一種新型舌瓣鼻坎消能工的應(yīng)用研究

張桂花，胡士輝，張曉雷，李 彬

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州450016；2.黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州450004；3.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州450046；4.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222）

近年來我國碾壓混凝土重力壩建設(shè)較多，工程所處區(qū)域地形、地貌、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，在壩高、泄流量、河段地形、地貌、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)性等因素影響下無法采用底流消能方式時，一般采用挑流方式消能。挑流消能工挑坎體形設(shè)計甚為關(guān)鍵，一些學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究，如:麥麥提江·艾麥提［1］采用FLUENT軟件對挑流水舌形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對連續(xù)式挑流鼻坎進(jìn)行了體形優(yōu)化；衛(wèi)勇［2］采用整體水工模式對復(fù)式挑流鼻坎的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得到復(fù)式挑流鼻坎對減小岸邊沖刷深度和降低下游淤積高程具有良好效果的結(jié)論；李澤等［3］采用整體水工模型研究提出了分條復(fù)式扭曲挑流鼻坎；李元杰等［4］采用整體水工模型研究提出了一種新型非對稱轉(zhuǎn)向收縮差動式挑坎；劉斌［5］通過水力學(xué)模型試驗(yàn)研究提出兩底孔出口可采用矩形不對稱寬尾墩形成的窄縫體形，三表孔可采用左、右表孔差動式齒坎與中表孔舌形鼻坎組合的優(yōu)化方案來改善水墊塘內(nèi)的水流流態(tài)，提高消能效率，使水墊塘底板所受動水沖擊壓力及脈動壓力達(dá)到設(shè)計要求。

大石澗水庫工程由于大壩上下游水位落差大，溢洪道單寬流量大，消能段河谷狹窄，加之地形、地貌、地質(zhì)等因素影響，因此其泄洪消能工設(shè)計受到較大的限制，而上述學(xué)者所采用的挑流消能工無法解決該工程的泄水消能沖刷問題。筆者結(jié)合連續(xù)式和差動式挑流鼻坎體形的優(yōu)點(diǎn)，研究提出了一種新型舌瓣鼻坎消能工，并通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，最終使該消能工在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用。

1 工程概況

大石澗水庫工程位于黃河二級支流渡洋河中上游，是一座以灌溉供水為主并可起到攔洪滯蓄作用的中型水利樞紐工程。其控制流域面積173 km2，總庫容3 309萬m3，大壩為碾壓混凝土重力壩，建筑物級別為3級，設(shè)計壩高68.9 m、壩頂長度295.0 m，大壩由擋水壩段和溢流壩段組成，共分14個壩段，其中溢流壩段64.0 m、左岸擋水壩段122.5 m、右岸擋水壩段108.5 m。表1給出了水庫設(shè)計及校核洪峰流量。

表1 水庫設(shè)計及校核洪峰流量

大石澗水庫壩址區(qū)河槽兩岸均為雄厚的中低山山體，山頂高程600～710 m，兩岸岸坡坡度35°～50°，局部近直立，泄洪消能區(qū)左岸有一凸出的山包，泄洪消能設(shè)施的布置受到較大限制。水庫溢流壩下游河床覆蓋層厚8～10 m，局部達(dá)12 m。原設(shè)計泄洪消能方案采用連續(xù)坎挑流消能方式，其模型試驗(yàn)結(jié)果表明:庫區(qū)來流平順，泄流建筑物泄流能力滿足要求，表孔堰面曲線設(shè)計合理，溢流表孔出流正對河道，水流沒有沖刷兩岸；在設(shè)計工況下，下游河道最大沖刷深度12.8 m，略深于覆蓋層厚度；由于水舌空中擴(kuò)散程度低，水流落點(diǎn)過于集中，因此兩岸均有不同程度的淘刷，影響岸坡穩(wěn)定。為達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效果，不宜處理地形地質(zhì)條件，因此只能對末端挑流鼻坎進(jìn)行修改和優(yōu)化［7］，考慮對原挑流消能設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，解決其消能防沖問題。

2 新型挑流消能工設(shè)計

2.1 挑流消能工體形選擇

常用挑流鼻坎主要有連續(xù)式和差動式，兩種挑流鼻坎體形各有優(yōu)缺點(diǎn)［2］:連續(xù)式挑流鼻坎構(gòu)造簡單，不易發(fā)生空蝕破壞，但挑流時水股密實(shí)集中，高水頭大流量時對下游河床沖刷較深；高低差動式挑流鼻坎的沖淤情況有較大改善，上下兩層水舌挑距差太小，水舌落點(diǎn)仍較為集中，消能效果較連續(xù)式好，但易發(fā)生空蝕破壞。

基于有關(guān)學(xué)者已有研究成果［1-6］，結(jié)合連續(xù)式和差動式挑流鼻坎體形的優(yōu)點(diǎn)，研究提出了一種新型舌瓣鼻坎體形，即在連續(xù)式基礎(chǔ)上向前不連續(xù)伸出一段舌形底板形成長短差動的舌形挑流鼻坎。

2.2 新型舌瓣挑坎設(shè)計

大石澗水庫工程溢流壩總寬度為60.0 m，其新型舌瓣鼻坎消能工采用三瓣式舌形挑流鼻坎，即整個消能工由3個大舌形鼻坎加2個缺口組成，見圖1。經(jīng)過多種方法多次對比調(diào)整，最終確定左右兩側(cè)舌形鼻坎對稱布置，均由半徑13.7 m和10.01 m的兩段圓弧組成，鼻坎反弧半徑均為15 m，最大挑射角35.0°；中間舌形鼻坎平面投影為半徑11.79 m的一段圓弧，最大挑射角30.0°；缺口寬度為3 m，挑射角15.0°。

圖1 新型舌瓣鼻坎消能工布置（單位:m）

3 物理模型

3.1 物理模型設(shè)計

根據(jù)溢流堰堰上水頭及泄流能力，物理模型選取模型比尺為1∶40。物理模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，幾何比尺λL=40、流速比尺λv=6.32、壓力比尺λP=40、流量比尺

動床模擬:工程沖刷區(qū)附近河中覆蓋層厚度約8 m；左岸邊坡較緩，覆蓋層較厚，為10～12 m；右岸邊坡較陡，覆蓋層厚僅2 m左右。為了提高物理模型沖刷與原型的相似性，物理模型將消能區(qū)左岸動定床邊界適當(dāng)外移，擴(kuò)大動床范圍，將左岸動床模型沙按基巖和覆蓋層分層模擬，其中下層基巖用中值粒徑3 cm的鵝卵石模擬，其抗沖流速折合原型流速為5 m/s左右。

圖2 給出了整體模型試驗(yàn)平面布置情況。

3.2 物理模型成果分析

3.2.1 挑流水流流態(tài)

圖3 給出了不同泄洪工況下挑流水舌形態(tài)及下游河道水流流態(tài)。不同泄洪工況下挑流水舌水流的主入水區(qū)均基本位于河床中心位置，避免了挑流水舌對兩岸坡的直接沖刷，同時減輕了對河床的沖刷；校核洪水時，中間水舌最遠(yuǎn)落點(diǎn)較左右兩側(cè)水舌最遠(yuǎn)落點(diǎn)近2～3 m，缺口和左右邊墻處挑流水舌落點(diǎn)距壩腳50 m左右，消能區(qū)左右岸最大回流流速為5.53、3.95 m/s，下游河道最大流速為5.87 m/s，平均流速為5.55 m/s；設(shè)計洪水時，水舌擴(kuò)散形態(tài)和校核洪水相似，范圍略小，但水舌更薄、更光滑，缺口和左右邊墻處挑流水舌落點(diǎn)較校核洪水時短10 m左右，消能區(qū)左右岸最大回流流速分別為4.31、3.96 m/s，下游河道最大流速6.54 m/s，平均流速5.04 m/s；30 a一遇洪水時，水舌在空中呈燈泡形，水舌光滑擴(kuò)散形態(tài)較好，挑流水舌最遠(yuǎn)落點(diǎn)處三股水舌落點(diǎn)位置相差不大，消能區(qū)左右岸最大回流流速為3.85、1.47 m/s，下游河道最大流速5.44 m/s，平均流速4.89 m/s。

圖2 大石澗水庫工程整體模型試驗(yàn)平面布置示意

圖3 新型舌瓣鼻坎消能工物理模型試驗(yàn)挑流水舌形態(tài)及下游河道水流流態(tài)

3.2.2 下游河道沖淤形態(tài)

圖4 給出了不同泄洪工況下下游河道沖淤形態(tài)。校核工況消能區(qū)兩岸沖刷嚴(yán)重，最大沖深6.5 m，仍比壩基礎(chǔ)高出6.5 m，不會影響壩體穩(wěn)定；設(shè)計工況河中沖深比校核工況減少1.5 m，左岸沖刷范圍減小，基巖略有沖刷，右岸基巖沖刷6 m左右；30 a一遇洪水時，河中沖深與設(shè)計工況接近，但范圍較小，消能區(qū)左岸覆蓋層淘刷后基巖裸露，但基巖沒有產(chǎn)生沖刷，右岸基巖沖刷3～4 m，不會影響岸坡穩(wěn)定。

綜上分析，新型舌瓣鼻坎消能工起到了明顯的消能效果，減小了下游沖刷范圍及沖坑深度。

圖4 新型舌瓣鼻坎消能工物理模型試驗(yàn)下游河床沖淤形態(tài)

3.2.3 挑坎段流速及壓力分布

為了分析新型挑流鼻坎體形設(shè)計的合理性，沿模型鼻坎布置了9個測壓點(diǎn)，各測點(diǎn)流速值見表2；在左側(cè)鼻坎上布置了4個測壓點(diǎn)來測試鼻坎段壓力，各測點(diǎn)位置、高程及校核、設(shè)計和30 a一遇洪水3種工況下壓力值見表3。

不同泄洪工況溢流表孔泄流時堰面流速呈逐漸增大趨勢，進(jìn)口流速最小，鼻坎反弧最低點(diǎn)流速達(dá)到最大，出口流速略有減小，挑坎段流速分布較為均勻，水流流態(tài)較好；校核洪水時，墩頭進(jìn)流表底流速分別為5.6、8.3 m/s，鼻坎上最大流速達(dá)27.29 m/s；設(shè)計、30 a一遇洪水時，鼻坎最大流速分別為26.04 m/s和25.80 m/s。

表2 溢流表孔沿程流速分布 m/s

表3 溢流表孔鼻坎段壓力及水流空化數(shù)

由表3可知:校核、設(shè)計和30 a一遇洪水等工況新型舌瓣鼻坎壓力均較大，不同泄洪工況挑坎段各測點(diǎn)均未出現(xiàn)負(fù)壓情況；最大壓力出現(xiàn)在校核工況時鼻坎反弧低點(diǎn)的16號測點(diǎn)，數(shù)值為7.93×9.8 kPa；鼻坎段最小空化數(shù)0.36，最大水流流速均未超過30 m/s。由于不同泄洪工況挑坎段沿程均未出現(xiàn)負(fù)壓，因此挑坎結(jié)構(gòu)不易發(fā)生空蝕破壞。

3.2.4 消能效果分析

通過水工試驗(yàn)對溢流表孔進(jìn)行了連續(xù)挑坎、高低差動挑坎、長短差動挑坎、舌瓣坎等多種方案對比，表4給出了各方案沖刷結(jié)果。

表4 各種挑坎沖刷結(jié)果 m

由表4可知，6種挑流鼻坎方案河中沖刷深度相差不大，但從左右岸和護(hù)坦末段沖刷情況來看，方案6優(yōu)于其他方案。另外，方案6水舌形態(tài)好，左岸回流范圍小、回流強(qiáng)度不大，水舌空中擴(kuò)散程度高，在入水落點(diǎn)處展開，有效減輕了對河道的沖刷，岸邊沖刷范圍較小。根據(jù)下游沖淤結(jié)果及水流流態(tài)情況，最終采用新型舌瓣挑坎方案。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)學(xué)模型搭建及邊界條件設(shè)置

采用Flow-3D軟件中的泥沙沖刷模型結(jié)合RNG模型和FAVOR方法，進(jìn)行新型舌瓣鼻坎消能工數(shù)值模擬試驗(yàn)，F(xiàn)low-3D軟件的數(shù)學(xué)控制方程及其解法詳見文獻(xiàn)［8］。按原型1∶1的比例搭建數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格，其中:一般區(qū)域采用網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m×2 m、堰體及消能區(qū)局部加密網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m，數(shù)學(xué)模型共有網(wǎng)格600萬個；模型定床糙率設(shè)定為0.03，動床均值粒徑取0.02 m；上邊界采用壓力邊界并設(shè)定相對應(yīng)水位，下邊界采用自由出流（Outflow）邊界，其他邊界均采用固壁（Wall）邊界條件。圖5給出了新型舌瓣鼻坎模型效果圖。

圖5 新型舌瓣鼻坎模型效果

4.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證及成果分析

圖6 給出了30 a一遇洪水的流速分布、沖淤地形及最大沖坑深度。

圖6 新型舌瓣鼻坎模型挑流數(shù)值模擬結(jié)果

由圖6可知:溢流堰頂?shù)牧魉贋?.44 m/s，沿著溢流堰下泄過程中水流受到重力、堰面摩擦力和空氣阻力等多種因素影響，流速沿程逐漸增大，在挑坎處達(dá)到最大值27.05 m/s，與物理模型流速最大值25.80 m/s相差4.8%；數(shù)學(xué)模型最遠(yuǎn)挑距距壩腳85 m，下游最大沖深12.0 m，與物理模型最大沖深12.5 m相差-4.0%。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性，將表4中各方案30 a一遇洪水的沖坑試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，具體見表5。

由表5可知:數(shù)學(xué)模型的沖刷模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明Flow-3D軟件可應(yīng)用于挑流消能沖刷的數(shù)值模擬，新型舌瓣鼻坎消能工可以有效減小下游沖刷范圍及沖坑深度，消能防沖效果明顯。

相比于方案1連續(xù)坎，方案2、3護(hù)坦末端侵蝕嚴(yán)重，方案4河中沖刷深點(diǎn)距護(hù)坦過近（30 a一遇工況鼻坎缺口挑流落點(diǎn)試驗(yàn)值距護(hù)坦22 m），方案5優(yōu)于方案1，方案6最佳。

表5 各鼻坎體形30 a一遇沖刷特征值對比

5 結(jié) 論

（1）新型舌瓣鼻坎消能工整個形狀同3個獨(dú)立擴(kuò)散的燈泡形水舌結(jié)構(gòu)，缺口處挑流水舌短且較為集中，水流落點(diǎn)遠(yuǎn)離護(hù)坦且能與舌瓣鼻坎水舌落點(diǎn)錯開，水舌平面擴(kuò)散范圍大，水舌左右兩側(cè)落點(diǎn)前后均勻拉開，可使水舌在空中充分摻氣碰撞消殺能量，從而減小下游河道沖刷范圍及沖坑深度。

（2）不同泄洪工況下挑坎段流速分布較為均勻，水流流態(tài)較好，挑坎段沿程未出現(xiàn)負(fù)壓，挑坎結(jié)構(gòu)不易發(fā)生空蝕破壞。

（3）大壩上下游水位落差大，單寬流量大，消能段河谷狹窄，地形、地貌、地質(zhì)條件差，泄洪消能工設(shè)計受到較大限制時，可采用新型舌瓣鼻坎消能工，其具體設(shè)計參數(shù)可采用物理模型和Flow-3D軟件搭建數(shù)學(xué)模型研究確定。