高陂水库溢流堰挑流鼻坎体型优化问题探讨

王飞龙

（江西省水利水电建设有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

当前,国内外高坝水利工程大多采用挑流消能的泄洪消能方式,即通过在泄水建筑物出流处增设挑坎的方式将所泄洪水挑起,待水流所携带的巨大能量经过扩散、紊动、掺气体作用,在空中及下游水垫中消耗,最后泄落至距离鼻坎较远的河槽内,以保证下游岸坡结构的安全稳定,溢流坝运行安全、消能防冲效果及下游岸坡稳定情况主要与挑流消能水舌归槽、溢洪道出口位置设置、挑流坎体型等直接相关。与其他消能方式相比,挑流消能方式消耗能量较大,且通过鼻坎体型选择及合理设置,能在挑流范围内有效控制射流落入河床的位置、流量分布和范围,结构简单、施工方便,对中高水头和各类流量建筑物均广泛适用。对于狭窄弯曲、岸坡陡峭、河床基岩抗冲刷能力差的水利工程,其溢洪道挑流消能对下游岸坡冲刷的影响及控制是工程设计的重点所在,冲刷过深将扰动和破坏河床既有地质条件,挑舌落距过远或过近均会影响岸坡安全稳定,通过科学设计控制岸坡冲刷、优化挑舌落水点自然成为溢流堰挑流鼻坎体型设计的关键环节。

1 工程背景

高陂水库建设在周田镇上坝村村东位置,与会昌县县城直线距离约为42 km,所在流域为湘江支流石坝河下游上坝村段,水库坝址以上所控制流域面积为27.7 km2,根据设计报告,该水库正常蓄水位247.00 m,水库总库容598×104m3。该水库主要承担着下游2.2万亩面积农田的灌溉以及水库周围1.1 万村镇人口饮用水的供水任务,属于小（1）型规模的水利枢纽工程。该水库主体工程设计和建设等级为Ⅳ等,包括水库大坝、引水隧洞等在内的主要永久性建筑物设计和建设等级为4 级,而包括导墙、护岸、通行交通道路等在内的次要永久性建筑物设计和建设等级为5 级,临时用电、临时挡水、沉井等临时性建筑物设计等级也为5 级。溢洪道按照混凝土闸室结构控制的敞开式实用堰型式进行设计,其中的挑流鼻坎段部分位于溢洪道结构的末端,也是溢流堰主要的泄洪排水口。根据设计图纸,出口采用挑流消能,高陂水库溢流堰上下游挑流鼻坎混凝土布置在0+051.00~0+085.00 段,溢流堰堰体弧长34 m。溢流堰堰体下游挑流鼻坎坎底设计高程233.0 m,溢流堰堰体混凝土高3.0 m,向外悬挑段长3.0 m,护坦设计高程217.50 m,溢流堰堰体混凝土向外悬挑段与护坦面距离为15.5 m。溢流堰堰体上游挑流鼻坎混凝土设计高程244.0 m,堰体混凝土高1.6 m,向外悬挑段长1 m。

高陂水库溢流堰设置在水库大坝右坝肩,且坝址河谷地貌呈现出左缓右陡的特征,右岸山体较为雄厚,285 m高程以下岸坡较为陡峭,坡度均值为59°,285 m高程以上岸坡则较为缓和,坡度均值在23°。坝基主要为泥岩、粉砂岩和夹砂岩,溢流堰挑流鼻坎所在区域坡度25°～35°,强风化表层厚度7 m~9.5 m。溢流堰出口和下游河谷处岸坡陡峭,河床所具有的抗冲刷能力一般,溢流堰是高陂水库唯一的泄洪出口,且泄流量变化大,运行工况复杂,挑舌变幅大,对两岸岸坡冲刷影响严重。为进行溢流堰挑流水力形态及对岸坡、河床等冲刷严重程度等的分析,必须构建水工模型并通过试验确定合理的挑流鼻坎体型,以达到改善溢流堰挑流水力特性,降低其对岸坡及下游河床冲刷的目的。

2 试验方案及成果

2.1 试验方案

式中：v为抗冲流速,m/s；D为动床铺设散粒体粒径,m。

高陂水库大坝基岩抗冲流速取值在2.5 m/s~4.5 m/s之间,根据式（1）可以得出动床铺设散粒体粒径取值范围,本水库模型砂采用中值粒径D50=8.3 mm的白矾石。结合工程溢流堰设计,水工试验中选择坝下18 m~35 m范围的河道铺设模型砂,模型两侧主要模拟高程285 m以下实际地形。

2.2 试验成果

相关规范对溢流堰挑流鼻坎消能率、冲坑深、射距等均有具体要求,以保证冲坑能远离建筑物,避免引起掏刷坝脚等现象,且水流应平顺,防止挑流鼻坎所产生的较大震动和气蚀影响水工建筑物安全稳定运行。所以,合理确定挑流鼻坎反弧半径和挑流角、挑坎高程等是方案优化的关键所在。但是不同的反弧半径、挑流角对应着不同的挑流距离和冲坑深度,必须经过反复模拟和多方案比较,选择挑流射程远、冲坑浅的最佳反弧半径和挑射角方案。

根据初设,在高陂水库溢流堰挑流鼻坎体型初拟阶段采用长15.8 m、宽12.0 m的连续等宽挑流鼻坎,其末端设计高程244.0 m,挑流角25°,反弧半径20 m。按照以上初设参数进行反复模型试验。根据试验结果来看,初设方案下溢流堰挑流消能存在两方面突出问题：一方面,在水库正常蓄水位及闸门开度1.0 m以下运行时,挑舌右缘部分直接冲砸岸坡,护坦及挑流鼻坎基础安全与稳定无法保证；另一方面,下游冲坑深度11.4 m,左右侧岸坡冲刷最深点高程分别为248.4 m和251.0 m,而该水库溢流堰设置在大坝右坝肩,坝址岸坡地貌左缓右陡,右岸冲坑较深会影响岸坡稳定。

3 挑流鼻坎体型优化设计

3.1 优化设计参数

针对初拟挑流鼻坎所存在的危害大坝岸坡安全稳定的问题,结合类似工程成功经验,提出通过斜切挑流鼻坎型式+折流器进行挑流鼻坎体型优化的思路。具体而言,斜切挑流鼻坎能逼迫挑舌实现平面转向,并沿着竖向大幅拉升,挑舌入水形状改变的同时还能有效增加河床表面承压面积,减轻溢流堰挑舌对下游河岸河床的冲刷破坏。斜切挑流鼻坎属于效率较高的收缩式消能工[2],能够从竖向和纵向上拉伸挑舌,使其充分扩散,水流转向也便于控制；与此同时,将折流器增设在溢流堰挑流鼻坎出口两侧能进一步优化斜切挑流鼻坎所具有的窄缝收缩消能的效果。挑流鼻坎体型及型式具体组合的设计参数见表1。

表1 溢流堰挑流鼻坎体型优化设计参数

3.2 优化方案试验成果

3.2.1 挑流水舌冲刷岸坡程度

针对以上所提出的溢流堰挑流鼻坎体型优化方案进行水工模型试验,根据试验结果,主要将开度在0.5~1.0 m工况下泄洪挑流水舌冲刷岸坡程度及消能防冲设计洪水工况对下游河床冲刷程度进行比较分析,具体结果见表2。

表2 不同挑流鼻坎型式挑舌对岸坡及下游河床冲刷特性比较

连续坎方案下溢流堰挑流水舌对岸坡无冲砸,但是挑舌降落点过于集中,导致冲深较深。斜切坎方案一和方案三在闸门开度0.5 m~1.0 m工况下仍存在溢流堰挑流水舌冲砸岸坡的情况,且两种方案下冲砸严重程度基本相当；方案一在闸门开度较小工况下右侧河床冲刷比左侧河床严重；方案二和方案四在闸门开度较小工况下,溢流堰挑流水舌对岸坡无冲砸,且方案二冲刷与方案四整体相当。

闸门开度在0.5 m以上的工况下,连续坎方案及斜切坎方案二、方案四均无溢流堰挑流水舌冲砸岸坡的情况；从消能防冲设计洪水冲刷情况分析,上述三个方案对应的下游河床最大冲深也大致相当。斜切坎方案下右岸冲刷表现出明显的减弱趋势,但左岸冲刷加重,结合本水库下游河谷岸坡地形地貌分布情况,左岸平缓,右岸陡峭,斜切坎溢流堰挑流水力形态和冲坑分布对岸坡稳定及下游消能防冲设计更为有利。在斜切坎型式方案二中在1.4 m高度增设折流器,且增设后溢流堰挑流鼻坎体型复杂程度增加,如遇较大洪水,折流器顶部反而会出现不良水流流态,而斜切坎型式方案四中折流器设置高度同边墙,增设后溢流堰挑流鼻坎体型相对简单,所以该水库溢流堰挑流鼻坎体型推荐选用斜切坎型式方案四。根据模型试验结果,在斜切坎型式方案四下溢流堰下游岸坡坡脚处仍存在一定程度的冲刷,出于岸坡运行安全与稳定方面的考虑,应采取必要的防护。

3.2.2 溢流堰过流水流流态

以溢流堰挑流鼻坎为界限,挑流鼻坎以上下泄水流无流态变化,而以下下泄水流流态变化明显。下泄水流在离心力的作用下及斜切坎的约束下,先向左岸沿三角形扭曲面[3]迅速爬升后再向右发生旋转,形成纵曲轴逆时针旋转的挑舌,有效避开了下游岸坡落入右侧河槽内。

4 结论

通过对高陂水库大坝溢流堰挑流鼻坎体型优化分析表明,不同型式的水工泄水建筑物挑流鼻坎会对溢流堰下游岸坡及消能防冲设计洪水造成不同的影响,泄水建筑物泄洪过程中携带巨大能量,若不能妥善处理,将会影响水库溢流堰、岸坡等建筑物安全运行,甚至危及大坝安全。挑流鼻坎是挑流消能的关键部位,且挑流鼻坎体型及几何尺寸设计直接关系到泄洪消能效果和冲坑大小。高陂水库大坝溢流堰挑流鼻坎初设方案下挑流消能存在突出问题,严重影响建筑物、下游岸坡安全稳定。优化后的斜切坎型式方案四无溢流堰挑流水舌冲砸岸坡的情况,且增设折流器后溢流堰挑流鼻坎体型相对简单,为此作为该水库溢流堰挑流鼻坎体型推荐方案。