大石涧水库溢流坝挑流消能工设计创新

张桂花，胡士辉

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016；2.黄河水利委员会水文局，河南郑州 450004）

0 引言

泄洪消能是溢流坝建设中的重要技术问题，泄流产生的高速水流将会冲刷下游岸坡与河床，直接影响大坝的安全。为此，众多水利工程学者对溢流坝泄洪消能问题进行了相关研究，如虞佳颖等［1］提出了纵向错落差动式挑坎，并对水舌挑距及压强和能耗率等指标衡量进行了数值模拟。王瑞［2］等提出了一种曲面贴角窄缝挑坎，介绍了其优点，进行了理论分析及模型试验验证，此种结构形式在高坝峡谷的泄洪消能中较为适用。李元杰［3］在黄家湾水利枢纽工程溢洪道建设中提出了一种新型非对称转向收缩差动式挑坎，以适应其工程地形地质条件、枢纽布置和泄水建筑物的运行要求。马飞［4］为解决工程实际问题，提出了一种新型燕尾坎消能工，并研究了其消能率，这种消能工结构在孔洞类泄水建筑物中得到了良好的运用。邱勇和龚爱民［5］提出了斜鼻坎，并对其进行了水工模型试验和实际工程应用效果进行了研究，研究表明，这种鼻坎形能够很好的适应狭窄的地形条件。程文磊［6］等提出了一种燕尾型挑坎，阐述了其优越性，并进行了模型试验研究，并且这种挑坎形式在狭窄河谷中更加适用。

针对大石涧水库溢洪道泄流消能问题，笔者之前进行了专项研究，分别开展了大石涧水库溢流特性与坝址下游河道冲刷、挑流鼻坎体型优化试验研究以及新型舌瓣鼻坎消能工的应用研究，相关研究成果见文献［7-9］。有别于以上专项研究，从大石涧水库泄流消能问题出发，从发现问题、分析问题、解决问题的全过程阐述大石涧水库溢流坝消能工的优化设计创新，注重“三新技术”的应用，解决了工程实际问题，让工程更好的发挥了效益，是对前述研究成果的凝练与补充，并且这种解决泄流消能问题全过程遵循的原则与设计方法也可为其他工程提供有益借鉴。

1 工程概况

大石涧水库工程位于黄河二级支流渡洋河中上游，是一座新建的中型水库，大坝结构形式为重力坝，材料为碾压混凝土，建筑物级别为3级，大坝由两岸挡水坝段和河槽溢流坝段组成，共分为14个坝段，左岸挡水坝段布置有放空排沙底孔和基流放水管。坝址区为“U”字型河谷，底宽30～120 m，河床地面高程554～610 m，两岸均为典型的中山。消能段位于坝址下游，河床覆盖层厚约8～9 m，主要成分为安山玢岩、安山岩和石英砂岩，卵、漂石含量22%～50%，覆盖层最厚达12.4 m。覆盖层下部为坚硬的安山玢岩。大石涧水库工程平面布置及坝址下游地形见图1。

图1 大石涧水库平面布置及坝址下游地形Fig.1 Layout of Dashijian Reservoir and topography downstream of dam site

大石涧水库各工况重现期洪水的洪峰流量、水库上下游水位及下泄流量详见表1。

表1 水库工程特性指标Tab.1 Reservoir engineering characteristics index

2 溢流坝体型设计

文献［9］差动坎方案优点是水舌上下分层，各股水舌横向扩散后相互碰撞，上下层水股互相挤压、掺混，水舌掺气充分，但是当缺口挑角小于15°时水舌落点距离护坦较近，导致护坦基础冲刷；当缺口挑角大于15°时，其水舌落点又与齿坎水舌落点相距较近，前后两层水舌拉开程度有限；另外，岸边回流较大，两岸冲刷仍较严重。

经过对齿坎数量和反弧半径分别进行了优化，将齿坎数量减少到3 个，鼻坎反弧半径为12 m 调整为15 m，鼻坎最大挑角从50°、40°和30°调整为35.0°，即整个消能工由3 个大舌型鼻坎加两个缺口组成，鼻坎反弧半径均为15 m，与原方案相同。最后确定左右两侧舌型鼻坎对称布置，均由半径13.7 m和10.01 m的两段圆弧组成，最大挑射角35.0°；中间舌型鼻坎平面投影为半径11.79 m一段圆弧，最大挑射角30.0°；缺口宽度为3 m，挑射角15.0°。

舌瓣型鼻坎反弧半径R为15.0 m，反弧最低点高程560.595 m，挑坎顶高程561.50 m，挑角20°。溢流表孔进口设有实体支撑边墩，边墩宽1.0 m，边墩下游连接溢流面导墙，导墙宽1.0 m，墩顶部设交通桥。

堰面幂曲线方程见式（1）：

曲线至566.405 m高程与1∶0.75坡相切。

幂曲线原点上游接三段相切圆弧，R1向上游接铅直面，R3向下游接幂曲线，圆弧圆心角依次为：36°、34°、20°、弧半径如下：

表2 大石涧溢流堰泄流特征参数值Tab.2 Discharge characteristic parameters of Dashijian overflow weir

表3给出了水库下泄校核洪水和设计洪水时流量时对应库水位计算值和物理模型试验值对比关系。

表3 舌瓣鼻坎校核、设计水位时泄流能力对比表Tab.3 Comparison of discharge capacity of tongue flap and nose ridge when checking and designing water level

表4 校核、设计流量时库水位对比表Tab.4 Comparison table of reservoir water level when checking and designing flow rate

结果表明：校核洪水位609.3 m 时，溢流表孔的实测泄量2 046.0 m3/s 与相应的设计值1 986 m3/s 相差3.02%；设计水位607.3 m 时，溢流表孔的实测泄量1 112.0 m3/s 与相应的设计值1 078 m3/s 相差3.15%。溢流表孔下泄校核洪水时，实测库水位为609.18 m，较相应的设计值609.3 m 低0.12 m；下泄设计洪水时，实测库水位为607.21 m，较相应的设计值607.3 m 低0.09 m。原设计60 m净宽的溢流表孔泄流能力满足要求。

3 消能工体型创新

3.1 消能工体型创新思路

溢流表孔原方案鼻坎水流落点过于集中，两岸有不同程度的淘刷，为了更好地分散水流，减轻对下游河道的集中冲刷和两岸回流，对挑流鼻坎体型各参数进行了创新。参考类似工程经验［1-6］，采用差动式鼻坎出流在空中形成3 个独立扩散的“灯泡型”水舌、以增加水舌在空中扩散程度，从而达到减轻下游河道集中冲刷深度和减轻两岸回流强度的目的。

3.2 消能工体型选择

前后共设计6 种挑流鼻坎体型方案，具体见文献［7］，进行了数值模拟分析和水工模型试验，数值模拟运用Flow-3D软件，采用N-S 方程，建立了挑流鼻坎的三维水流RNG κ～ε 数学模型，并根据Flow-3D 自带的泥沙模块建立坝址下游泥沙冲刷模型；物理模型几何比尺选为1∶40，其他水力参数比尺按照模型相似律确定，具体见文献［8］，分别研究了不同体型挑流鼻坎泄水过程中的水流流场及下游冲刷过程，溢流坝址下游河道的流场信息、冲刷坑最大冲刷深度及冲刷范围，见文献［9］。根据下游冲淤结果及水流流态情况，优化调整了溢流坝挑流鼻坎的形态，最终确定了新型舌瓣挑坎型式。新型舌瓣挑坎方案优于其他方案，水舌形态好，岸边回流强度小、冲刷范围小。

根据本工程的特点，溢流坝挑流消能工经分析研究后采用一种新型舌瓣挑流鼻坎，并结合数值模拟及水工模型试验进行研究。该舌瓣挑坎突破了常规的连续式、长短高低差动式及舌型挑坎体型，集上述挑坎优点于一体，舌瓣鼻坎增加了水舌挑距，避免水舌集中冲刷河床，减轻护坦基础冲刷及两岸淘刷强度，消除了水流对下游河道及两岸山体的不利影响，达到了更好的消能防冲效果，取得了显著的经济社会效益。

3.3 新型舌瓣鼻坎设计

本文基于大石涧水库基础资料，结合数值模拟及水工模型试验多方案成果比较后确定挑坎体型［7，8］，舌瓣鼻坎挑流消能工是由3 个大2 舌型鼻坎和两个缺口组成，挑坎段结构布置及三维效果如图2（a）、（b）所示。

经过研究对比，最后确定左右两侧舌瓣鼻坎采用对称布置形式，均由半径R1=13.7 m和R2=10.1 m的两段圆弧组成，最大挑射角35.0°；中间舌瓣鼻坎平面投影为半径R3=11.8 m 一段圆弧，最大挑射角30.0°；缺口宽度为3 m，挑射角15.0°。

根据设计思想采用三维视角进行三维设计，构建挑流鼻坎三维模型，让设计意图表达的更为直观清晰，以溢流坝段挑流鼻坎最低点为坐标原点O（0，0，0），X、Y、Z轴正方向如图2（b）所示。

图2 新型舌瓣鼻坎结构布置图Fig.2 Structure layout of the new lingual valve and nasal canal

可得出：Z与R、Y之间的变化关系表达式为式（2）：

由以上式（2）～（8）可知，对于给定的任意一个X值，就可以得出与之相对应的Y和Z坐标值，以上表达式可以作为水工模型试验和现场施工放样的控制点坐标值，针对这种挑流鼻坎新形结构，其体型新颖，构造独特。借助三维设计技术可以快速便捷的设计出精准的工程结构模型，绝对直观的表达设计意图，指导水工模型试验的物理建模，提升项目施工时技术人员设计交底时的可视化效果。

4 创新成果验证分析

4.1 挑流水舌

针对提出的新型舌瓣鼻坎，对其进行了数值模拟及物理模型试验，图2 给出了30 年一遇洪水溢流表孔溢水舌形态分布结果。由图3 可知：经新型舌瓣鼻坎挑流后水舌前后左右的水流分散均匀，落点拉开，挑流水舌形态更好。

图3 水舌形态分布图Fig.3 Morphology distribution of water tongue

如图4 给出了水舌挑角、挑高与堰上水位的关系，图4 表明水舌挑角与堰上水位并不成正比关系，设计洪水时水流挑角最大；校核洪水入射角较小，有利于水体沿河道下游发展。

图4 新型舌瓣消能工出口水舌最大最小挑高液面Fig.4 Maximum and minimum liquid level of water tongue at outlet of new tongue damper

4.2 流速、水深水力特性

图5-图6 给出了溢流堰堰面轴线底流速、垂线平均流速、水深模拟值，溢流表孔泄流时堰面流速呈逐渐增大趋势，进口流速最小，堰面段（坝址下游0～8.33 m）流速缓慢增大，坝面斜坡段（坝址下游8.33～31.79 m）流速快速增大，坝尾反弧最低点流速急剧增。溢流表孔流速与堰上水位并未成正比关系，校核洪水时鼻坎起挑点之前流速小于设计和30 年一遇洪水。坝面水深沿程逐渐减小至起挑点陡然增大，校核洪水水深最大，表孔堰面段水深急剧较小，坝面斜坡段水深变化不大，鼻坎反弧段急剧减小后陡然增大。校核洪水时鼻坎起挑点水深为1.1 m，设计和30年一遇洪水时分别为0.8、0.6 m。

图5 溢流表孔溢轴线上底部流速、垂线平均流速Fig.5 Bottom flow velocity and average vertical flow velocity on overflow axis of overflow gauge hole

图6 溢流表孔轴线上水深Fig.6 Water depth on overflow gauge hole axis

4.3 堰面压强分布

图7 给出了溢流坝坝面压力分布特征，表孔堰面段压力沿程降低，坝面斜坡压力普遍较小。除个别局部位置处压强极大极小外，整体压强在8 kPa 范围内。30 年一遇、设计、校核洪水时，溢流堰面最小压力值依次为-0.01、0.06、0.47 kPa，出现在坝址下游4.5、4.5、8 m 处；30 年一遇、设计洪水时坝面斜坡出现最小负压值分别为-4.2、-2.98 kPa，出现在坝址下游28.5 m 处，设计洪水时坝面斜坡段水深太小，整体压力较小，且流速偏大且水流沿纵向产生起伏，校核工况坝址下游46.5、36.5、36.5 m 测点处出现低压区。

图7 舌瓣鼻坎y=-20坝面压力分布Fig.7 Pressure distribution on the dam surface at y=-20

4.4 坝址下游河道流态、流速分布

图8 给出了下游河道30 年一遇洪水工况数值模拟及水工模型试验坝址下游河道流态、流速分布情况。

图8（a）可见鼻坎挑射水流坝前至水舌落点附近旋涡翻腾剧烈，大小不同尺寸的涡体产生强烈的混掺。鼻坎挑射水流从水舌落点坝址下游150 m 处至坝址下游180 m 范围向上游回溯，左、右岸分别形成逆、顺时针回流，对两岸边坡的覆盖层产生淘刷，下游河道水流随河道动床区域摇摆，主流偏右岸。

图8（b）可知溢流表孔下泄30 年一遇洪水时，挑流水舌最远落点处三股水舌落点位置相差不大；消能区左右岸最大回流流速3.85、1.47 m/s，下游河道最大流速5.44 m/s。

图8 下游河道水流流态、流速分布Fig.8 Flow pattern and velocity distribution of downstream river

图9 给出了3 种工况下新型舌瓣鼻坎溢轴线水面线沿程变化情况。由图9可知下游河道校核洪水水面线整体略高于30年一遇和设计洪水，下游河道水位在坝址下游200 m 以后趋于稳定。坝址下游135 m范围内出现校核洪水水面高程低于30年一遇和设计洪水的情况，这是由于校核洪水坝址下游冲刷严重，侵蚀至护坦下方，地形高程降低，水面高程随之偏低；另外，坝址下游135 m范围属于冲刷回流区，校核洪水挑流入射角较小，向上游回溯水流偏小，绝大部分水体在纵向流速的影响下流向下游，这也是坝址下游135 m 范围内校核洪水水面高程偏低的原因，同时形成冲坑后方河道（坝址下游150～200 m）水位雍高。

图9 舌瓣鼻坎溢轴线水面线Fig.9 Water surface line of spillway axis of lingual valve

4.5 坝址下游河道冲刷及冲坑

图10 给出了数值模拟下游各工况下的冲刷坑地形。由图10 可知：①随下泄流量增大，对应的坝址下游河道冲刷均呈现出最大坑深增大，冲刷侵蚀面扩大且逐步向两岸边坡及护坦位置蔓延的趋势。从下游河道冲刷的侵蚀面积，最大坑深，护坦下侵蚀深度及两岸边坡淘刷深度模拟结果显示，新型舌瓣鼻坎30 年一遇消能防冲工况下，下游河道中央最大坑深12 m，距护坦51 m 处，在大坝安全范围内，左右边坡淘刷深度分别为3 m、8 m，大坝和两岸岸坡是安全的；②设计洪水工况下，下游河道中央最大坑深14 m，距护坦71 m 处，左右边坡淘刷深度分别为5 m、8 m，大坝和两岸岸坡是安全的；③校核洪水工况下，下游河道中央最大坑深14 m，距护坦61 m 处，坝址下游河道局部冲坑在大坝安全范围内。

图10 下游冲刷坑深度模拟Fig.10 Downstream scour pit depth simulation

为验证数学模拟的可靠性，对新型舌瓣挑流鼻坎进行了整体物理模型试验验证，图11 给出了下游冲刷深坑深度试验结果。

图11 下游冲刷坑深度试验Fig.11 Downstream scour pit depth test

图11 结果显示：校核工况消能区两岸冲刷严重，最大冲深11.5 m，仍比坝基础高出6.5 m，不会影响坝体稳定。设计工况河中冲深比校核工况减少1.5 m，左岸冲刷范围减小，基岩略有冲刷，右岸基岩冲刷6 m左右；消能区左岸覆盖层淘刷后基岩裸露，但基岩没有产生冲刷，右岸基岩冲刷3～4 m，不会影响岸坡稳定，试验结果与数值模拟基本一致。

5 结论

（1）该新型消能工可使水流纵向拉开、横向扩散形成特殊的三元流，水舌在空中能够充分掺气碰撞消杀其能量，避免水舌集中冲刷河床。

（2）曲面弧形结构的鼻坎体型优于棱角分明的体型，弧形结构鼻坎最小最大挑角15°、35°为宜。

（3）可通过调整舌瓣半径改变水流的流态及其出流落点，使该新型消能工达到较好的消能防冲效果。