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        某水庫工程泄洪排沙洞出口消能防沖方案模型驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-07-01 10:03:40賈紅娟
        關(guān)鍵詞:流水

        賈紅娟

        (甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000)

        1 工程概況

        某水庫總庫容4910萬m3,其中興利庫容3510萬m3,調(diào)洪庫容115萬m3,淤積庫容1285萬m3。水庫大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩,最大壩高82.4m。樞紐采用溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪,水庫主要建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì),相應(yīng)洪峰流量Q2%=534m3/s;1000年一遇洪水校核,相應(yīng)洪峰流量Q0.1%=957m3/s;經(jīng)過調(diào)洪演算,校核洪峰流量經(jīng)水庫滯洪消峰后的最大下泄流量為832.8m3/s。泄洪洞洞徑5.0m,按照水庫泄洪設(shè)計(jì)要求,在正常蓄水位(設(shè)計(jì)洪水位)情況下(1961.60m),泄洪洞需滿足下泄流量為336.56m3/s,在校核洪水位(1962.25m)情況下,泄洪洞需滿足下泄流量為338.13m3/s。

        2 泄洪排沙洞出口消能設(shè)計(jì)

        泄洪洞由進(jìn)口塔式進(jìn)水口、洞身段、工作閘室段及出口消能段四部分組成。

        2.1 泄洪洞出口消能型式比選

        泄洪洞出口表層巖性為洪積砂卵礫石土,松散-稍密,主要組成物為卵石、礫石、砂、土,來源于兩岸基巖風(fēng)化產(chǎn)物及高階地砂礫石,厚10~21m。下部及地基巖性為新近系上新統(tǒng)疏勒河組砂質(zhì)泥巖夾礫巖,局部夾砂巖,巖性軟弱破碎,完整性差,遇水易軟化,強(qiáng)風(fēng)化帶厚4~5m。根據(jù)地質(zhì)條件,針對(duì)泄洪洞出口消能方式進(jìn)行了理論比較。

        2.1.1底流式消能型式

        泄洪洞出口采用底流式消能6型式,斷面形式為擴(kuò)散式矩形斷面。依據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》,消力池消能計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 底流消能計(jì)算結(jié)果表

        經(jīng)計(jì)算,泄洪洞出口消力池池長設(shè)計(jì)取值85m,池深7.5m,首端寬度6m,末端寬度20m。計(jì)算各工況均能安全泄流。

        2.1.2挑流式消能型式

        泄洪洞出口采用挑流消能型式,挑流水舌外緣挑距計(jì)算如下:

        (1)

        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;θ—挑流水舌水面出射角,近似可取用鼻坎挑角,(°);h1—挑流鼻坎末端法向水深,m;h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差,m;v1—鼻坎坎頂水面流速,m/s,可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計(jì)。

        泄槽流程長度S與單寬流量q滿足S<18q2/3,鼻坎處平均流速v可按下式計(jì)算:

        (2)

        (3)

        (4)

        式中,V—鼻坎末端平均流速,m/s;Z0—鼻坎末端斷面水面以上的水頭,m;φ—流速系數(shù);hf—泄槽沿程水頭損失,m;hj—泄槽各項(xiàng)局部水頭損失之和,m,可取hj/Z0為0.05;S—泄槽流程長度,m;q—泄槽單寬流量,m3/s。

        泄槽流程長度S與單寬流量q不滿足S<18q2/3,鼻坎處平均流速v按推算水面線方法計(jì)算,即單寬流量除以泄槽末端斷面水深可近似得鼻坎斷面平均流速。

        沖刷坑最大水墊深度計(jì)算:

        T=kq1/2Z1/4

        (5)

        式中,T—自下游水面至坑底最大水墊深度,m;q—鼻坎末端斷面單寬流量,m3/s;Z—上、下游水位差,m;k—綜合沖刷系數(shù),取1.4。

        泄洪洞出口挑流消能計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 泄洪洞出口挑流消能計(jì)算結(jié)果表

        經(jīng)計(jì)算,泄洪洞出口挑流消能在各工況下均能安全泄流,沖坑邊坡系數(shù)約為1∶2.5,略不滿足沖坑處巖石穩(wěn)定邊坡系數(shù)(1∶3~1∶6)。

        經(jīng)過以上計(jì)算,挑流消能沖坑邊坡系數(shù)雖然略不滿足穩(wěn)定邊坡系數(shù),但可以通過工程措施進(jìn)行預(yù)防護(hù)。即鼻砍下游護(hù)坦采用預(yù)開挖方式護(hù)砌,護(hù)坦邊坡采用1∶1.5護(hù)砌,并依據(jù)計(jì)算沖坑位置和深度確定護(hù)坦水平長20m,護(hù)坦下游開挖面采用大粒徑(D≥500mm)鋼筋籠卵石拋填至弱風(fēng)化線。通過該項(xiàng)措施完全可以保證鼻砍安全。

        通過分析比較,泄洪洞出口采用底流消能方式,消力池較長,費(fèi)用較高,所以本次采用挑流消能的方式。

        2.2 出口消能段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        工作閘室段出口與下游挑流消能段相接,挑流鼻坎段長12m,寬6.0m,弧半徑25.0m,挑角20°。挑流段進(jìn)口底高程1887.90m,出口挑流鼻坎頂高程1889.11m。挑流段整體采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu),過流面現(xiàn)澆C30鋼筋纖維混凝土厚800mm。洪水經(jīng)挑流消能后至下游河道。

        挑流消能段后接45m長護(hù)坦,寬6~34.67m,厚1.8m,下游齒墻深度16m,為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。護(hù)坦后鋪設(shè)預(yù)制C20混凝土四面體,寬度34.67~48.64m,長20m。

        依據(jù)消能工計(jì)算成果,挑砍下游沖坑邊坡系數(shù)略不滿足穩(wěn)定邊坡系數(shù),為保證挑流鼻砍安全,本次設(shè)計(jì)鼻砍下游護(hù)坦采用預(yù)開挖方式護(hù)砌。即護(hù)坦邊坡采用1∶1.5護(hù)砌,并依據(jù)計(jì)算沖坑位置和深度確定護(hù)坦水平長20m,護(hù)坦下游開挖面采用大粒徑鋼筋籠卵石拋填至原基弱風(fēng)化線。

        2.3 泄洪建筑物出口防護(hù)設(shè)計(jì)

        本工程受地形地貌和地質(zhì)條件影響,泄洪建筑物出口距大壩下游壩腳較近,且溢洪道與泄洪洞出口相鄰,容易造成壩腳和泄洪建筑物出口淘、沖刷破壞。本設(shè)計(jì)采用漿砌石護(hù)坡與鋼筋籠塊石防護(hù)相結(jié)合的措施來防止淘、沖刷破壞。

        本工程建設(shè)期在大壩下游設(shè)有施工擋水圍堰,后期作為永久工程保留,將圍堰下游側(cè)左端50m長度段和泄洪建筑物出口兩側(cè)河岸邊坡采用貼坡式漿砌石防護(hù),并在護(hù)坡腳鋪設(shè)鋼筋籠塊石。

        3 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證本工程布置及主要建筑物設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)水庫樞紐進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn),從水力學(xué)角度驗(yàn)證樞紐及各建筑物布置及體型的合理性,提出布置及體型優(yōu)化建議,對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工提出優(yōu)化建議。

        3.1 原設(shè)計(jì)方案各工況水流流態(tài)與流速分布

        為研究各設(shè)計(jì)工況下泄水建筑物下泄水流特點(diǎn),試驗(yàn)中觀測(cè)了各工況泄洪洞出口水流流態(tài),量測(cè)了各特征斷面的水流流速分布。

        3.1.1校核工況

        在水庫泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水、Q0.1%=832.80m3/s工況下,泄洪洞閘門全部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至校核洪水位1962.25m,閘門開度2.48m。

        出泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,但因挑坎高程及下游河道往復(fù)回流的影響,挑流水舌底部會(huì)間歇性受底部水體的影響;出溢洪道水流通過出口挑坎順利起挑,但同樣因挑坎高程及下游河道往復(fù)回流的影響,挑流水舌底部會(huì)間歇性受底部水體的影響。兩股水舌交匯后匯集為一股主流斜沖下游河道右岸,部分水體受右岸岸坡反射后折向上游,在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū),部分水體受右岸岸坡反射后折向下游,在下游河道形成大范圍回流區(qū),并補(bǔ)充受高速主流區(qū)卷吸帶走的水體。

        出泄洪洞挑流水舌長度坎后56.00m,水舌最大高度12.4m;出溢洪道挑流水舌長度坎后56.00m,水舌最大高度8.80m;下游水流最大流速12.04m/s。

        3.1.2設(shè)計(jì)工況

        在水庫泄洪建筑物下泄50年一遇洪水、Q2%=534.00m3/s時(shí),對(duì)水庫調(diào)度運(yùn)行來說,可有不同的調(diào)度運(yùn)行方式,即以溢洪道為主要泄洪通道或以泄洪洞為主要泄洪通道。考慮水庫地處西北地區(qū),庫區(qū)來沙較多,應(yīng)盡可能利用下泄洪水排沙,建議水庫運(yùn)行時(shí),應(yīng)盡可能以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下,泄洪洞閘門全部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m,此時(shí)閘門開度1.68m。

        出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,因以泄洪洞為主要泄洪通道,出泄洪洞水流在水舌落點(diǎn)后部形成一定范圍的急流區(qū),并沿下游河道左岸下泄,受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓,出溢洪道水流也偏向下游河道下泄。受高速主流的剪切作用,在下游河道右側(cè)形成大范圍回流區(qū)。

        出泄洪洞挑流水舌長度至坎后34.00m,水舌最大高度8.00m;出溢洪道挑流水舌長度坎后32.00m,水舌最大高度5.20m;下游水流最大流速15.24m/s。

        3.1.3消能防沖工況

        在水庫泄洪建筑物下泄30年一遇洪水、Q3.33%=464.00m3/s時(shí)?;谏瞎?jié)考慮的庫區(qū)排沙問題,此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下,泄洪洞閘門全部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m,此時(shí)閘門開度0.92m。

        出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,因以泄洪洞為主要泄洪通道,下游水流流態(tài)與設(shè)計(jì)工況基本相同,出泄洪洞水流在水舌落點(diǎn)后部形成一定范圍的急流區(qū),并沿下游河道左岸下泄,受出泄洪洞水流主流的卷吸作用及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓,出溢洪道水流也偏向下游河道下泄,因溢洪道側(cè)出流流量減小,出溢洪道水流所受卷吸作用更為明顯。受高速主流的剪切作用,在下游河道右側(cè)形成大范圍回流區(qū)。

        出泄洪洞挑流水舌外緣至坎后40.00m,水舌最大高度8.00m;出溢洪道挑流水舌長度坎后22.00m,水舌最大高度4.00m;下游水流最大流速15.01m/s。

        3.2 修改方案試驗(yàn)成果及分析

        3.2.1原設(shè)計(jì)方案調(diào)整

        根據(jù)試驗(yàn)研究成果,因溢洪道及泄洪洞挑坎坎頂高程、挑射角度及下游回流影響,某些工況下,挑流水舌會(huì)間歇性受下游水體影響。且在以溢洪道為主要泄洪通道情況下,挑射水流進(jìn)入下游河道后斜沖右岸,在右岸沒有防護(hù)措施或防護(hù)不當(dāng)情況下有可能造成右岸岸坡嚴(yán)重沖刷甚至岸坡坍塌的情況。擬調(diào)整泄洪洞挑坎挑角20°-25°,并建議綜合考慮庫區(qū)排沙需求,盡可能以泄洪洞為首要泄洪通道。

        3.2.2修改方案后水流流態(tài)與流速分布

        (1)校核工況

        修改方案下,在水庫泄洪建筑物下泄1000年一遇洪水Q0.1%=832.80m3/s工況下,泄洪洞閘門全部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至校核洪水位1962.25m,閘門開度2.48m。

        出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,調(diào)整挑坎高度及挑角后,挑流水舌偶受底部水體影響,且影響大為降低。

        出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓,與泄洪洞出流匯合后,下泄主流斜沖下游河道右岸,部分水體受右岸岸坡反射后折向上游,在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū),部分水體受右岸岸坡反射后折向下游,在下游河道形成大范圍回流區(qū)。

        出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后56.00m,內(nèi)緣距坎后47.60m,水舌最大高度8.80m;;出溢洪道挑流水舌外緣距坎后66.40m,內(nèi)緣距坎后46.00m,水舌最大高度10.40m;下游水流最大流速15.27m/s。

        (2)設(shè)計(jì)工況

        修改方案下,在水庫泄洪建筑物下泄50年一遇洪水Q2%=534.00m3/s工況下,泄洪洞閘門局部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m,此時(shí)閘門開度1.68m。

        出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,調(diào)整挑坎高度及挑角后,挑流水舌不再受底部水體的影響。

        出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓,與泄洪洞出流匯合后,下泄主流斜沖下游河道右岸,從流態(tài)觀察,強(qiáng)度大為降低。部分水體受右岸岸坡反射后折向上游,在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū),部分水體受右岸岸坡反射后折向下游,在下游河道形成大范圍回流區(qū)。

        出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后38.40m,內(nèi)緣距坎后26.80m,水舌最大高度8.00m;出溢洪道挑流水舌外緣距坎后28.00m,內(nèi)緣距坎后23.20m,水舌最大高度6.40m;下游水流最大流速10.51m/s。

        (3)消能防沖工況

        修改方案下,在水庫泄洪建筑物下泄30年一遇洪水Q3.33%=464.00m3/s時(shí)。如前考慮庫區(qū)排沙問題相同,此工況亦以泄洪洞為主要泄洪通道。此工況下,泄洪洞閘門全部開啟,控制溢洪道閘門使庫區(qū)水位至設(shè)計(jì)洪水位1961.60m,此時(shí)閘門開度0.92m。

        出溢洪道及泄洪洞水流通過出口挑坎順利起挑,調(diào)整挑坎高度及挑角后,挑流水舌不再受底部水體的影響。

        出溢洪道水流受泄洪洞出流卷吸及下游河道回流區(qū)對(duì)主流的擠壓,與泄洪洞出流匯合后,下泄主流斜沖下游河道右岸,部分水體受右岸岸坡反射后折向上游,在上游右岸及溢洪道出口之間形成大范圍回流區(qū)。

        出泄洪洞挑流水舌外緣距坎后35.20m,內(nèi)緣距坎后25.60m,水舌最大高度8.40m;出溢洪道挑流水舌外緣距坎后22.40m,內(nèi)緣距坎后12.40m,水舌最大高度10.40m;下游水流最大流速13.23m/s。

        3.2.3下游局部動(dòng)床模型及消能防沖修改方案試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)類似工程壩址區(qū)地質(zhì)資料中巖性與沖刷系數(shù)的關(guān)系,確定下游局部動(dòng)床基巖對(duì)應(yīng)允許抗沖流速2.00~3.00m/s。在原下游河道定床地形基礎(chǔ)上,結(jié)合各特征工況下泄水流下游流態(tài),確定下游河道局部動(dòng)床范圍,并按原地形鋪設(shè)模型沙。

        本階段試驗(yàn)中,在下游河道局部設(shè)置為動(dòng)床時(shí),因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動(dòng)床,沖刷河床,會(huì)在短時(shí)期內(nèi)在下游河道內(nèi)形成沖坑,下泄水流能量的消除主要為水墊塘消能。因此下游河道水流呈現(xiàn)不同于定床模型試驗(yàn)的水流流態(tài),下泄水流在水墊塘內(nèi)消除大量能量后,受沖坑后泥沙二次堆丘的影響,主流偏向于左岸下泄,水流流態(tài)如圖1所示,水流對(duì)左岸沖刷較為明顯,需要加強(qiáng)對(duì)左岸岸坡及坡腳的防護(hù)。

        消能工況左岸岸坡處水流最大流速4.17m/s,右岸岸坡處水流最大流速0.96m/s,壩后回流區(qū)最大流速0.32m/s;設(shè)計(jì)工況左岸岸坡處水流最大流速4.39m/s,右岸岸坡處水流最大流速0.64m/s,壩后回流區(qū)最大流速0.38m/s;校核工況左岸岸坡處水流最大流速2.81m/s,右岸岸坡處水流最大流速1.81m/s,壩后回流區(qū)最大流速0.47m/s。

        各特征工況下游河道沖淤地形如圖2—7所示。

        圖1 下游河道水流流態(tài)

        圖2 下游河道泥沙沖淤情況(消能工況)

        圖3 下游河道泥沙沖淤情況(設(shè)計(jì)工況)

        圖4 下游河道泥沙沖淤情況(校核工況)

        圖5 下游河道泥沙沖淤地形(消能工況)

        圖6 下游河道泥沙沖淤地形(設(shè)計(jì)工況)

        圖7 下游河道泥沙沖淤地形(校核工況)

        根據(jù)前階段模型試驗(yàn)情況,在下游河道局部設(shè)置為動(dòng)床時(shí),因泄洪洞及溢洪道挑流水舌作用于下游動(dòng)床,沖刷河床,會(huì)在短時(shí)期內(nèi)在下游河道內(nèi)形成沖坑,水流對(duì)左岸沖刷較為明顯。

        為改善下游河道左岸沖刷明顯的狀況,根據(jù)上階段水流流態(tài)及河道沖刷情況,對(duì)泄洪洞消能方案進(jìn)行調(diào)整。為盡可能使水舌遠(yuǎn)離河道左岸,延長泄洪洞尾端平直段10.00m,即平直段末端由0+741.66m調(diào)整至0+751.66m。并考慮使出泄洪洞尾坎水流盡可能向右擴(kuò)散,提前解除右邊墻的約束,采用切向挑坎,在保持原挑坎半徑及起挑位置基礎(chǔ)上,挑角由連續(xù)20°調(diào)整為右側(cè)20°、左側(cè)35°。泄洪洞尾部挑坎型式如圖8所示。

        試驗(yàn)結(jié)果表明,此泄洪洞消能型式修改方案確能起到使挑流水舌遠(yuǎn)離下游河道左岸,降低左岸直接沖刷的效果。同時(shí),下游回流沿左岸回掏左岸,形成左岸部分沖刷。

        但需說明的是,此回流受下游二次堆丘的準(zhǔn)確模擬、下游河床覆蓋層的準(zhǔn)確模擬及下游河道前期泥沙沖刷均相關(guān),主要是部分下泄水流主流不能沿主河槽順利下泄引起,存在隨機(jī)及不確定性,只能判定左岸有受回流淘刷的風(fēng)險(xiǎn)。需要加強(qiáng)對(duì)左岸岸坡及坡腳的防護(hù)與監(jiān)測(cè)。

        此方案下,校核工況下游河道泥沙沖淤地形如圖9所示。

        4 結(jié)論

        根據(jù)水工模型試驗(yàn)泄流存在問題,調(diào)整泄洪洞出口挑坎高度及挑角后,挑流水舌不再受底部水體的影響,出泄洪洞水流能通過出口挑坎順利起挑,改善了主流偏向左岸的情況。在下游河床固定床面情況下,挑射水舌未能在下游形成沖坑及水墊塘,因消能不充分造成下游水流流態(tài)惡劣;在下游局部動(dòng)床模型試驗(yàn)中,下游河道水流流態(tài)有所改善,說明挑流消能體型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮下游地形及下泄水流在各工況下的實(shí)際流態(tài)情況,確定最終下游河道防護(hù)方案。

        圖8 泄洪洞挑坎型式

        圖9 下游河道水流流態(tài)及河道泥沙沖淤情況(校核工況,消能方案修改)

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        無題
        流水有心
        天津詩人(2017年2期)2017-11-29 01:24:12
        小河流水嘩啦啦
        前身寄予流水,幾世修到蓮花?
        視野(2015年6期)2015-10-13 00:43:11
        經(jīng)過流水
        六盤山(2015年3期)2015-06-29 12:26:37
        紅葉有心,流水有情
        火花(2015年1期)2015-02-27 07:40:13
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