閆秀秀　尹進步　張曜　吳偉　杜振康　陽洲

摘 要：狹窄河谷中高水頭、大流量、復雜地質(zhì)條件的工程前期導流工程面臨高速水流泄洪問題，對消能體型要求較高?；谒の锢砟Ｐ驮囼瀸δ乘麡屑~導流洞出口消能體型進行優(yōu)化探索，先后提出右岸導向、洞線偏移、左岸分流、強迫消能＋左岸分流４ 種布置方案，通過對水流流態(tài)、流速和沖刷特性等水力參數(shù)進行測定和比選，最終推薦強迫消能＋左岸分流的復合式消能體型，并對推薦體型對大小流量工況的適應性進行導流全過程試驗分析。結(jié)果表明：復合式消能體型在各工況下消能效率較高，圍堰及左岸近岸流速明顯降低，分散水流能有效封堵回流，水面波動強度減弱，主流順利歸槽，沖淤情況良好，保護左岸免受沖刷。該復合式消能體型能夠滿足工程消能及安全穩(wěn)定要求，可為具有類似特點的導流洞工程的出口設計提供參考。

關鍵詞：導流洞；消能體型；消能效果；流態(tài)；沖淤特性

中圖分類號：ＴＶ６５３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２７

引用格式：閆秀秀，尹進步，張曜，等．導流洞復合式出口消能體型的研究與應用［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１５７－１６２．

施工導流是水利水電工程施工過程中一項非常重要的任務，關系到整個工程施工工期與安全［１］ 。采取科學合理的導流方式能夠加快工程施工進度，節(jié)約工程成本，保障工程施工順利進行。對于修建于山勢陡峭且?guī)r石堅硬、基巖穩(wěn)定性好的河谷中的工程，河道較為狹窄，多數(shù)會采用“圍堰全年擋水，岸邊式隧洞導流”的方式，如安康水電站、葉巴灘水電站、小浪底水電站等［２－４］ 均為隧洞導流，泄洪流量為４ ０００～６ ０００ ｍ３ ／ ｓ。

受地勢落差大、河道流量大等因素影響，導流隧洞設計存在泄洪消能體型難以確定的問題［５－６］ 。根據(jù)已有研究，多數(shù)岸邊式隧洞工程常在出口采用單一型的消能體型，最常用鼻坎、斜切坎等挑坎［７－１１］ 進行挑流消能。劉達等［１２］ 對泄洪洞出口分別采用等寬型挑坎、燕尾型挑坎、斜切挑坎３ 種類型的挑坎進行了對比研究。上述挑坎多適用于自由出流且岸坡基巖較好的工程［１３］ 。還有一些工程采用反階梯式消能坎［１４］ 等方式消能，這種消能坎通過對水流進行加糙，增加摻氣旋滾，從而達到消能目的。寶興水電站［１５］ 導流洞出口消能工采用消力墩后加二級消力池的形式，使其形成淹沒水躍進行消能。這些消能坎采用非挑流的形式，適用于下游高水位出流方式。

狹窄河谷地區(qū)，多修建高水頭、大流量工程，對前期導流消能要求較高，上述研究方法中采取的消能體型尚未考慮狹窄河谷中岸坡地質(zhì)不穩(wěn)定因素的影響，且泄洪流量相對較小。復雜地質(zhì)條件工程對消能工的消能效率要求更高，因此消能方式研究和探索尤為必要。筆者結(jié)合西南某高壩工程進行物理模型試驗，主要在超大流量（泄流量最高突破１０ ０００ ｍ３ ／ ｓ）、河谷狹窄、保證左岸不被沖刷破壞情況下，對導流洞出口消能體型開展系統(tǒng)研究，推薦最優(yōu)體型，并驗證其適應性，從而為類似超大流量、復雜地質(zhì)條件的導流工程消能提供參考。

１ 工程概況

某水利樞紐原設計采用岸邊式導流洞進行導流泄洪，兩洞（１＃、２＃）均布置于右岸，如圖１ 所示。導流洞斷面尺寸為１５ ｍ×１７ ｍ（寬×高，城門洞形），過水斷面面積為２３６．１ ｍ２，１＃導流洞洞長１ １２１．６２ ｍ，２＃導流洞洞長１ ３６６．４１ ｍ。出口末端均采用消力池過渡，與出口明渠相接，消力池底板高程３ ４３７ ｍ。

上下游設不過水土石圍堰，上游圍堰最大堰高６１．５ ｍ，下游圍堰建立在壩軸線下游６００ ｍ 處，最大堰高２３．０ ｍ。河道經(jīng)下游圍堰后開始往左右岸擴寬，在１＃洞出口下游１００ ｍ 處，河道寬度最大。隨后右岸山體逐漸向河道延伸，河道開始縮窄，在２＃洞出口下游９５０ ｍ 處，右岸山體出現(xiàn)大拐角，該處河道最窄。經(jīng)山體拐角后，河道寬度變化不大。下游河道右岸山體完整，巖石堅硬，左岸山體多為堆積體，抗沖刷能力較低，且左岸修建有主要干路，因此左岸山體的防沖安全穩(wěn)定要求高?？偨Y(jié)下來，該工程導流隧洞具有以下６ 個顯著特點：水頭高，泄洪流量大，洞線長，上下游水位差大，河道狹窄，左岸抗沖穩(wěn)定性差。

２ 原方案試驗研究

２．１ 模型設計

試驗模型采用重力相似準則，按照正態(tài)模型設計，幾何比尺為１ ∶ ８０。模型模擬范圍應保證試驗工作段的流態(tài)相似［１６］ ?？紤]到上游庫區(qū)導流洞進口前水流相似性要求，模擬至圍堰上游７００ ｍ。下游河道由圍堰起布置動床，考慮到左岸塌滑堆積體抗沖能力差，洪水頂沖和坡腳處地形沖淤均會對岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此左岸坡腳處基巖不向河床內(nèi)延伸，直接采用動床覆蓋層進行模擬。在此基礎上保證河道內(nèi)的水流流態(tài)和地形沖淤不受影響，在２＃導流洞對岸頂沖位置向下游延伸１００ ｍ，選定此位置為動床縱向末端。動床底高程取至３ ４１５ ｍ，鋪砂層后河床高程３ ４３７ ｍ，根據(jù)伊茲巴什公式［１７］ 計算流速，覆蓋層模型沖料粒徑選?。埃怠玻?ｍｍ，河床沖刷試驗時間為２ ｈ，形成穩(wěn)定沖坑后進行觀測和參數(shù)測量［１８］ 。試驗工況及對應流量見表１。

２．２ 初步試驗

在原方案中，導流洞出口采用臺階逐級消能思路。水流沿臺階逐級爬高，實現(xiàn)沿程消能；在最后一級臺階以挑流形式落入河道，大量摻氣，完成消能。但觀測發(fā)現(xiàn)：導流洞出口水流易受臺階阻擋，緊貼兩側(cè)壁面流出，由于流速大，因此形成較高水翅，水體相撞，向四周飛濺；臺階頂部與下游水位落差大，下游河道水墊深度不足，水流跌落處出現(xiàn)明顯的沖刷現(xiàn)象。水流進入河道后，洞出口軸線與河道夾角較大，河道狹窄，下泄洪水易頂沖左岸，且兩洞出口緊鄰，易發(fā)生股間同步交匯［１９］ ，流場相互干擾阻滯，致使主流無法順利歸槽。首先２＃洞臺階末端主流入水直沖對岸，形成折沖水流，部分向上回流；其次在２＃洞臺階末端，１＃洞水流受高流速水體擴散頂托作用大量轉(zhuǎn)向左岸，與向上回流交匯，在河道中央形成較大的回流旋渦。多種方向水流互相影響，導致河道流態(tài)復雜，水面波動劇烈，斷面流速分布不均，具體如圖２ 所示。河床底部砂石在旋滾水流帶動下，不斷翻滾、流動，致使地形沖刷問題嚴重。在兩股主流流經(jīng)處、出口下方齒墻及左岸護坡處均出現(xiàn)較大沖坑，同時受回流作用影響，在圍堰下游形成大范圍的淤積體。上述結(jié)果表明：兩個導流洞的出口總體消能不足，難以滿足工程需求。

試驗測量進一步發(fā)現(xiàn)，導流洞出口壅水問題嚴重，致使雙洞全開時，過流流量只有７ ５８０ ｍ３ ／ ｓ，比設計需要的過流流量９ ２１０ ｍ３ ／ ｓ 低１７．７％，無法滿足過流要求。因此，后續(xù)消能體型的優(yōu)化，須在滿足過流能力前提下進行。

根據(jù)上述不良流態(tài)現(xiàn)象和誘因分析，在導流洞出口體型優(yōu)化設計中，可從以下幾方面入手：一是左岸基巖堆積體的抗沖穩(wěn)定性差，要避免高流速洪水直接頂沖左岸護坡、山體，產(chǎn)生折沖水流，即解決下泄洪水在河道內(nèi)平穩(wěn)歸槽問題；二是避免兩個導流洞下泄洪水同步自由擴散，兩股主流互相影響，特別是１＃洞水流受２＃洞回流頂托產(chǎn)生二次回流，導致河道流態(tài)復雜問題；三是盡可能提高出口水流的消能效果，降低進入河道水流的余能，避免下泄水流回流流速過大，過度沖刷左岸山體和圍堰邊坡，減小河床沖淤，防止山體崩塌、滑坡，威脅圍堰、岸坡和工程區(qū)的整體安全穩(wěn)定。

３ 體型修改及水力特性分析

３．１ 修改方案及流態(tài)、流速分析

根據(jù)上述思路，先后進行了主流以右岸導向為主（方案１）、洞線及出口位置修改（方案２）、以左岸分流為主（方案３）、強迫消能＋左岸分流（方案４）方案的體型修改，在初期導流標準工況Ⅱ（流量Ｑ＝９ ２１０ ｍ３ ／ ｓ）下開展試驗。

３．１．１ 以右岸導向為主

初始方案經(jīng)過臺階充分消能后依然存在余能偏大、頂沖對岸山坡問題，說明只考慮消能并不能解決此問題。方案１ 消能體型將主流導向右岸，使出流方向和消能工作均遠離左岸山坡，體型列于表２，即在導流洞出口下游３０ ｍ 處，由左側(cè)開挖山體位置縱向布置長度為３０ ｍ 的三角斜挑坎，向右前側(cè)逐漸降低，銜接至開挖明渠基面。

方案１ 導流洞出口處及河道流態(tài)見圖３（ａ）。可以看到，在斜坎作用下，１＃和２＃導流洞洪水均貼右岸壁面微挑出流，主流交匯位置脫離左岸。但兩洞出口距離較近，１＃導流洞水流易受２＃導流洞主流頂托，向上產(chǎn)生回流，左岸近岸水面波動較大，水面落差高達５ ｍ，回流表面流速４．９ ｍ／ ｓ，臨底流速達６．１ ｍ／ ｓ。少部分水流與２＃導流洞主流交匯下泄，交匯的主流經(jīng)下游水墊的剪切不充分，余能沖擊左岸，近岸下泄流速為６．８ ｍ／ ｓ。左岸流速較大，沒有很好實現(xiàn)在右岸一側(cè)消能。

３．１．２ 洞線及出口位置修改

兩個導流洞出口布置緊湊，河道狹窄，水流下泄的消能區(qū)域重疊，兩股水流始終會互相影響。針對該問題提出方案２，調(diào)整洞線及出口位置，分離兩個導流洞的消能區(qū)域。使２＃導流洞洞身經(jīng)過一次弧段后，直接與河岸銜接。相較于原設計，洞線加長，拉開了與１＃導流洞出口的距離，出口軸線與河道夾角由原來的２６°減小至１６°。

１＃導流洞出口體型借鑒蘇洼龍水電站導流洞出口明渠內(nèi)異形反臺階消力池［２０］ ，設４ 級臺階，前３ 級由左側(cè)山體向右前方做斜向三角臺階后，再縱向銜接至右岸山體，最后一級臺階高程３ ４４７．０ ｍ，貼左側(cè)護坡布置，對水流進行右岸導向。２＃導流洞出口未設置消能結(jié)構，直接銜接明渠，底高程為３ ４４２．０ ｍ。由圖３（ｂ）可知，兩個導流洞的水流無明顯影響，獨立運行，２＃導流洞水流緊貼右岸淹沒出流，完全歸順河道。主流以河道水墊剪切消能，其消能區(qū)遠離左岸，布置合理。１＃導流洞水流在斜向臺階和頂部臺階導向下，出流方向由軸線向右偏移。小流量時，在異形臺階作用下，消能效果較好，但在大流量時，水流旋滾摻氣不明顯，主流以窄長水舌沖擊河道最窄處，發(fā)生折沖水流，向上生成明顯回流旋渦，左岸近岸回流流速可達５．２ ｍ／ ｓ。左岸近岸下泄水流流速達６．１ ｍ／ ｓ，說明該體型消能效果較差。

３．１．３ 以左岸分流為主

針對回流問題，提出方案３，１＃導流洞出口采用分流扭面坎，將一部分主流向左側(cè)挑起分散，阻滯左岸回流，另一部分主流在內(nèi)臺階基礎上出流，分流坎距出口１５．６ ｍ 開始逐漸升高，最終高程距離臺階平面１０ ｍ（具體結(jié)構尺寸見表２）。方案３ 的出口及河道水流流態(tài)見圖３（ｃ）。１＃導流洞主流在分流扭面坎導向下，小部分經(jīng)扭面斜向左岸擴散，大部分水流經(jīng)臺階消能后下泄。分流攜帶能量較少，在左岸能抵擋回流，且不沖擊護坡。主流經(jīng)分流后，攜帶的能量有所下降，與河道水體發(fā)生碰撞，涌起多層波浪，經(jīng)過水墊層剪切，余能仍然沖擊左岸，近岸波浪爬高達２．５ ｍ。但相對于前兩個方案，左岸近岸下泄流速和回流流速均有所下降，在圍堰處回流流速為２．７ ｍ／ ｓ。采取分流的消能體型，能夠阻滯回流，降低主流能量，消能效果有所提高。

３．１．４ 以強迫消能＋左岸分流

方案４ 為以強迫消能＋左岸分流的復合式消能體型，第一道消能采取強迫消能坎，對大落差的水流進行消能處理。強迫消能后的水流及左側(cè)繞流水體通過第二道消能圍坎后大范圍擴散分流，均勻地進入下游河道。具體布置見表２：將出口靠近河道一側(cè)山體開挖開敞式明渠，靠近河道一側(cè)預留高８ ｍ、寬４ ｍ 的擋墻作為第二道消能圍坎，距離出口下游２４ ｍ 處，橫向布置梯形強迫消能坎，坎頂高程３ ４５１．０ ｍ，迎水面長２２ ｍ，縱向?qū)挘保?ｍ。

方案４ 出口及河道水流流態(tài)見圖３（ｄ）。試驗觀察可知，下游水位較高，水墊高程均高于導流洞頂及消能坎，１＃導流洞出流基本上為淹沒出流。受強迫消能坎作用，水位壅高，水流向上翻滾形成寬而厚的水舌，過坎后及時落入水墊層。經(jīng)過其強迫消能，水流表面劇烈翻滾，在消能坎下游形成多層多股、大量摻氣的白色涌浪，至河道中部水流流態(tài)開始平緩，左岸近岸水面平穩(wěn)，波動范圍在２ ｍ 之內(nèi)，近岸流速降低至１．９ ｍ／ ｓ。第二道消能圍坎分散水流效果明顯，下部水體各向均勻擴散，經(jīng)水墊層剪切消能充分，其流至左岸護坡處可避免發(fā)生折沖，同時有效封堵回流。復合式消能體型消能效果明顯，消能區(qū)域小，可使下泄水流遠離左岸。

３．２ 沖刷特性分析

由于該工程整體泄洪流量大，即單洞水流攜帶能量較大，出口消能體型設計不合理，未能分散消耗能量，因此造成入水集中現(xiàn)象，出口下游形成明顯沖坑，在左岸發(fā)生折沖水流位置易發(fā)生護坡底部淘刷，沿護坡底生成窄而深的細長沖坑。根據(jù)有關學者［２１－２２］ 研究，岸坡發(fā)生崩塌與近岸流速、坡前水流的沖刷有關，與水體紊動及次生流也有一定關系。方案１～３ 河道沖淤情況見圖４，這３ 個方案涵蓋上述分析的典型沖坑與淤積體。在方案１ 中，１＃導流洞出口下游及左岸護坡下的河床均產(chǎn)生較大沖坑，沖坑底部已裸露基巖。方案１ 和方案２ 河道內(nèi)均有較大回流產(chǎn)生，使得圍堰下游泥沙在回流旋渦帶動下，形成較大淤積體。方案３ 左岸分流阻滯了回流，在圍堰下游未出現(xiàn)較大淤積體，但回流仍然存在，在左岸分流與主流之間形成突出淤積體，消能能力仍然不足，左岸同樣出現(xiàn)淘刷，左岸護坡坡腳處的沖坑會危及岸坡穩(wěn)定，淤積體的存在也會導致下游水位抬高。

方案４ 復合式消能體型下的沖刷地形見圖４（ｄ）?？梢钥闯?，復合式消能體型導流洞出口水流下部發(fā)散進入河道，不會對其產(chǎn)生明顯沖刷，上部水舌落點主要在河道中部及右側(cè)， 形成小范圍沖坑（ 沖坑深度４．２ ｍ）。左岸同樣存在細長沖坑，但其消能效果良好，無折沖水流和回流旋渦現(xiàn)象，沖坑范圍及深度優(yōu)于其他方案，河道內(nèi)無突出淤積體，河床最高高程僅有３ ４３８．０ ｍ，可保證左岸工程安全穩(wěn)定運行。

由試驗結(jié)果可知，利用反臺階消能，其效果并不理想。兩洞出口距離小，單純依靠右岸過流，脫離左岸并不理想，主流交匯，勢必會相互作用，造成回流等復雜惡劣流態(tài)。左岸分流體型能封堵下游的回流，但受河道狹窄限制，消能區(qū)域小，主流余能過大，左岸基巖受到高速水流的脈動壓力作用容易破碎。復合式強迫消能坎消能率最高，主流經(jīng)能量耗散后，可順利歸槽，近岸流速低，河床沖坑深度較小，左岸坡腳避免沖刷破壞，保證護坡安全穩(wěn)定；第二道消能圍坎的分流作用能均勻分散水流能量，有效回堵下游回流，因此方案４ 為推薦體型。

４ 推薦體型導流全過程分析

上文主要對導流洞出口體型在初期導流標準工況下進行多方案比選研究，最終推薦最優(yōu)體型，對于該體型在小流量以及超大流量工況下的適應性還有待討論，因此下面針對推薦體型在其他工況下的水力特性進行分析，以確保該復合式消能體型滿足導流全過程需求。

４．１ 流態(tài)及消能特性

在導流過程中，對于不同流量，１＃導流洞洪水出流方式略有不同。對于工況Ⅰ和Ⅱ，流量較大時，下游水位高于出口斷面高程，水流多為淹沒出流，上層水體經(jīng)強迫壅高，從消能坎翻滾而出，與空氣大量接觸，能量被消減，水氣混摻區(qū)縱向在出口至下游９５０ ｍ 范圍內(nèi)，橫向水流經(jīng)水墊層的剪切消能未沖刷左岸。對于工況Ⅲ和Ⅳ，流量較小時，洪水受消能坎的阻滯，向左側(cè)開敞處偏轉(zhuǎn)，大部分水流由第二道消能圍坎分散出流，強迫消能坎上部有較薄摻氣水層，由于水流攜帶集中能量由第二道消能圍坎分散后，再經(jīng)過水墊層的二次碰撞，消能區(qū)域較小，因此僅在河道中部偏右位置便完成消能工作。

４ 種工況左岸近岸的水面波動變化見圖５?？梢钥闯?，最大流量（Ｑ＝１０ ７６０ ｍ３ ／ ｓ）工況下，１＃導流洞水流余能到達左岸，波浪在下游９５０ ｍ 處爬高至３ ４６１．４ ｍ，與２＃導流洞出流匯合后，最大爬高至３ ４６２．０ ｍ。該工況下，左岸近岸水面波動最為劇烈，上下水面高差為２．３ ｍ。隨著流量減小，消能區(qū)域減小，余波沖擊左岸的位置逐漸向上游偏移，水面逐漸平緩，工況Ⅲ水面波動高差最小（為０．５ ｍ）?？梢姡保Я鞫闯隹诘膹秃鲜较荏w型，在小流量工況下水流可順利過渡到下游，水面平穩(wěn)，效果極佳；在大流量工況下左岸水面起伏相對較大，但整體上滿足工程安全需求。

４．２ 流速及沖刷特性

大流量工況Ⅰ和Ⅱ，主流多從強迫消能坎流出，其沖坑位置出現(xiàn)在導流洞出口正下游處；相對于小流量工況Ⅲ和Ⅳ，主流多從左側(cè)開敞處流出，沖坑位置偏移至出口左側(cè)下游。小流量工況下游水位低，水流跌落進入較薄水墊層，因此小流量工況下的沖坑深度反而大于大流量工況的。不同工況沖坑高程特征值見表３，測量范圍主要在１＃導流洞附近。工況Ⅳ為１＃導流洞單獨運行，出流流量高于工況Ⅲ，沖坑深度最大，為８．６ ｍ，相較于工況Ⅰ往下延伸了４．６ ｍ。

觀察表３ 中水流流速發(fā)現(xiàn)，工況Ⅰ在左岸護坡處的表面流速與工況Ⅱ的相同，但臨底流速最大為２．４ ｍ／ ｓ，對應左岸護坡下部的沖坑淘刷最深，說明臨底流速對河床的沖淤影響較大。整體來看，１＃導流洞流量由小變大過程，水流余能逐漸頂沖至左岸，近岸流速逐漸增大。由于水流余能較小，且在分流阻滯下，左岸無回流現(xiàn)象產(chǎn)生，圍堰處流速小于抗沖流速，河床無明顯沖刷痕跡，因此在導流全過程中，河床沖淤整體良好，可避免左岸護坡產(chǎn)生較大沖坑，河道內(nèi)也無突出淤積體，對下游水位無影響。

５ 結(jié)論

導流洞出口普遍采用單一消能體型，在流量偏小、岸坡穩(wěn)定的工程中適應性強，然而對于大流量、狹窄河道、復雜地質(zhì)條件的工程而言，單一消能體型無法滿足工程需求，復合式消能體型則具有較強的適應性。具體結(jié)論如下：

１）１＃導流洞出口采取強迫消能坎和第二道消能圍坎體型能夠滿足過流要求，出口水流經(jīng)強迫消能坎作用形成淹沒水躍，水舌大量摻氣，主流經(jīng)水墊剪切作用消耗大量能量，加快了水體流速的衰減，極大提高了消能效率，主流未到達左岸便平穩(wěn)歸槽。第二道消能圍坎均勻分散下部水體，橫向擴散的水流流速較小，對左岸護坡無沖擊，可有效封堵回流。

２）導流全過程各工況試驗結(jié)果表明，該復合式出口體型在大小流量下適應性均良好。左岸近岸流速較小，水流平緩，河道內(nèi)無回流現(xiàn)象，下游河道沖淤情況良好，河床內(nèi)未出現(xiàn)突出淤積體，左岸護坡處無嚴重沖坑，因此該體型有效保護了左岸護坡和圍堰的安全穩(wěn)定，整體上滿足工程要求。

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【責任編輯 張華巖】

基金項目：國家自然科學基金資助項目（５１２７９１７０）