嶠山水庫溢洪道挑流鼻坎結構尺寸的確定

郝曉輝，郭 磊，王 慧

(山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013)

1 基本概況

嶠山水庫位于莒縣城東北約12km處，屬淮河流域，在沭河水系袁公河支流的大石頭河上。壩址以上控制流域面積為81km2,總庫容4420萬m3,興利庫容為2206萬m3，興利水位145.50m，設計洪水為百年一遇，相應庫內水位為150.04m，校核洪水標準為300年一遇，相應庫水位為150.65m。

水庫樞紐主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、放水洞和水電站。溢洪道工程主要由引水渠、溢洪閘、泄槽、消能防沖設施、農橋及輸水渠組成。溢洪道全長1193m,閘底板高程為142.50m,閘室凈寬28.8m,100年一遇設計泄量773.62m3/s，由三孔3m×8m平面鋼板閘控制。挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，通過水舌在空中擴散，然后落入離建筑物較遠的河床與下游水流相銜接的消能方式。挑流消能的工程結構簡單，不需要修建大量的河床防護工程，對具有一定水頭且下游地質條件較好的泄水建筑物，采用此種消能方式是比較經濟合理的。嶠山水庫溢洪道結合地形及下游尾水渠出流條件，消能工決定采用挑流消能的方式。

2 影響溢洪道挑流消能效果的水力條件

嶠山水庫溢洪道為挑流消能，挑流消能效果的好壞受諸多因素影響，主要體現在以下幾方面：消能段的單寬流量；下游水深；上、下游水位差；下游河床地質條件；挑流鼻坎的結構尺寸，包括挑角，反弧半徑和挑流鼻坎頂高程等。一般對挑流鼻坎的要求是消能效率要高，以使水流在空中和下游水墊中消耗大部分能量；挑距要遠，沖坑要小，使沖坑位置遠離建筑物，不致掏刷建筑物基礎；下泄水流要平穩(wěn)，避免挑流鼻坎上產生較大的氣蝕及產生較大的尾水波動，對下游河道造成較大破壞。

因此正確合理地確定挑流鼻坎的挑角、反弧半徑及坎頂高程非常關鍵。但是不同的挑角及不同的反弧半徑對應不同的挑距和沖坑深度，這就需要優(yōu)化比較方案，選取消能效果好而且造價合理的結構尺寸。

2.1 反弧半徑

反弧段的作用是平順地將水流從陡坡段轉變?yōu)檠刂c水平線成θ角的方向挑射出去，反弧半徑R的大小直接影響射程。一般R越大，坎頂流速分布越均勻，射程越遠。當反弧半徑R值過小時，水流將產生過大的離心慣性水頭，使挑距減小；挑流鼻坎反弧半徑R多采用反弧最低點水深h的8～10倍。R過大，鼻坎向下游延伸太長,增加工程量，過小則挑射條件不好,至少應使R≥4h。《水利計算手冊》中提出最小反弧半徑如下：Rmin=23h/Fr，式中：h為挑坎上水深；Fr=V/(gh)0.5為挑坎上水流的弗汝德數,V為挑坎上流速。經計算在嶠山水庫溢洪道工程中挑流鼻坎反弧半徑R值取18.0m。

2.2 挑流鼻坎的挑射角

挑角的選擇原則是使挑距盡可能遠,但沖刷坑又不過深。對良好基巖，采用較大挑角，以獲得大挑距；對軟弱巖基則采用較小挑角，減小挑距以保證鼻坎基礎的安全。從理論上講當鼻坎挑角為45°時，挑距最大，但由于反弧影響，當流量小于起挑流量時，水流不能挑射而沿挑坎自由跌落，從而在緊靠挑坎附近形成沖坑；挑角越大，不能形成自由挑流的流量范圍也越大，對坎腳基礎沖刷越嚴重，因而實際工程中多選取挑角范圍在 15°～35°。

2.3 挑流鼻坎的坎高

挑流鼻坎的坎頂高程根據建筑物布置、工程結構和水力條件等綜合要求確定，一般可略高于下游最高水位。坎頂高程與下游河床面之間的高差即是坎高。顯然，挑流鼻坎高程愈低，則水流出射的流速也愈大，這對增加射程是有利的；同時，工程量小，造價較低。但挑坎高程過低也會產生新的問題，有可能造成挑坎淹沒以致水流不能形成挑射；或因水舌下面被帶走的空氣得不到充分補充形成貼流。所以挑坎最低高程應稍高于挑坎附近的下游水位。但考慮到挑流水舌對尾水的推移作用，坎后的水位低于下游水位，故實際設計中可取挑坎最低高程等于或略高于下游最高尾水位。

2.4 挑射距離

關于挑射水流形成的沖刷坑，根據試驗和原型觀測得知：沖刷坑起點與挑射水流水舌內線相符，沖刷坑最深點與水舌外線的延長線基本一致。因此應分別計算內線射程L1及外線射程L2，L1及L2可用下式計算：

式中:H為溢流堰上水深，m；θ為挑射角；P為堰頂與下游河床的高差，m；φ為流速系數，可取φ=0.65～0.90；Z為坎頂與下游地面的高差，m。

計算L1及L2時式中的值應以φ1、φ2代入，一般內線射程的流速系數φ1=0.65～0.85，外線射程的流速系數φ2=0.70～0.90，陡槽越長數值越小。

2.5 沖刷坑深度

沖刷坑深度與射流的單寬流量、落差、巖基構造和特性以及水力因素有關，其中單寬流量最為主要。由于沖刷過程及其影響因素復雜，目前沖刷坑的深度主要靠室內試驗和原型觀測資料整理歸納的經驗公式來進行估算。

試驗研究表明，挑流總射程L和沖刷坑深度T，是檢驗挑流沖刷是否影響主體建筑物穩(wěn)定安全的重要數據。為防止沖刷對建筑物產生不利影響，確保鼻坎基礎的安全，沖刷坑后坡不能過陡，沖刷坑后坡i的定義為：i=T/L，i值越大，對建筑物安全就越不利。當沖刷坑后坡i〈ik時，就認為沖刷坑不會危及建筑物的安全。根據一些工程的模型試驗及原型觀測資料，許可的沖刷坑最大后坡ik一般取1/3～1/4。對于小型水庫，一般尾水深度較小，ik可取1/4。在很疏松的地基上（如細砂及淤泥質土等），ik可取1/4～1/6。當壩址處下游尾水較淺，地質條件不好時，宜采用壅水措施增加水墊深度，如在沖刷坑下游修二道堰；地質條件差沖刷坑可能很深，需修建防沖護坦。

3 鼻坎齒墻底的埋置高程

鼻坎齒墻底高程，根據地質條件應保持在各種流量沖刷坑的穩(wěn)定基巖以下，以確保鼻坎基礎和溢洪道的安全。首先計算可能的最大沖坑深度，而后由此坑底引安全后坡坡線，與鼻坎出口斷面的垂線相交，鼻坎基礎的砌置深度一般應超過該交點以下3m。對巖基墻底高程可深入巖基0.5～1.0m，對非巖基或破碎風化巖石，可由沖坑深度決定。同時為防止小流量貼流淘刷，應做好坎底基礎的保護。

4 結語

挑流消能的工程結構簡單，不需要修建大量的河床防護工程，對具有一定水頭的泄水建筑物，且下游地質條件較好時，采用這種消能方式是比較經濟合理的。挑流鼻坎是挑流消能的關鍵部位，其結構尺寸的確定關系到消能效果，筆者在設計莒縣嶠山水庫溢洪道挑流鼻坎的工程后得出如下見解:

1）挑流鼻坎挑射角和反弧半徑是影響水流射程的主要因素，將影響消能效果的好壞和沖坑的大小。在嶠山水庫溢洪道設計中，挑流鼻坎反弧半徑采用18.0m，挑射角采用 25°。

2）挑流鼻坎的坎頂高程要根據地質情況和下游水位來確定。一般應比下游最高水位高出1～2m,嶠山水庫鼻坎坎頂高程高于下游最高水位l.44m，高程為137.27m；為保證鼻坎基礎安全，鼻坎齒墻底部位于沖刷坑穩(wěn)定坡度以下1.2m，嶠山水庫齒墻底埋深高程130.03m。

3）挑距決定因素較多，挑距越遠，形成的沖坑越小，建筑物越安全。嶠山水庫挑流消能挑射距離為24.13m，沖坑深9.89m，安全后坡i=1:4.0,小于允許最大安全后坡，符合規(guī)范要求。

[1] 武漢水利水電學院水力學教研室編.水利計算手冊（第一版）［M］.北京：水利水電出版社.