成永華，曾一夫，黃志文，廖冬芽

（1.江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西 南昌，330029；2.江西省水利科學研究院，江西 南昌，330029）

0 引 言

泄洪建筑物應當滿足允許最大下泄流量，出口水流與下游河道平順銜接，并能有效地減少水流對下游河床和岸坡的淘刷，從而保障樞紐建筑物的安全正常運行[1，2]。 由于太湖水庫溢洪道上、下游水位落差較大，且泄槽為彎道相接，水力條件較差，因此需要通過水工模型試驗對溢洪道設計方案的合理性進行驗證，并根據(jù)試驗結果，優(yōu)化設計方案。

關于溢洪道的消能方式，國內(nèi)外專家已經(jīng)做了大量的研究。有關挑流水舌的研究成果很多，多集中于其運動軌跡及水舌的沖刷特性方面[3-5]。本文通過對太湖水庫溢洪道挑流消能設施的結構體型進行試驗研究分析，提出合理體型結構，對工程設計進行優(yōu)化。

1 工程概況

太湖水庫地處江西省尋烏縣西北部的水源鄉(xiāng)太湖村境內(nèi)，距尋烏縣城約47km；壩址坐落在珠江流域東江支流尋烏水上游峽谷河段，控制流域面積42.8km2；水庫正常蓄水位443.00m（1985國家高程基準，下同），總庫容2 384×104m3（其中調(diào)節(jié)庫容1 816×104m3，防洪庫容153×104m3），是一座以供水為主，兼有灌溉、防洪等綜合效益的中型水庫。

溢洪道為3級建筑物，相應洪水標準：校核1000年一遇，設計50年一遇；消能設施設計洪水標準為30年一遇。校核洪水位（P=0.1%）446.55m，設計洪水位（P=2%）445.01m，正常蓄水位443.00m。

2 模型試驗設計簡介

2.1 主要技術依據(jù)

模型試驗主要按水利部部頒標準《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL155-2012）執(zhí)行[6]。

2.2 相似準則

在水工模型試驗中，主要外力為重力，所以多采用重力相似準則，因重力相似準則中要求原型與模型的弗勞德數(shù)必須相等，故又稱作弗勞德相似準則。

2.3 模型參數(shù)比值

溢洪道采用整體正態(tài)水力模型，根據(jù)試驗內(nèi)容和試驗條件，綜合考量試驗的精度和經(jīng)濟性，溢洪道整體水力模型水平比尺、垂直比尺為λL=λH=40（原型：模型）。其他物理量比尺如表1所示。

表1 各種模型比尺關系

2.4 模型制作

溢洪道模型由于水深較淺，主要需滿足糙率相似的要求，原型溢洪道為現(xiàn)澆砼表面糙率為0.014～0.016，本次模型制作中溢流堰采用有機玻璃制作，對溢流堰表面進行刮灰打磨噴漆處理，泄槽采用水泥砂漿抹面，用砂紙進行拋光及噴漆處理，使得模型糙率為0.008～0.010，基本能夠滿足糙率相似性的要求。下游河道模型預留挑流沖坑深20m。根據(jù)基巖的抗沖能力（3.0m/s），采用依茲巴什公式，計算模擬基巖的模型沖料散粒體的大小，以模擬在恒定流量下最大可能的沖刷深度，經(jīng)計算，模型采用粒徑范圍為0.45～0.90cm，中值粒徑0.63cm的石子。

3 原設計方案的試驗結果及分析

太湖水庫模型試驗主要是對溢洪道的泄流能力，堰面、泄槽、挑坎的結構布置以及下游消能防沖等進行試驗驗證。本文主要闡述在滿足溢洪道的泄流能力要求的前提下，著重從挑流鼻坎的挑流水舌形態(tài)、下游沖刷情況等方面進行分析，提出挑流鼻坎的優(yōu)化設計。

3.1 溢洪道原設計方案

溢洪道布置于右岸壩端，為開挖式岸邊溢洪道，由進水渠、控制段、泄槽段、挑流段、出水渠組成。溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程439.00m。泄槽段順水流方向長117.52m，其中圓弧段長70.52m，圓弧半徑為120.00m（中心線的長度及半徑），縱向坡度為1:3，泄槽為底寬17.50m的矩形斷面，左側邊墻高為7.00m，右側邊墻高為10.00m。泄槽末端為挑流段，順水流方向長7.50m，出口鼻坎高程為393.39m。

圖1 溢洪道平面布置圖

圖2 溢洪道縱剖面圖

表2 溢洪道泄流能力成果表

由于受到地形、地質(zhì)條件的限制，太湖水庫采用岸邊式溢洪道，泄槽設有彎道，彎道產(chǎn)生橫斷面水面差，使流態(tài)發(fā)生變化，其消能防沖受到影響。本設計采用挑流消能，要求沖刷坑適當遠離建筑物，避免下游出現(xiàn)回流沖刷壩腳及河岸。通過模型試驗觀測挑流鼻坎在不同運行水位時的消能效果，水流歸槽程度，消能結構以后的水力條件、沖刷情況以及對鄰近建筑物及下游岸坡的影響，提出挑流鼻坎合理的優(yōu)化設計方案（見圖1和圖2）。

3.2 泄流能力

試驗觀測了在溢洪道閘門敞泄時，各級特征流量下溢洪道的泄流能力，結果見表2。

3種特征流量條件下，模型試驗得到的水庫水位比設計計算的庫水位略低，溢洪道的泄流能力能滿足設計要求。

3.3 挑流段出口流態(tài)

由各流量（P=0.1%、P=2%、P=3.33%）下挑流段出口（從右向左）流速、水深分布可知，受泄槽彎段的影響，挑流鼻坎段出口仍存在一定的橫向水面差，水力條件復雜，更加需要通過模型試驗驗證其消能設施的合理性。

3.4 泄流流態(tài)

圖3 各流量下挑流出口段流速、水深關系變化圖

原方案挑坎未能產(chǎn)生挑泄水流，水流跌落護坦，直接掏刷護坦底部，并且受落水點位置離壩腳較近。由于出水河道狹窄、左岸為凹岸等原因，落水點左側壩腳及岸坡附近形成逆時針的回流區(qū)（照片1），回流強度隨泄流量增加而增大。

3.5 局部沖刷

沖坑位于護坦腳部，護坦底部掏刷嚴重并且影響左側岸坡穩(wěn)定，同時出射水流未能形成挑流，直接跌落河床，在壩腳處產(chǎn)生巨大回流，對壩腳淘刷嚴重，危及大壩安全，結果見照片2和表3。

照片1 校核工況（Q=622m3/s）挑坎水舌形態(tài)

照片2 設計及校核工況下游沖刷坑分布

表3 下游沖坑尺寸表

表4 消能防沖水力計算成果表 m

4 優(yōu)化設計方案試驗結果及分析

4.1 優(yōu)化設計方案

根據(jù)模型試驗的分析，需調(diào)整優(yōu)化挑流段減少沖刷，優(yōu)化設計從增大挑角和增加挑流半徑兩個方面進行調(diào)整，采用《溢洪道設計規(guī)范》（SL253-2018）附錄A.4公式。

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緣挑距，m；v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s；θ為鼻坎的挑角，°；h1為坎頂垂直方向水深，m；h2為坎頂至河床面高差，m；tk為水墊厚度m；q為單寬流量，m3/（m·s）；H為上下游水位差，m；k為沖刷系數(shù)；φ為堰面流速系數(shù)。

挑距及沖坑深度均隨著挑角及挑流半徑的增大而增大，挑流半徑的加大使挑流段的長度加長。根據(jù)綜合比選確定優(yōu)化方案為：挑角調(diào)整增大到28°，挑流半徑為15.00m，挑流段的長度由7.50m增加到12.703m，護坦高程不變，挑流鼻坎出口與護坦成45°角連接，挑射水流在空中充分擴散。優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 挑流鼻坎優(yōu)化方案

4.2 泄流流態(tài)試驗

挑流鼻坎段出水處左右側水流分布基本均勻，挑流鼻坎將水流挑出，校核流量下最大挑距80m（照片3）。與原設計模型試驗比較，優(yōu)化后能形成挑流，挑距加大，但是與理論計算L=120.39m相差比較大（表4）。由于泄槽縱坡和彎段的影響，使泄流流態(tài)發(fā)生變化，因此，復雜的水力條件下，進行模型試驗是十分必要的。

4.3 局部沖刷試驗

校核下泄流量挑流落入河床，沖坑離壩腳60.00m，不影響壩腳穩(wěn)定。下游沖坑位于挑坎下游21.00m～80.00m之間，沖坑上游坡比介于1:2.82～1:5.88之間，最大沖坑邊緣距離左岸岸坡60m，也不會影響左側岸坡穩(wěn)定（表5）。優(yōu)化后的挑流段其消能更充分，不會影響建筑物及岸坡的穩(wěn)定（照片4）。

照片3 校核工況（Q=662m3/s）挑坎水舌形態(tài)

表5 下游沖坑尺寸表

照片4 設計及校核流量下游沖刷坑分布

5 結 論

（1）通過模型試驗，復核太湖水庫原設計方案溢洪道過流能力滿足設計要求，但挑流鼻坎未能形成挑流水流形態(tài)，水舌空中消能不充分，主流直接跌落于近河床位置，對壩腳淘刷嚴重。

（2）挑流鼻坎通過將挑角從20°增大至28°，反弧半徑由10.00m調(diào)整為15.00m，長度由7.50m增加到12.70m等優(yōu)化設計后，挑流落入河床，沖坑離壩腳60m，對壩腳穩(wěn)定不會產(chǎn)生影響，沖坑尺寸也有明顯縮小，滿足工程正常運行需要。

（3）太湖水庫溢洪道已投入運行，運行現(xiàn)狀與模型試驗結果基本吻合，說明復雜水力學問題通過水工模型試驗進行預演、預測很有必要。