嶠山水庫溢洪道挑流鼻坎結(jié)構(gòu)尺寸的確定

郝曉輝，郭 磊，王 慧

(山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟南 250013)

1 基本概況

嶠山水庫位于莒縣城東北約12km處，屬淮河流域，在沭河水系袁公河支流的大石頭河上。壩址以上控制流域面積為81km2,總庫容4420萬m3,興利庫容為2206萬m3，興利水位145.50m，設(shè)計洪水為百年一遇，相應(yīng)庫內(nèi)水位為150.04m，校核洪水標準為300年一遇，相應(yīng)庫水位為150.65m。

水庫樞紐主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、放水洞和水電站。溢洪道工程主要由引水渠、溢洪閘、泄槽、消能防沖設(shè)施、農(nóng)橋及輸水渠組成。溢洪道全長1193m,閘底板高程為142.50m,閘室凈寬28.8m,100年一遇設(shè)計泄量773.62m3/s，由三孔3m×8m平面鋼板閘控制。挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，通過水舌在空中擴散，然后落入離建筑物較遠的河床與下游水流相銜接的消能方式。挑流消能的工程結(jié)構(gòu)簡單，不需要修建大量的河床防護工程，對具有一定水頭且下游地質(zhì)條件較好的泄水建筑物，采用此種消能方式是比較經(jīng)濟合理的。嶠山水庫溢洪道結(jié)合地形及下游尾水渠出流條件，消能工決定采用挑流消能的方式。

2 影響溢洪道挑流消能效果的水力條件

嶠山水庫溢洪道為挑流消能，挑流消能效果的好壞受諸多因素影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面：消能段的單寬流量；下游水深；上、下游水位差；下游河床地質(zhì)條件；挑流鼻坎的結(jié)構(gòu)尺寸，包括挑角，反弧半徑和挑流鼻坎頂高程等。一般對挑流鼻坎的要求是消能效率要高，以使水流在空中和下游水墊中消耗大部分能量；挑距要遠，沖坑要小，使沖坑位置遠離建筑物，不致掏刷建筑物基礎(chǔ)；下泄水流要平穩(wěn)，避免挑流鼻坎上產(chǎn)生較大的氣蝕及產(chǎn)生較大的尾水波動，對下游河道造成較大破壞。

因此正確合理地確定挑流鼻坎的挑角、反弧半徑及坎頂高程非常關(guān)鍵。但是不同的挑角及不同的反弧半徑對應(yīng)不同的挑距和沖坑深度，這就需要優(yōu)化比較方案，選取消能效果好而且造價合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.1 反弧半徑

反弧段的作用是平順地將水流從陡坡段轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂c水平線成θ角的方向挑射出去，反弧半徑R的大小直接影響射程。一般R越大，坎頂流速分布越均勻，射程越遠。當(dāng)反弧半徑R值過小時，水流將產(chǎn)生過大的離心慣性水頭，使挑距減??；挑流鼻坎反弧半徑R多采用反弧最低點水深h的8～10倍。R過大，鼻坎向下游延伸太長,增加工程量，過小則挑射條件不好,至少應(yīng)使R≥4h?！端嬎闶謨浴分刑岢鲎钚》椿“霃饺缦拢篟min=23h/Fr，式中：h為挑坎上水深；Fr=V/(gh)0.5為挑坎上水流的弗汝德數(shù),V為挑坎上流速。經(jīng)計算在嶠山水庫溢洪道工程中挑流鼻坎反弧半徑R值取18.0m。

2.2 挑流鼻坎的挑射角

挑角的選擇原則是使挑距盡可能遠,但沖刷坑又不過深。對良好基巖，采用較大挑角，以獲得大挑距；對軟弱巖基則采用較小挑角，減小挑距以保證鼻坎基礎(chǔ)的安全。從理論上講當(dāng)鼻坎挑角為45°時，挑距最大，但由于反弧影響，當(dāng)流量小于起挑流量時，水流不能挑射而沿挑坎自由跌落，從而在緊靠挑坎附近形成沖坑；挑角越大，不能形成自由挑流的流量范圍也越大，對坎腳基礎(chǔ)沖刷越嚴重，因而實際工程中多選取挑角范圍在 15°～35°。

2.3 挑流鼻坎的坎高

挑流鼻坎的坎頂高程根據(jù)建筑物布置、工程結(jié)構(gòu)和水力條件等綜合要求確定，一般可略高于下游最高水位?？岔敻叱膛c下游河床面之間的高差即是坎高。顯然，挑流鼻坎高程愈低，則水流出射的流速也愈大，這對增加射程是有利的；同時，工程量小，造價較低。但挑坎高程過低也會產(chǎn)生新的問題，有可能造成挑坎淹沒以致水流不能形成挑射；或因水舌下面被帶走的空氣得不到充分補充形成貼流。所以挑坎最低高程應(yīng)稍高于挑坎附近的下游水位。但考慮到挑流水舌對尾水的推移作用，坎后的水位低于下游水位，故實際設(shè)計中可取挑坎最低高程等于或略高于下游最高尾水位。

2.4 挑射距離

關(guān)于挑射水流形成的沖刷坑，根據(jù)試驗和原型觀測得知：沖刷坑起點與挑射水流水舌內(nèi)線相符，沖刷坑最深點與水舌外線的延長線基本一致。因此應(yīng)分別計算內(nèi)線射程L1及外線射程L2，L1及L2可用下式計算：

式中:H為溢流堰上水深，m；θ為挑射角；P為堰頂與下游河床的高差，m；φ為流速系數(shù)，可取φ=0.65～0.90；Z為坎頂與下游地面的高差，m。

計算L1及L2時式中的值應(yīng)以φ1、φ2代入，一般內(nèi)線射程的流速系數(shù)φ1=0.65～0.85，外線射程的流速系數(shù)φ2=0.70～0.90，陡槽越長數(shù)值越小。

2.5 沖刷坑深度

沖刷坑深度與射流的單寬流量、落差、巖基構(gòu)造和特性以及水力因素有關(guān)，其中單寬流量最為主要。由于沖刷過程及其影響因素復(fù)雜，目前沖刷坑的深度主要靠室內(nèi)試驗和原型觀測資料整理歸納的經(jīng)驗公式來進行估算。

試驗研究表明，挑流總射程L和沖刷坑深度T，是檢驗挑流沖刷是否影響主體建筑物穩(wěn)定安全的重要數(shù)據(jù)。為防止沖刷對建筑物產(chǎn)生不利影響，確保鼻坎基礎(chǔ)的安全，沖刷坑后坡不能過陡，沖刷坑后坡i的定義為：i=T/L，i值越大，對建筑物安全就越不利。當(dāng)沖刷坑后坡i〈ik時，就認為沖刷坑不會危及建筑物的安全。根據(jù)一些工程的模型試驗及原型觀測資料，許可的沖刷坑最大后坡ik一般取1/3～1/4。對于小型水庫，一般尾水深度較小，ik可取1/4。在很疏松的地基上（如細砂及淤泥質(zhì)土等），ik可取1/4～1/6。當(dāng)壩址處下游尾水較淺，地質(zhì)條件不好時，宜采用壅水措施增加水墊深度，如在沖刷坑下游修二道堰；地質(zhì)條件差沖刷坑可能很深，需修建防沖護坦。

3 鼻坎齒墻底的埋置高程

鼻坎齒墻底高程，根據(jù)地質(zhì)條件應(yīng)保持在各種流量沖刷坑的穩(wěn)定基巖以下，以確保鼻坎基礎(chǔ)和溢洪道的安全。首先計算可能的最大沖坑深度，而后由此坑底引安全后坡坡線，與鼻坎出口斷面的垂線相交，鼻坎基礎(chǔ)的砌置深度一般應(yīng)超過該交點以下3m。對巖基墻底高程可深入巖基0.5～1.0m，對非巖基或破碎風(fēng)化巖石，可由沖坑深度決定。同時為防止小流量貼流淘刷，應(yīng)做好坎底基礎(chǔ)的保護。

4 結(jié)語

挑流消能的工程結(jié)構(gòu)簡單，不需要修建大量的河床防護工程，對具有一定水頭的泄水建筑物，且下游地質(zhì)條件較好時，采用這種消能方式是比較經(jīng)濟合理的。挑流鼻坎是挑流消能的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)尺寸的確定關(guān)系到消能效果，筆者在設(shè)計莒縣嶠山水庫溢洪道挑流鼻坎的工程后得出如下見解:

1）挑流鼻坎挑射角和反弧半徑是影響水流射程的主要因素，將影響消能效果的好壞和沖坑的大小。在嶠山水庫溢洪道設(shè)計中，挑流鼻坎反弧半徑采用18.0m，挑射角采用 25°。

2）挑流鼻坎的坎頂高程要根據(jù)地質(zhì)情況和下游水位來確定。一般應(yīng)比下游最高水位高出1～2m,嶠山水庫鼻坎坎頂高程高于下游最高水位l.44m，高程為137.27m；為保證鼻坎基礎(chǔ)安全，鼻坎齒墻底部位于沖刷坑穩(wěn)定坡度以下1.2m，嶠山水庫齒墻底埋深高程130.03m。

3）挑距決定因素較多，挑距越遠，形成的沖坑越小，建筑物越安全。嶠山水庫挑流消能挑射距離為24.13m，沖坑深9.89m，安全后坡i=1:4.0,小于允許最大安全后坡，符合規(guī)范要求。

[1] 武漢水利水電學(xué)院水力學(xué)教研室編.水利計算手冊（第一版）［M］.北京：水利水電出版社.