩(wěn)定通氣的通氣孔高程在1339.25m上下。同時(shí)，當(dāng)堰頂水頭小于2.5～3.0cm時(shí)，由于水流表面張力的影響，薄壁堰容易形成貼壁流，這時(shí)部分水流可能進(jìn)入通氣通道，這一情況在實(shí)際工程中也會(huì)出現(xiàn)，因此，在設(shè)置通氣通道時(shí)應(yīng)同時(shí)設(shè)置通氣通道的排水設(shè)施。

(3)對(duì)泄洪底孔有壓孔口體型進(jìn)行了調(diào)整；將有壓孔口頂板由“圓弧曲線+直線”調(diào)整為“四分之一橢圓曲線”，孔口末端高度維持原設(shè)計(jì)尺寸2.0m，壓坡調(diào)整后孔口尺寸由1.85m減小到1.68m。有壓孔口長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)3.81m調(diào)整為3.0m。

(4)對(duì)Ⅰ型消力池輔助消能設(shè)施及陡坡擴(kuò)散段體型進(jìn)行了優(yōu)化。消力池?cái)U(kuò)散段由推薦方案的“洞內(nèi)擴(kuò)散”調(diào)整為“洞外擴(kuò)散”，擴(kuò)散段長(zhǎng)度由15m增加到30m，消力池段在維持池長(zhǎng)不變的情況下，消力池整體下移22.7m，底板高程降低0.45m。

5.2 優(yōu)化方案泄洪底孔成果分析

5.2.1 泄流能力

優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪底孔運(yùn)用時(shí)，模型實(shí)測(cè)泄量較設(shè)計(jì)計(jì)算值偏大，差值在66.10～67.70m3/s，分別占相應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算值的25.35%和25.23%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2.2 水流流態(tài)

分層進(jìn)水流態(tài)與原設(shè)計(jì)基本相同。

(1)泄水涵洞。定型方案泄洪底孔水流流態(tài)與原方案基本相同，即運(yùn)行前期庫(kù)水位低于1306.00m時(shí)，泄洪底孔孔口為明流，庫(kù)水位高于1306.93m時(shí)，泄洪底孔為孔口出流，庫(kù)水位在二者之間時(shí)，泄洪底孔有壓段處于明滿流過(guò)渡。試驗(yàn)看到，由于有壓孔口位于擴(kuò)散段，雖然孔口頂板采用1/4橢圓曲線體型得到了優(yōu)化，但隨著水位的升高和泄量的增大，有壓孔口末端附近仍有不同程度水流脫壁的現(xiàn)象；另外，由于有壓孔口前流態(tài)的影響，特別是擴(kuò)散段的影響，有壓孔口后一定范圍內(nèi)因折沖波形成的水翅間歇性沖擊明流洞的頂板。校核洪水位溢洪道與底孔聯(lián)合運(yùn)用工況、設(shè)計(jì)洪水位工況和庫(kù)水位1340m底孔單獨(dú)泄水3個(gè)工況運(yùn)行時(shí)，泄洪底孔明流洞所有斷面水深均低于洞身直墻高度，洞頂余幅為27.33%，滿足規(guī)范要求(15%～25%)，明流洞體型尺寸基本合理。

(2)消力池。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化方案各工況Ⅰ型消力池水躍均為微淹沒(méi)水躍，消力池最大水深均未超過(guò)邊墻高度，消力池體型尺寸滿足要求。

5.2.3 壓強(qiáng)分布

試驗(yàn)結(jié)果表明，各工況泄洪底孔出現(xiàn)負(fù)壓的部位有2個(gè)，一個(gè)是有壓孔口頂板的后半部分，一個(gè)是洞出口陡坡段起始部位，這2個(gè)部位的負(fù)壓都是由于體型不當(dāng)所致，其中泄洪底孔沒(méi)有淤堵的校核洪水位工況下，有壓孔口頂板3#號(hào)測(cè)壓孔出現(xiàn)-4.24×9.81kPa的負(fù)壓；而洞出口陡坡段的負(fù)壓較小(最大為-0.61×9.81kPa)，設(shè)計(jì)洪水位工況下，隨著泄量的減少，有壓孔口頂板的負(fù)壓也有所改善考慮，3#號(hào)測(cè)壓孔壓強(qiáng)為-2.11×9.81kPa。優(yōu)化方案有壓孔口頂板曲線采用1/4橢圓曲線雖對(duì)原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行了優(yōu)化，壓強(qiáng)分布得到了改善，但負(fù)壓?jiǎn)栴}未得到根本解決，由于有壓孔口為高流速區(qū)域，建議有壓孔口頂板采用特制材料進(jìn)行施工并嚴(yán)格控制其不平整度。

5.3 優(yōu)化方案溢洪道成果分析

5.3.1 泄流能力

優(yōu)化方案校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位模型實(shí)測(cè)泄量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，量值在61.38～206.65m3/s之間，占相應(yīng)設(shè)計(jì)泄量的17.19%～31.31%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3.2 水流流態(tài)

優(yōu)化方案各工況表孔溢洪道進(jìn)口流態(tài)良好。溢洪道薄壁堰背水面設(shè)置通氣孔后過(guò)堰水流流態(tài)良好，堰后空腔穩(wěn)定，通氣孔位置和尺寸合理可行。

溢洪道兩側(cè)采用小臺(tái)階后，水流流態(tài)為滑移流流態(tài)，中部大臺(tái)階流態(tài)為挑跌流流態(tài)，各工況臺(tái)階水深均低于溢洪道邊墻高度，溢洪道體型尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)看到，由于溢洪道水流總是以挑跌流的形式或挑流水舌與系梁碰撞后進(jìn)入Ⅱ型消力池，因而各工況溢洪道消力池的流態(tài)都較為理想，消力池的體型和尺寸也滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3.3 壓強(qiáng)分布

試驗(yàn)結(jié)果表明，底孔淤堵后校核洪水位和底孔沒(méi)有淤堵時(shí)校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位3個(gè)工況溢洪道除臺(tái)階局部有-0.02×9.81kPa～-0.77×9.81kPa的負(fù)壓外(最大負(fù)壓為-0.77×9.81kPa，滿足規(guī)范要求)，其余部位壓強(qiáng)均為正值，壓強(qiáng)分布正常。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案泄洪底孔存在有壓孔口頂板體型問(wèn)題，即圓曲線與其下游直線段不相切，在高水頭時(shí)出現(xiàn)水流與頂板末端脫壁且有壓孔口頂板后半部分為負(fù)壓區(qū)；有壓孔口末所在擴(kuò)散段的擴(kuò)散角較大，其后水流折沖較明顯，水面間歇性沖擊孔口頂板；泄洪洞出口陡坡擴(kuò)散段水流擴(kuò)散不明顯。表孔溢洪道特征工況消力池水躍為遠(yuǎn)驅(qū)水躍、薄壁堰流態(tài)與臺(tái)階流態(tài)問(wèn)題等問(wèn)題，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整體型后的泄洪建筑物在泄水能力、水流流態(tài)和壓強(qiáng)分布等方面滿足設(shè)計(jì)要求，模型試驗(yàn)很好地指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)。