某水庫溢洪道出口挑流鼻坎優(yōu)化探究

◎ 萬康飛　新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司

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某水庫溢洪道出口挑流鼻坎優(yōu)化探究

◎ 萬康飛新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司

摘要：云南某水庫溢洪道出口與河道交角呈135°角，通過模型試驗發(fā)現，挑流鼻坎將下泄水流挑向右岸灘地，水流無法歸槽，沖坑較深，危及進場道路安全。通過改變鼻坎體型，改變了水流導向，水流挑向下游河道，且水舌擴散充分，消能防沖效果特別明顯。

關鍵詞：溢洪道 挑流鼻坎 優(yōu)化

1.工程概況

云南某水庫位于云南省麗江市永勝縣境內，壩址距永勝縣城58km。水庫的工程任務為：解決項目區(qū)3.6萬人和14.75萬頭牲畜用水問題、滿足5.05萬畝灌溉面積的灌溉用水，改善灌溉面積2.27萬畝，新增灌溉面積2.78萬畝冬春季節(jié)季節(jié)性灌溉需水以及下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)需水要求。樞紐工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞以及輸水洞，總庫容2520萬m3。

水庫為中型Ⅲ等工程，大壩為瀝青混凝土心墻壩，為2級建筑物，溢洪道、泄洪洞、輸水洞為3級建筑物，灌溉工程建筑物級別為5級，圍堰建筑物級別為4級，其他臨時建筑物為5級。樞紐布置格局為：大壩攔河布置，右岸布置輸水系統(tǒng)、左岸布置泄洪洞（與初期導流洞合二為一）及表孔溢洪道。

壩型采用瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程2331.35m，最大壩高81.35m，壩頂寬度為8.0m，壩長300.0m。壩頂上游側設防浪墻，墻頂高出壩面1.2m。大壩上下游壩坡均為1︰1.8。

泄洪洞與導流洞完全結合，為無壓洞泄洪，總長415.75m，設計泄量為186m3/s，校核流量為191m3/s。

輸水系統(tǒng)采用有壓運行，總長614.93m，其中豎井前隧洞段長75.5m，豎井后隧洞段196m，外包混凝土鋼管段長54m，出口明渠段長260m。輸水系統(tǒng)設計流量5.10m3/s，加大流量6.20m3/s。

2.溢洪道設計

水庫正常蓄水位2328.0m；設計洪水位2328.14m，對應溢洪道下泄流量為103m3/s；校核洪水位2330.77m，對應溢洪道下泄流量為240m3/s；下游消能防沖標準30年一遇，對應水庫水位2327.82m，溢洪道下泄流量為89m3/s。

根據樞紐工程總體布局，溢洪道布置在左岸，進口緊靠左壩肩，軸線與大壩軸線呈103°角，由進水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段組成，全長188.61m。

進水渠長14.98m，矩形斷面，左邊墻為衡重式，由7.23m圓弧段和7m直線段組成；右側邊墻為重力式，由12.82m圓弧段和7m直線段組成，渠底寬由12.6m漸變到8m；渠底板高程2321.5m，縱坡i=0。控制段長11.5m，堰型為“WES”實用堰，堰頂高程2324.5m，堰凈寬8m，采用弧形工作門擋水。泄槽段長106.87m，由2段組成，其中第一段泄槽長30m，縱坡i=0.02，槽寬由8m漸變?yōu)?m，槽深5m；第二段泄槽長60.6m，縱坡i=1/1.3，槽寬6m，槽深由5m漸變?yōu)?m；兩段泄槽之間采用拋物線連接。消能防沖段長55.26m，采用挑流消能，挑坎半徑15.0m，挑角22°，鼻坎頂高程2264.35；鼻坎后接鋼筋石籠護坦，長40m，其末端與泄洪洞出口護坦相接。

溢洪道出口處岸坡較陡，坡度達40°～50°，消能設施若采用底流消能，挖方量較大，且會形成高邊坡，工程投資較大，經綜合考慮，溢洪道末端采用挑流消能。

溢洪道出口處河道為天然彎道，溢洪道軸線與河道走向呈135°角。該段河道主河槽寬約20m，左岸為高陡山體，右岸為河漫灘，河漫灘寬約60m，右側為山體。右岸山體坡腳處布置有進場道路，道路距溢洪道挑流鼻坎（沿溢洪道軸線方向）約80m。

溢洪道挑流鼻坎體形初步設計為連續(xù)坎，為驗證水流形態(tài)、消能效果以及下泄水流對相鄰建筑物是否存在安全隱患，設計過程中進行了水工模型試驗。

3.模型試驗

溢洪道水工模型試驗由水利部西北水利科學研究所實驗中心承擔，重點對挑流鼻坎進行優(yōu)化、驗證。

模型幾何比尺Lr=40，全部采用有機玻璃制作，流量比尺，流速比尺，時間比尺，糙率比尺。

圖1　原設計鼻坎體形　

圖2　優(yōu)化后鼻坎體形

鼻坎下游河床質抗沖流速為2.5m/s，經依茲巴什公式計算，模型動床沖料粒徑范圍為3.2mm～6.25mm，按此粒徑范圍配置沖料的中值粒徑為d50=4.34mm。

（1）原設計試驗結果。原設計鼻坎體形見圖1，采用連續(xù)坎，結構簡單。試驗過程中對水舍形態(tài)、下游河道沖淤形態(tài)進行了記錄。

①水舍形態(tài)。溢洪道下泄校核流量時水舌挑距為84.74m，正常蓄水位時下泄水流水舌最大挑距為68.74m；從平面來看，水舌順直而下，入水處水舌橫向擴散輕微，校核洪水位和正常蓄水位時水舌寬度分別為10.0m和8.0m，水流較為集中。從水舌入水位置來看，入水點位于河槽右岸灘地，下泄水流沒有歸槽。

②河道沖淤形態(tài)。沖坑最深點位于鼻坎下游溢洪道中線偏左部位，下泄校核流量時沖坑深度為17.20m，正常蓄水位時沖坑深度為12.10m。從沖淤形態(tài)來看，沖坑位于河床右岸灘地，下泄水流將沖坑部位河床質沖向左岸及以下河槽，將下游河道淤積成較大范圍的平灘，淤積嚴重。

③存在問題。由于溢洪道出口處為天然彎道，溢洪道軸線與河道走向交角較大，泄洪時沖坑位于河槽右岸灘地，水舌擴散不充分，下泄水流無法歸槽；由于右岸河漫灘覆蓋層埋深較大，導致沖坑較深，淤積物堵塞河槽，且沖坑將會危及右岸進場道路的安全。

（2）體形優(yōu)化后試驗結果。針對溢洪道原設計挑流鼻坎存在的問題，對鼻坎體形進行優(yōu)化。該工程溢洪道挑流鼻坎要達到的目的主要是改變水流導向，其次是使水流沿縱向或橫向擴散以達到減輕下游河道沖淤的目的，為此，試驗先后經過了4次優(yōu)化，最終方案挑流鼻坎體型見圖2。

該方案鼻坎體型結合了斜挑坎、扭曲坎及窄縫坎的優(yōu)點。首先，將右邊墻做成弧形，改變出水方向。其次，鼻坎寬度沿程收縮，使挑出的水流在空中向豎向和順水流方向充分擴散，以減小水舍入水單位面積能量，減輕下游河道沖刷。最后，將鼻坎右側槽底抬高，促使水流向左側擴散的作用加強，挑出的水流在空中扭曲成斜面，使射流入水區(qū)順水流向充分散開。

模型試驗記錄如下：①水舍形態(tài)。下泄校核流量時水舌最大挑距為98.82m，正常蓄水位時水舌最大挑距為81.22m；從平面位置看，主水舌導向較理想，入水位置位于下游主河槽內；下泄水流橫向擴散充分，入水單寬流量明顯減小。

②河道沖淤形態(tài)。正常蓄水位時沖坑深度約為7.2m，下游河道淤積范圍較小；下泄校核洪水時沖坑深度約為12.0m，下游河道沖淤范圍較大，但要小于原設計方案，主要原因與河道內覆蓋層埋深有關。

③結論。優(yōu)化后溢洪道挑流鼻坎體形通過模型試驗驗證，各工況下水流導向理想，入水位置在下游主河槽內；水舌擴散充分，正常蓄水位泄洪時下游河道沖坑深度約為7.2m，下泄校核流量時沖坑深度約為12.0m，消能防沖效果明顯?？傊?，通過模型試驗優(yōu)化、驗證，該工程溢洪道挑流鼻坎達到了設計目的，效果特別理想。

4.結語

水利水電工程中泄水建筑物消能防沖設計尤為重要，泄水建筑物泄流時攜帶巨大能量，如果處理不慎，將會造成泄水建筑物或其他建筑物破壞，從而影響工程安全。本本工程溢洪道挑流鼻坎通過改變體型，解決了下泄水流不歸槽問題，同時增大了射流與空氣的接觸面積，使消能更加充分，減小沖坑深度，消除了下泄水流對進場道路的安全隱患。

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