一种高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法及溢洪道结构与流程

本发明涉及水利水电工程，特别是一种高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法及溢洪道结构。

背景技术：

1、溢洪道作为水利水电工程中最重要的泄洪建筑物，其布置合理性与泄洪安全、岸坡稳定及工程经济性直接相关。在常规水电站枢纽布置中，当坝址河段存在天然弯道时，设计人员通常采用“截弯取直”的布置思路，将溢洪道布置于河道弯段的凸岸，使溢洪道末端正对下游河床中部，利用弯道地形天然引导下泄水流远离岸坡，以降低高速水流对下游岸坡的冲刷破坏风险，保障枢纽及下游岸坡的长期稳定。然而，并非所有工程坝址均具备理想的弯段地形条件。受区域性地质构造和河流地貌发育规律制约，大量水电工程坝址所在河段天然河道形态顺直、岸坡陡峻，缺乏可供利用的弯道凸岸地形，此类地形条件下溢洪道的布置无法沿用传统的弯道导流思路，面临更为严峻的技术挑战。

2、针对高陡边坡顺直河道条件下的溢洪道布置，现有技术中常规采用多孔等纵坡溢洪道方案，即各泄洪孔的底板坡度完全一致、进口堰顶高程齐平、出口底板高程相同。这种布置形式在缓坡或宽谷河段中应用成熟，但直接移植至高陡边坡顺直河道条件下则暴露出诸多缺陷。首先，为满足等纵坡溢洪道的平面及纵坡布置要求，往往需对高陡岸坡进行大规模削坡开挖，同时在河道侧进行大量回填以人工构建满足布置需求的场地条件，导致土石方工程量急剧增加，不仅显著推高工程造价，还因高陡边坡施工复杂性而大幅延长建设周期。其次，等纵坡布置下各孔泄槽坡度相同，末端挑流鼻坎仅能通过鼻坎长短进行有限错开，水舌落点沿河道纵向的分散程度极为有限，下泄能量高度集中。更严重的是，在顺直河道条件下，这种集中出流方式必然导致高速水流直冲或侧冲下游岸坡，强烈的淘刷作用极易引发岸坡失稳，对枢纽长期运行安全构成严重威胁。此外，现有溢洪道设计实践中，底坡的确定多依赖工程经验与定性判断，缺乏将地形适应性与工程造价纳入统一量化分析的设计方法，难以在保障泄洪安全的前提下实现结构布置的经济性优化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法及溢洪道结构，以解决现有技术中高陡边坡顺直河道条件下溢洪道底坡设计难以同时兼顾水力学安全与经济性协同的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法，包括：

4、拟定岸坡侧泄洪孔底坡初始的第一纵坡度和河道侧泄洪孔底坡初始的第二纵坡度；

5、根据所述岸坡侧泄洪孔的开挖成本和所述河道侧泄洪孔的回填成本，构建综合成本函数；

6、将所述第一纵坡度和所述第二纵坡度代入所述综合成本函数中，迭代求解获取所述综合成本函数的最小值；

7、将最小值对应的所述岸坡侧泄洪孔底坡纵坡度和所述河道侧泄洪孔底坡纵坡度确定为最优的底坡参数组合，并根据所述底坡参数组合设计目标溢洪道结构。

8、可选地，所述拟定岸坡侧泄洪孔底坡初始的第一纵坡度和河道侧泄洪孔底坡初始的第二纵坡度，包括：

9、确定岸坡侧泄槽和河道侧泄槽的水利约束条件；

10、拟定临界底坡，并确定在所述水利约束条件下岸坡侧泄洪孔底坡、河道侧泄洪孔底坡和所述临界底坡的相对坡度关系；

11、根据工程布置条件，在确定的所述相对坡度关系下拟定所述岸坡侧泄洪孔底坡初始的所述第一纵坡度；

12、根据所述相对坡度关系和所述岸坡侧泄洪孔底坡初始的所述第一纵坡度，确定所述河道侧泄洪孔底坡初始的所述第二纵坡度。

13、可选地，所述确定在所述水利约束条件下岸坡侧泄洪孔底坡、河道侧泄洪孔底坡和所述临界底坡的相对坡度关系，包括：

14、根据所述水利约束条件，分别确定所述岸坡侧泄洪孔底坡纵坡度和所述河道侧泄洪孔底坡纵坡度与所述临界底坡纵坡度的第一相对关系；

15、根据所述岸坡侧泄洪孔底坡在工程布置时的原始岸坡地形条件和河道侧泄洪孔底坡在工程布置时的原始河床地形条件，确定所述岸坡侧泄洪孔底坡纵坡度和所述河道侧泄洪孔底坡纵坡度的第二相对关系；

16、根据所述第一相对关系和所述第一相对关系，结合预设挡水坝下游的综合坡比，确定所述岸坡侧泄洪孔底坡纵坡度、所述河道侧泄洪孔底坡纵坡度、所述临界底坡纵坡度和所述综合坡比的相对坡度关系，所述相对坡度关系的表达式为：

17、

18、式中，表示挡水坝下游的综合坡比，表示河道侧泄洪孔底坡的纵坡度，表示岸坡侧泄洪孔底坡的纵坡度，表示临界底坡的纵坡度。

19、可选地，所述根据所述相对坡度关系和所述岸坡侧泄洪孔底坡初始的所述第一纵坡度，确定所述河道侧泄洪孔底坡初始的所述第二纵坡度，包括：

20、根据确定的所述相对坡度关系预设底坡增量；

21、根据所述底坡增量和所述第一纵坡度，计算获取所述第二纵坡度，计算所述第二纵坡度的函数表达式为：

22、

23、式中，表示河道侧泄洪孔底坡初始的第一纵坡度，表示岸坡侧泄洪孔底坡初始的第二纵坡度，表示底坡增量。

24、可选地，所述根据所述岸坡侧泄洪孔的开挖成本和所述河道侧泄洪孔的回填成本，构建综合成本函数，包括：

25、根据所述岸坡侧泄洪孔的开挖量、弃渣运距和开挖难度，确定以所述岸坡侧泄洪孔底坡的纵坡度为自变量的开挖成本；

26、根据所述河道侧泄洪孔底坡的回填量、回填料单价和压实成本，确定以所述河道侧泄洪孔底坡的纵坡度为自变量的回填成本；

27、获取工程的附加成本，并结合所述开挖成本和所述回填成本构建所述综合成本函数，所述综合成本函数的函数表达式为：

28、

29、式中，表示以岸坡侧泄洪孔底坡的纵坡度和河道侧泄洪孔底坡的纵坡度为自变量的综合成本，表示以岸坡侧泄洪孔底坡的纵坡度为自变量的开挖成本，表示以河道侧泄洪孔底坡的纵坡度为自变量的回填成本，表示工程的附加成本。

30、可选地，所述将所述第一纵坡度和所述第二纵坡度代入所述综合成本函数中，迭代求解获取所述综合成本函数的最小值，包括：

31、将所述第一纵坡度和所述第二纵坡度作为迭代初始值代入所述综合成本函数中，并在所述水利约束条件下改变所述第一纵坡度和所述第二纵坡度；

32、迭代获取每次改变后对应纵坡度组合的综合成本，并从所有的所述综合成本中取最小值。

33、可选地，所述高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法还包括确定最优的底坡参数组合后，对最优的底坡参数组合进行验证，包括：

34、根据确定的最优所述底坡参数组合建立数值仿真模型；

35、通过所述数值仿真模型的水力学数值模拟，获取模拟输出的流态特征，以及泄槽时沿程的流速分布、壁面压力分布和水流空化数分布；

36、根据所述流态特征，确定所述岸坡侧泄洪孔和所述河道侧泄洪孔内沿程的流态类型；

37、当确定所述岸坡侧泄洪孔和所述河道侧泄洪孔内沿程的流态类型为急流时，且泄槽时沿程的所述流速分布、所述壁面压力分布和所述水流空化数分布满足预设阈值，则验证最优的所述底坡参数组合为目标底坡参数；

38、当确定所述岸坡侧泄洪孔和所述河道侧泄洪孔的流态类型不为急流时，或泄槽时沿程的所述流速分布、所述壁面压力分布和所述水流空化数分布任意一项不满足所述预设阈值，重新确定所述第一纵坡度和所述第二纵坡度并迭代所述综合成本函数。

39、本发明还公开了一种溢洪道结构，采用上述的高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法进行设计，包括：

40、溢洪道本体，包括并排的河道侧泄洪孔和岸坡侧泄洪孔，以及分隔所述河道侧泄洪孔和所述岸坡侧泄洪孔的中间隔墙，所述溢洪道本体沿水流方向依次划分为进口段、泄槽段和出口段；

41、所述河道侧泄洪孔位于所述进口段的底坡高程与所述岸坡侧泄洪孔位于所述进口段的底坡高程齐平，且所述岸坡侧泄洪孔位于所述泄槽段的纵坡坡度小于所述河道侧泄洪孔位于所述泄槽段的纵坡坡度；

42、其中，所述河道侧泄洪孔对应的所述出口段位于所述岸坡侧泄洪孔对应所述出口段的上游，且形成阶梯式的双出口构型。

43、可选地，所述泄槽段与所述出口段之间通过上游缓坡衔接，且所述上游缓坡沿水流方向呈圆弧型，所述出口段的末端设置有挑流鼻坎，所述挑流鼻坎的底板为反弧形，且所述挑流鼻坎的靠岸坡侧设置有平面贴脚体，所述平面贴脚体为靠岸坡侧高于靠河道侧的斜面结构。

44、可选地，所述河道侧泄洪孔位于所述出口段的外侧边墙和所述岸坡侧泄洪孔位于所述出口段的外侧边墙为不对称结构，且所述河道侧泄洪孔位于所述出口段的外侧边墙短于所述河道侧泄洪孔的底坡长度，所述岸坡侧泄洪孔位于所述出口段的外侧边墙与所述岸坡侧泄洪孔的底坡长度一致，所述中间隔墙长于所述河道侧泄洪孔的底坡长度，且短于所述岸坡侧泄洪孔的底坡长度。

45、与现有技术相比，本发明实施例提供的一种高陡边坡溢洪道纵坡分异设计方法及溢洪道结构有益效果在于：

46、通过构建包含岸坡侧泄洪孔开挖成本和河道侧泄洪孔回填成本的综合成本函数，使底坡设计具备量化寻优依据，解决了现有设计实践中缺乏定量寻优方法的行业难题。通过迭代求解所述综合成本函数的最小值，能够在所有可行底坡组合中筛选出综合成本最低的最优底坡参数组合，实现岸坡侧开挖量与河道侧回填量的同步最小化，削减土石方工程量、降低工程造价并缩短施工周期。根据所述最优底坡参数组合设计目标溢洪道结构，能够使两孔出口底板高程自然形成高差，使水舌沿河道纵向分散出流，充分利用河道纵向消能空间，避免下泄能量集中冲刷岸坡。