高陂水庫溢流堰挑流鼻坎體型優化問題探討

王飛龍

（江西省水利水電建設有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

當前,國內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挑坎的方式將所泄洪水挑起,待水流所攜帶的巨大能量經過擴散、紊動、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的河槽內,以保證下游岸坡結構的安全穩定,溢流壩運行安全、消能防沖效果及下游岸坡穩定情況主要與挑流消能水舌歸槽、溢洪道出口位置設置、挑流坎體型等直接相關。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置,能在挑流范圍內有效控制射流落入河床的位置、流量分布和范圍,結構簡單、施工方便,對中高水頭和各類流量建筑物均廣泛適用。對于狹窄彎曲、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下游岸坡沖刷的影響及控制是工程設計的重點所在,沖刷過深將擾動和破壞河床既有地質條件,挑舌落距過遠或過近均會影響岸坡安全穩定,通過科學設計控制岸坡沖刷、優化挑舌落水點自然成為溢流堰挑流鼻坎體型設計的關鍵環節。

1 工程背景

高陂水庫建設在周田鎮上壩村村東位置,與會昌縣縣城直線距離約為42 km,所在流域為湘江支流石壩河下游上壩村段,水庫壩址以上所控制流域面積為27.7 km2,根據設計報告,該水庫正常蓄水位247.00 m,水庫總庫容598×104m3。該水庫主要承擔著下游2.2萬畝面積農田的灌溉以及水庫周圍1.1 萬村鎮人口飲用水的供水任務,屬于小（1）型規模的水利樞紐工程。該水庫主體工程設計和建設等級為Ⅳ等,包括水庫大壩、引水隧洞等在內的主要永久性建筑物設計和建設等級為4 級,而包括導墻、護岸、通行交通道路等在內的次要永久性建筑物設計和建設等級為5 級,臨時用電、臨時擋水、沉井等臨時性建筑物設計等級也為5 級。溢洪道按照混凝土閘室結構控制的敞開式實用堰型式進行設計,其中的挑流鼻坎段部分位于溢洪道結構的末端,也是溢流堰主要的泄洪排水口。根據設計圖紙,出口采用挑流消能,高陂水庫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34 m。溢流堰堰體下游挑流鼻坎坎底設計高程233.0 m,溢流堰堰體混凝土高3.0 m,向外懸挑段長3.0 m,護坦設計高程217.50 m,溢流堰堰體混凝土向外懸挑段與護坦面距離為15.5 m。溢流堰堰體上游挑流鼻坎混凝土設計高程244.0 m,堰體混凝土高1.6 m,向外懸挑段長1 m。

高陂水庫溢流堰設置在水庫大壩右壩肩,且壩址河谷地貌呈現出左緩右陡的特征,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域坡度25°～35°,強風化表層厚度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,溢流堰是高陂水庫唯一的泄洪出口,且泄流量變化大,運行工況復雜,挑舌變幅大,對兩岸岸坡沖刷影響嚴重。為進行溢流堰挑流水力形態及對岸坡、河床等沖刷嚴重程度等的分析,必須構建水工模型并通過試驗確定合理的挑流鼻坎體型,以達到改善溢流堰挑流水力特性,降低其對岸坡及下游河床沖刷的目的。

2 試驗方案及成果

2.1 試驗方案

式中：v為抗沖流速,m/s；D為動床鋪設散粒體粒徑,m。

高陂水庫大壩基巖抗沖流速取值在2.5 m/s~4.5 m/s之間,根據式（1）可以得出動床鋪設散粒體粒徑取值范圍,本水庫模型砂采用中值粒徑D50=8.3 mm的白礬石。結合工程溢流堰設計,水工試驗中選擇壩下18 m~35 m范圍的河道鋪設模型砂,模型兩側主要模擬高程285 m以下實際地形。

2.2 試驗成果

相關規范對溢流堰挑流鼻坎消能率、沖坑深、射距等均有具體要求,以保證沖坑能遠離建筑物,避免引起掏刷壩腳等現象,且水流應平順,防止挑流鼻坎所產生的較大震動和氣蝕影響水工建筑物安全穩定運行。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化的關鍵所在。但是不同的反弧半徑、挑流角對應著不同的挑流距離和沖坑深度,必須經過反復模擬和多方案比較,選擇挑流射程遠、沖坑淺的最佳反弧半徑和挑射角方案。

根據初設,在高陂水庫溢流堰挑流鼻坎體型初擬階段采用長15.8 m、寬12.0 m的連續等寬挑流鼻坎,其末端設計高程244.0 m,挑流角25°,反弧半徑20 m。按照以上初設參數進行反復模型試驗。根據試驗結果來看,初設方案下溢流堰挑流消能存在兩方面突出問題：一方面,在水庫正常蓄水位及閘門開度1.0 m以下運行時,挑舌右緣部分直接沖砸岸坡,護坦及挑流鼻坎基礎安全與穩定無法保證；另一方面,下游沖坑深度11.4 m,左右側岸坡沖刷最深點高程分別為248.4 m和251.0 m,而該水庫溢流堰設置在大壩右壩肩,壩址岸坡地貌左緩右陡,右岸沖坑較深會影響岸坡穩定。

3 挑流鼻坎體型優化設計

3.1 優化設計參數

針對初擬挑流鼻坎所存在的危害大壩岸坡安全穩定的問題,結合類似工程成功經驗,提出通過斜切挑流鼻坎型式+折流器進行挑流鼻坎體型優化的思路。具體而言,斜切挑流鼻坎能逼迫挑舌實現平面轉向,并沿著豎向大幅拉升,挑舌入水形狀改變的同時還能有效增加河床表面承壓面積,減輕溢流堰挑舌對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,使其充分擴散,水流轉向也便于控制；與此同時,將折流器增設在溢流堰挑流鼻坎出口兩側能進一步優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計參數見表1。

表1 溢流堰挑流鼻坎體型優化設計參數

3.2 優化方案試驗成果

3.2.1 挑流水舌沖刷岸坡程度

針對以上所提出的溢流堰挑流鼻坎體型優化方案進行水工模型試驗,根據試驗結果,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計洪水工況對下游河床沖刷程度進行比較分析,具體結果見表2。

表2 不同挑流鼻坎型式挑舌對岸坡及下游河床沖刷特性比較

連續坎方案下溢流堰挑流水舌對岸坡無沖砸,但是挑舌降落點過于集中,導致沖深較深。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重程度基本相當；方案一在閘門開度較小工況下右側河床沖刷比左側河床嚴重；方案二和方案四在閘門開度較小工況下,溢流堰挑流水舌對岸坡無沖砸,且方案二沖刷與方案四整體相當。

閘門開度在0.5 m以上的工況下,連續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；從消能防沖設計洪水沖刷情況分析,上述三個方案對應的下游河床最大沖深也大致相當。斜切坎方案下右岸沖刷表現出明顯的減弱趨勢,但左岸沖刷加重,結合本水庫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和沖坑分布對岸坡穩定及下游消能防沖設計更為有利。在斜切坎型式方案二中在1.4 m高度增設折流器,且增設后溢流堰挑流鼻坎體型復雜程度增加,如遇較大洪水,折流器頂部反而會出現不良水流流態,而斜切坎型式方案四中折流器設置高度同邊墻,增設后溢流堰挑流鼻坎體型相對簡單,所以該水庫溢流堰挑流鼻坎體型推薦選用斜切坎型式方案四。根據模型試驗結果,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,出于岸坡運行安全與穩定方面的考慮,應采取必要的防護。

3.2.2 溢流堰過流水流流態

以溢流堰挑流鼻坎為界限,挑流鼻坎以上下泄水流無流態變化,而以下下泄水流流態變化明顯。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生旋轉,形成縱曲軸逆時針旋轉的挑舌,有效避開了下游岸坡落入右側河槽內。

4 結論

通過對高陂水庫大壩溢流堰挑流鼻坎體型優化分析表明,不同型式的水工泄水建筑物挑流鼻坎會對溢流堰下游岸坡及消能防沖設計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,將會影響水庫溢流堰、岸坡等建筑物安全運行,甚至危及大壩安全。挑流鼻坎是挑流消能的關鍵部位,且挑流鼻坎體型及幾何尺寸設計直接關系到泄洪消能效果和沖坑大小。高陂水庫大壩溢流堰挑流鼻坎初設方案下挑流消能存在突出問題,嚴重影響建筑物、下游岸坡安全穩定。優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,且增設折流器后溢流堰挑流鼻坎體型相對簡單,為此作為該水庫溢流堰挑流鼻坎體型推薦方案。