高陂水庫(kù)溢流堰挑流鼻坎體型優(yōu)化問題探討

王飛龍

（江西省水利水電建設(shè)有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外高壩水利工程大多采用挑流消能的泄洪消能方式,即通過在泄水建筑物出流處增設(shè)挑坎的方式將所泄洪水挑起,待水流所攜帶的巨大能量經(jīng)過擴(kuò)散、紊動(dòng)、摻氣體作用,在空中及下游水墊中消耗,最后泄落至距離鼻坎較遠(yuǎn)的河槽內(nèi),以保證下游岸坡結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定,溢流壩運(yùn)行安全、消能防沖效果及下游岸坡穩(wěn)定情況主要與挑流消能水舌歸槽、溢洪道出口位置設(shè)置、挑流坎體型等直接相關(guān)。與其他消能方式相比,挑流消能方式消耗能量較大,且通過鼻坎體型選擇及合理設(shè)置,能在挑流范圍內(nèi)有效控制射流落入河床的位置、流量分布和范圍,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便,對(duì)中高水頭和各類流量建筑物均廣泛適用。對(duì)于狹窄彎曲、岸坡陡峭、河床基巖抗沖刷能力差的水利工程,其溢洪道挑流消能對(duì)下游岸坡沖刷的影響及控制是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在,沖刷過深將擾動(dòng)和破壞河床既有地質(zhì)條件,挑舌落距過遠(yuǎn)或過近均會(huì)影響岸坡安全穩(wěn)定,通過科學(xué)設(shè)計(jì)控制岸坡沖刷、優(yōu)化挑舌落水點(diǎn)自然成為溢流堰挑流鼻坎體型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 工程背景

高陂水庫(kù)建設(shè)在周田鎮(zhèn)上壩村村東位置,與會(huì)昌縣縣城直線距離約為42 km,所在流域?yàn)橄娼Я魇瘔魏酉掠紊蠅未宥?水庫(kù)壩址以上所控制流域面積為27.7 km2,根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告,該水庫(kù)正常蓄水位247.00 m,水庫(kù)總庫(kù)容598×104m3。該水庫(kù)主要承擔(dān)著下游2.2萬畝面積農(nóng)田的灌溉以及水庫(kù)周圍1.1 萬村鎮(zhèn)人口飲用水的供水任務(wù),屬于?。?）型規(guī)模的水利樞紐工程。該水庫(kù)主體工程設(shè)計(jì)和建設(shè)等級(jí)為Ⅳ等,包括水庫(kù)大壩、引水隧洞等在內(nèi)的主要永久性建筑物設(shè)計(jì)和建設(shè)等級(jí)為4 級(jí),而包括導(dǎo)墻、護(hù)岸、通行交通道路等在內(nèi)的次要永久性建筑物設(shè)計(jì)和建設(shè)等級(jí)為5 級(jí),臨時(shí)用電、臨時(shí)擋水、沉井等臨時(shí)性建筑物設(shè)計(jì)等級(jí)也為5 級(jí)。溢洪道按照混凝土閘室結(jié)構(gòu)控制的敞開式實(shí)用堰型式進(jìn)行設(shè)計(jì),其中的挑流鼻坎段部分位于溢洪道結(jié)構(gòu)的末端,也是溢流堰主要的泄洪排水口。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,出口采用挑流消能,高陂水庫(kù)溢流堰上下游挑流鼻坎混凝土布置在0+051.00~0+085.00 段,溢流堰堰體弧長(zhǎng)34 m。溢流堰堰體下游挑流鼻坎坎底設(shè)計(jì)高程233.0 m,溢流堰堰體混凝土高3.0 m,向外懸挑段長(zhǎng)3.0 m,護(hù)坦設(shè)計(jì)高程217.50 m,溢流堰堰體混凝土向外懸挑段與護(hù)坦面距離為15.5 m。溢流堰堰體上游挑流鼻坎混凝土設(shè)計(jì)高程244.0 m,堰體混凝土高1.6 m,向外懸挑段長(zhǎng)1 m。

高陂水庫(kù)溢流堰設(shè)置在水庫(kù)大壩右壩肩,且壩址河谷地貌呈現(xiàn)出左緩右陡的特征,右岸山體較為雄厚,285 m高程以下岸坡較為陡峭,坡度均值為59°,285 m高程以上岸坡則較為緩和,坡度均值在23°。壩基主要為泥巖、粉砂巖和夾砂巖,溢流堰挑流鼻坎所在區(qū)域坡度25°～35°,強(qiáng)風(fēng)化表層厚度7 m~9.5 m。溢流堰出口和下游河谷處岸坡陡峭,河床所具有的抗沖刷能力一般,溢流堰是高陂水庫(kù)唯一的泄洪出口,且泄流量變化大,運(yùn)行工況復(fù)雜,挑舌變幅大,對(duì)兩岸岸坡沖刷影響嚴(yán)重。為進(jìn)行溢流堰挑流水力形態(tài)及對(duì)岸坡、河床等沖刷嚴(yán)重程度等的分析,必須構(gòu)建水工模型并通過試驗(yàn)確定合理的挑流鼻坎體型,以達(dá)到改善溢流堰挑流水力特性,降低其對(duì)岸坡及下游河床沖刷的目的。

2 試驗(yàn)方案及成果

2.1 試驗(yàn)方案

式中：v為抗沖流速,m/s；D為動(dòng)床鋪設(shè)散粒體粒徑,m。

高陂水庫(kù)大壩基巖抗沖流速取值在2.5 m/s~4.5 m/s之間,根據(jù)式（1）可以得出動(dòng)床鋪設(shè)散粒體粒徑取值范圍,本水庫(kù)模型砂采用中值粒徑D50=8.3 mm的白礬石。結(jié)合工程溢流堰設(shè)計(jì),水工試驗(yàn)中選擇壩下18 m~35 m范圍的河道鋪設(shè)模型砂,模型兩側(cè)主要模擬高程285 m以下實(shí)際地形。

2.2 試驗(yàn)成果

相關(guān)規(guī)范對(duì)溢流堰挑流鼻坎消能率、沖坑深、射距等均有具體要求,以保證沖坑能遠(yuǎn)離建筑物,避免引起掏刷壩腳等現(xiàn)象,且水流應(yīng)平順,防止挑流鼻坎所產(chǎn)生的較大震動(dòng)和氣蝕影響水工建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行。所以,合理確定挑流鼻坎反弧半徑和挑流角、挑坎高程等是方案優(yōu)化的關(guān)鍵所在。但是不同的反弧半徑、挑流角對(duì)應(yīng)著不同的挑流距離和沖坑深度,必須經(jīng)過反復(fù)模擬和多方案比較,選擇挑流射程遠(yuǎn)、沖坑淺的最佳反弧半徑和挑射角方案。

根據(jù)初設(shè),在高陂水庫(kù)溢流堰挑流鼻坎體型初擬階段采用長(zhǎng)15.8 m、寬12.0 m的連續(xù)等寬挑流鼻坎,其末端設(shè)計(jì)高程244.0 m,挑流角25°,反弧半徑20 m。按照以上初設(shè)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)模型試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看,初設(shè)方案下溢流堰挑流消能存在兩方面突出問題：一方面,在水庫(kù)正常蓄水位及閘門開度1.0 m以下運(yùn)行時(shí),挑舌右緣部分直接沖砸岸坡,護(hù)坦及挑流鼻坎基礎(chǔ)安全與穩(wěn)定無法保證；另一方面,下游沖坑深度11.4 m,左右側(cè)岸坡沖刷最深點(diǎn)高程分別為248.4 m和251.0 m,而該水庫(kù)溢流堰設(shè)置在大壩右壩肩,壩址岸坡地貌左緩右陡,右岸沖坑較深會(huì)影響岸坡穩(wěn)定。

3 挑流鼻坎體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)初擬挑流鼻坎所存在的危害大壩岸坡安全穩(wěn)定的問題,結(jié)合類似工程成功經(jīng)驗(yàn),提出通過斜切挑流鼻坎型式+折流器進(jìn)行挑流鼻坎體型優(yōu)化的思路。具體而言,斜切挑流鼻坎能逼迫挑舌實(shí)現(xiàn)平面轉(zhuǎn)向,并沿著豎向大幅拉升,挑舌入水形狀改變的同時(shí)還能有效增加河床表面承壓面積,減輕溢流堰挑舌對(duì)下游河岸河床的沖刷破壞。斜切挑流鼻坎屬于效率較高的收縮式消能工[2],能夠從豎向和縱向上拉伸挑舌,使其充分?jǐn)U散,水流轉(zhuǎn)向也便于控制；與此同時(shí),將折流器增設(shè)在溢流堰挑流鼻坎出口兩側(cè)能進(jìn)一步優(yōu)化斜切挑流鼻坎所具有的窄縫收縮消能的效果。挑流鼻坎體型及型式具體組合的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 溢流堰挑流鼻坎體型優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

3.2.1 挑流水舌沖刷岸坡程度

針對(duì)以上所提出的溢流堰挑流鼻坎體型優(yōu)化方案進(jìn)行水工模型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,主要將開度在0.5~1.0 m工況下泄洪挑流水舌沖刷岸坡程度及消能防沖設(shè)計(jì)洪水工況對(duì)下游河床沖刷程度進(jìn)行比較分析,具體結(jié)果見表2。

表2 不同挑流鼻坎型式挑舌對(duì)岸坡及下游河床沖刷特性比較

連續(xù)坎方案下溢流堰挑流水舌對(duì)岸坡無沖砸,但是挑舌降落點(diǎn)過于集中,導(dǎo)致沖深較深。斜切坎方案一和方案三在閘門開度0.5 m~1.0 m工況下仍存在溢流堰挑流水舌沖砸岸坡的情況,且兩種方案下沖砸嚴(yán)重程度基本相當(dāng)；方案一在閘門開度較小工況下右側(cè)河床沖刷比左側(cè)河床嚴(yán)重；方案二和方案四在閘門開度較小工況下,溢流堰挑流水舌對(duì)岸坡無沖砸,且方案二沖刷與方案四整體相當(dāng)。

閘門開度在0.5 m以上的工況下,連續(xù)坎方案及斜切坎方案二、方案四均無溢流堰挑流水舌沖砸岸坡的情況；從消能防沖設(shè)計(jì)洪水沖刷情況分析,上述三個(gè)方案對(duì)應(yīng)的下游河床最大沖深也大致相當(dāng)。斜切坎方案下右岸沖刷表現(xiàn)出明顯的減弱趨勢(shì),但左岸沖刷加重,結(jié)合本水庫(kù)下游河谷岸坡地形地貌分布情況,左岸平緩,右岸陡峭,斜切坎溢流堰挑流水力形態(tài)和沖坑分布對(duì)岸坡穩(wěn)定及下游消能防沖設(shè)計(jì)更為有利。在斜切坎型式方案二中在1.4 m高度增設(shè)折流器,且增設(shè)后溢流堰挑流鼻坎體型復(fù)雜程度增加,如遇較大洪水,折流器頂部反而會(huì)出現(xiàn)不良水流流態(tài),而斜切坎型式方案四中折流器設(shè)置高度同邊墻,增設(shè)后溢流堰挑流鼻坎體型相對(duì)簡(jiǎn)單,所以該水庫(kù)溢流堰挑流鼻坎體型推薦選用斜切坎型式方案四。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,在斜切坎型式方案四下溢流堰下游岸坡坡腳處仍存在一定程度的沖刷,出于岸坡運(yùn)行安全與穩(wěn)定方面的考慮,應(yīng)采取必要的防護(hù)。

3.2.2 溢流堰過流水流流態(tài)

以溢流堰挑流鼻坎為界限,挑流鼻坎以上下泄水流無流態(tài)變化,而以下下泄水流流態(tài)變化明顯。下泄水流在離心力的作用下及斜切坎的約束下,先向左岸沿三角形扭曲面[3]迅速爬升后再向右發(fā)生旋轉(zhuǎn),形成縱曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的挑舌,有效避開了下游岸坡落入右側(cè)河槽內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對(duì)高陂水庫(kù)大壩溢流堰挑流鼻坎體型優(yōu)化分析表明,不同型式的水工泄水建筑物挑流鼻坎會(huì)對(duì)溢流堰下游岸坡及消能防沖設(shè)計(jì)洪水造成不同的影響,泄水建筑物泄洪過程中攜帶巨大能量,若不能妥善處理,將會(huì)影響水庫(kù)溢流堰、岸坡等建筑物安全運(yùn)行,甚至危及大壩安全。挑流鼻坎是挑流消能的關(guān)鍵部位,且挑流鼻坎體型及幾何尺寸設(shè)計(jì)直接關(guān)系到泄洪消能效果和沖坑大小。高陂水庫(kù)大壩溢流堰挑流鼻坎初設(shè)方案下挑流消能存在突出問題,嚴(yán)重影響建筑物、下游岸坡安全穩(wěn)定。優(yōu)化后的斜切坎型式方案四無溢流堰挑流水舌沖砸岸坡的情況,且增設(shè)折流器后溢流堰挑流鼻坎體型相對(duì)簡(jiǎn)單,為此作為該水庫(kù)溢流堰挑流鼻坎體型推薦方案。