大石涧水库溢流坝挑流鼻坎体型优化试验研究

赵建坤 张晓雷 张桂花

摘 要：为解决大石涧水库溢流坝设计挑坎水舌空中扩散程度低、水流落点过于集中、两岸淘刷严重、影响岸坡稳定的问题，对其进行了水工模型试验研究，提出了4种修改方案，包括3种差动挑坎以及在差动坎基础上进一步优化的新型舌瓣挑坎。通过分析比较各方案30 a一遇（消能防冲设计洪水）工况下水舌扩散形态、下游河道冲淤情况等，得出新型舌瓣挑坎的各参数较优，能够较好地解决两岸淘刷严重的问题，满足下游消能防冲要求，将其确定为推荐方案。推荐方案下校核工况及设计工况的试验结果表明：采用新型舌瓣挑坎消能对泄水建筑物安全性无影响;校核工况下对下游消能区两岸产生冲刷，可能造成局部岸坡坍塌，护坦末端左半部有淘刷，但仍比坝基础高8.5 m，不会影响坝体稳定。

关键词：挑流鼻坎;溢流坝;模型试验;大石涧水库

Abstract： In order to solve the problem in the flip bucket original scheme for Dashijian Reservoir overflow dam， such as the less spreading degree of water tongue in air， the concentrated drop point of the flow， the serious scouring on both banks and the influence to the stability of the bank slope， the hydraulic model test was carried out. In this paper， four modified schemes were proposed， including three kinds of differential flip bucket and one types of flap flip bucket were optimized on the basis of it. By analyzing and comparing the hydraulic characteristics such as morphology of water tongue diffusion and characteristics of scouring and deposition in the 30-years frequency flood （energy dissipation and anti-scouring design flood）， it was concluded that the hydraulic parameters of flap flip bucket were better， which could solve the problem of the serious scouring on both banks and meet the requirements of downstream energy dissipation and scour prevention and was determined as the recommended scheme. The test results of the design condition and the checking condition of the recommended scheme show that the use of flap flip bucket has no effect on the safety of the drainage building. Scour on both sides of downstream energy dissipation area in the checking condition， which may cause local bank slope collapse， in addition， the left half of the terminal of the apron is brushed， but still 8.5 m higher than that of the dam foundation， which will not affect the stability of the dam body.

Key words： flip bucket; overflow dam; model test; Dashijian Reservoir

挑流消能是一種既安全又经济的溢流重力坝消能方式，不同体型的挑坎对过流水体具有不同的导向作用。随着坝工建设的蓬勃发展，众多学者从不同角度对挑坎形式进行了较为全面、深入的研究。田莉等[1-4]结合溢洪道相关实例，通过水工模型试验对差动式挑坎、曲面贴角窄缝挑坎进行了改进，改进后的挑坎可以满足工程需要。刘飞鹏等[5]借助BIM三维建模技术对传统挑流鼻坎进行了优化设计;虞佳颖等[6]利用三维数值模型研究了适用于溢洪道的新型纵向错落差动式挑坎的水力特性;吴新宇等[7]通过模型试验对工程泄洪洞出口的挑坎进行了研究;朱雅琴等[8]基于拱坝表孔泄流试验，分析了舌形挑坎曲率和挑角的变化对水流横向扩散及下游水垫塘底板时均压力的影响。上述研究成果多是基于长短差动、高底差动研究水流在河道纵向上的扩散，对于自由溢流坝而言，如何解决水流横向扩散问题鲜有深入研究。本文以大石涧水库为例，基于水工模型试验结果对4种挑坎优化方案下水舌形态、下游冲淤情况进行综合对比，并给出挑坎的推荐方案。

1 工程概况与模型设计

1.1 工程概况

大石涧水库工程坝址位于河南省陕县店子乡东部山区黄河一级支流洛河支流渡洋河中上游。水库控制流域面积173 km2，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为500 a一遇。水库总库容3 309万m3，兴利库容2 081万m3。大坝为碾压混凝土重力坝，设计坝高68.9 m，坝顶长度308 m。水库枢纽建筑物主要包括大坝、放空排沙底孔和基流放水管等。溢流坝布置在河床中部，堰顶不设闸门，为开敞式自由泄流，出口采用挑流消能方式将水流挑入下游河道。两岸均为中低山山体，阶地基本不发育，两岸岸坡坡度35°～50°，局部近直立。河床纵比降1.0%～1.5%，河谷呈较宽的U形，底宽80～130 m。下游消能段河床覆盖层厚8～10 m，靠左岸发育有一级阶地，覆盖层最厚达12.4 m。覆盖层的抗冲刷能力差，下部基岩为质地坚硬的安山玢岩。设计挑坎为连续式挑坎，见图1。

1.2 模型设计

根据溢流堰堰上水头及泄流能力，试验模型比尺为1∶40。模型按照重力相似准则设计，其相关比尺：几何比尺λL=40、流速比尺λV=6.32、压力比尺λP=40、流量比尺λQ=λ5/2L=10 119。大石涧水库整体模型纵剖面见图2。

试验研究范围：模拟上游库区、下游河道及溢流坝段等枢纽建筑物，总长度为890 m，其中：上游库区至坝轴线以上210 m;坝下520 m处河道突然缩窄，为保证下游河道流态相似，准确观测下游水位，模型下游模拟至坝下680 m处。

溢流堰泄流特征见表1。由表1可知，计算水舌最大挑距约73 m，预测下游消能冲刷区集中在坝下80～250 m，因此表孔鼻坎末端至坝下游0～400 m范围河床按动床模拟，其余地形按定床模拟。挡水坝段及定床用红砖砌筑、水泥砂浆抹面，挡水坝段下游坝面不予模拟，动床用模型沙依照断面板铺设，挑坎及溢流表孔用有机玻璃加工制作，以便于观测。动床模拟方法：设计方案及差动坎1、2冲刷试验按覆盖层模拟;差动坎3以及新型舌瓣挑坎按两岸边坡分层模拟。根据已有剖面图，冲刷区附近河中覆盖层厚度约8 m，左岸边坡较缓，覆盖层范围较大，且厚度为10～12 m，右岸边坡较陡，覆盖层厚仅2 m左右。为了还原工程原型地质地形的真实状态，提高模型冲刷与原型的相似性，试验将消能区左岸动床边界适当外移，扩大动床范围，并将左岸动床模型沙按基岩和覆盖层分层模拟，其中下层基岩用中值粒径3 cm的鹅卵石模拟，其抗冲流速折合原型5 m/s左右。

2 各方案试验分析

2.1 设计方案存在的问题

试验结果表明，设计方案挑射水流形成与泄槽等宽（62.1 m）的挑射水舌，水舌集中落在坝下100 m附近，横向基本无扩散，形成一较深的冲刷坑，位于河道中间位置。水舌左、右两侧河道至水舌下方分别形成范围和强度均较大的逆时针和顺时针回流，导致岸边回流强度大，两岸淘刷严重，影响岸坡的安全稳定，因此需要对挑流鼻坎体型进行優化。

2.2 优化方案试验分析

共提出了3种差动挑坎以及1种新型舌瓣挑坎，以30 a一遇（消能防冲设计洪水）工况下的放水试验为例进行探讨。

（1）试验思路及水舌扩散分析。挑流水舌扩散时，横向扩散宽度越大，单位面积流量和能量越小，对下游河床的冲刷程度越轻。首先从拉大水舌前后纵向落点位置的思路出发，将连续坎改为差动坎，尺寸见图3，差动坎1出流分成上下两层多股水舌，上下层水舌互相挤压、掺混，水舌掺气充分，齿坎处水舌空中扩散形态较好，消能充分。上层水舌挑距约70 m，下层约20 m，落水范围较大，不足之处在于下层水舌落点距离护坦较近，导致下游河床冲刷严重。各方案挑距见图4。

针对差动坎1存在的问题，修改差动坎1尺寸并定义为差动坎2，尺寸见图5，在提高水舌扩散程度的基础上，加大下层水舌挑距，达到减轻下游护坦及河道冲刷的目的。差动坎2上层多股水舌扩散程度提高和范围加大，水舌变薄，各股水舌横向扩散后相互碰撞。其下层水舌挑距约30 m，较差动坎1有所改善，下游冲刷坑整体变浅，但下层横向落水范围较差动坎1减小，消能区左右岸边冲刷情况较设计方案没有改善。

差动坎3增大缺口挑角，缩短边墙，其尺寸见图6，加大了左侧水流扩散范围，试图封堵回流，减小左岸回流强度，试验表明出槽水流向左扩散程度有限，并未达到减轻左岸回流的效果。将挑角缺口继续增大至20°后进行试验，左岸回流强度依然未改善，且水舌落水范围进一步减小。

试验在保持长短差动的基础上，将齿坎修改成舌型挑流鼻坎，以提高其横向扩散程度，使水流扩散更加均匀，降低岸边回流强度，其尺寸见图7。水流从3个鼻坎挑射向空中形成3个独立扩散的“灯泡形”水舌，水舌左右两侧落点前后均匀拉开，横向宽度约50 m，平面扩散范围大，虽然缺口处挑流水舌短且较为集中，但落点远离护坦且能与舌型鼻坎水舌落点错开。

（2）下游冲刷分析。河床冲刷程度关乎坝体及岸边稳定，也是挑流鼻坎体型优化的意义所在。各方案较设计方案在河中及左右两岸的冲刷深度均有较大幅度的减小，下游河道两岸、河中的最低点高程均有所抬升。各方案冲坑最低点高程及冲深见表2，差动坎1虽然改善了两岸冲刷情况，但护坦末端冲刷较严重。差动坎2、3两岸及护坦末端冲刷尺寸大于新型舌瓣挑坎的，仅在河中部分小于新型舌瓣挑坎的。新型舌瓣挑坎在两岸及护坦末端的冲刷情况为各方案最优，因此能够较好地解决设计方案中两岸淘刷严重的问题，按照护岸不护中的原则，将新型舌瓣挑坎作为推荐方案。

2.3 推荐方案其他工况试验结果分析

对推荐方案（新型舌瓣挑坎）进行校核工况及设计工况下的模型试验，验证其泄洪消能效果。其水舌形态均与消能防冲工况时相同。水舌落点远离护坦，落点错开，最远落点相对靠近河道中间，距离岸边远，强度降低。两种工况冲刷坑水力参数见表3。设计工况下两岸冲刷范围均减小，基岩裸露无冲刷;校核工况消能区两岸基岩有2～3 m的冲刷，可能造成局部岸坡坍塌，护坦末端左半部有淘刷，冲深4.5 m，但仍比坝基础高8.5 m，不会影响坝体稳定。

3 结 论

差动坎缺口挑角小于15°时，水舌落点距离护坦较近，致使护坦有所冲刷，整体冲刷情况改善有限;当缺口挑角大于15°时，前后两层水舌拉开程度有限。此外，差动坎横向扩散有限，导致岸边回流情况改善有限。基于连续坎和差动坎，探索研究了溢流坝挑坎新体型——新型舌瓣挑流鼻坎，其水舌在纵向和横向均有较好的扩散效果，弥补了差动坎横向扩散有限的不足;合适的横向扩散减小了岸边回流强度，有效降低了岸边淘刷程度、减小了回水流量，达到了较好的消能防冲效果。各工况下采用新型舌瓣挑坎消能对泄水建筑物安全性无影响;校核工况下对下游消能区两岸产生冲刷，可能造成局部岸坡坍塌。

参考文献：

[1] 田莉，赵涛.某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化试验研究[J].人民黄河，2013，35（8）：132-133，136.

[2] 肖彦，齐文杏.龙背湾水电站溢洪道挑流鼻坎优化研究[J].人民长江，2019，50（增刊1）：305-308.

[3] 王瑞，聂源宏.玛尔挡水电站溢洪道挑流鼻坎体型试验研究[J].中国农村水利水电，2019（9）：211-215.

[4] 王瑞，刘韩生，聂源宏.曲面贴角窄缝挑坎与直墙窄缝挑坎对比研究[J].中国农村水利水电，2014（1）：138-140，145.

[5] 刘飞鹏，龚爱民，陈春武，等.异型挑流鼻坎三维设计及整体泄流模拟研究[J].人民黄河，2017，39（5）：104-108.

[6] 虞佳颖，宋文武，陈建旭，等.纵向错落差动式挑坎水力特性的研究[J].水力发电，2019，45（3）：64-67，124.

[7] 吴新宇，孙东坡，高昂，等.扭曲鼻坎对泄洪洞挑流消能的影响研究[J].水利水电技术，2014，45（8）：56-61.

[8] 朱雅琴，张法星，许唯临.舌形挑流鼻坎水力特性研究[J].科学技术与工程，2004，4（5）：397-402，408.

【责任编辑 吕艳梅】