大石澗水庫溢流壩挑流消能工設(shè)計創(chuàng)新

張桂花，胡士輝

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州 450016；2.黃河水利委員會水文局，河南鄭州 450004）

0 引言

泄洪消能是溢流壩建設(shè)中的重要技術(shù)問題，泄流產(chǎn)生的高速水流將會沖刷下游岸坡與河床，直接影響大壩的安全。為此，眾多水利工程學(xué)者對溢流壩泄洪消能問題進(jìn)行了相關(guān)研究，如虞佳穎等［1］提出了縱向錯落差動式挑坎，并對水舌挑距及壓強(qiáng)和能耗率等指標(biāo)衡量進(jìn)行了數(shù)值模擬。王瑞［2］等提出了一種曲面貼角窄縫挑坎，介紹了其優(yōu)點，進(jìn)行了理論分析及模型試驗驗證，此種結(jié)構(gòu)形式在高壩峽谷的泄洪消能中較為適用。李元杰［3］在黃家灣水利樞紐工程溢洪道建設(shè)中提出了一種新型非對稱轉(zhuǎn)向收縮差動式挑坎，以適應(yīng)其工程地形地質(zhì)條件、樞紐布置和泄水建筑物的運行要求。馬飛［4］為解決工程實際問題，提出了一種新型燕尾坎消能工，并研究了其消能率，這種消能工結(jié)構(gòu)在孔洞類泄水建筑物中得到了良好的運用。邱勇和龔愛民［5］提出了斜鼻坎，并對其進(jìn)行了水工模型試驗和實際工程應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，研究表明，這種鼻坎形能夠很好的適應(yīng)狹窄的地形條件。程文磊［6］等提出了一種燕尾型挑坎，闡述了其優(yōu)越性，并進(jìn)行了模型試驗研究，并且這種挑坎形式在狹窄河谷中更加適用。

針對大石澗水庫溢洪道泄流消能問題，筆者之前進(jìn)行了專項研究，分別開展了大石澗水庫溢流特性與壩址下游河道沖刷、挑流鼻坎體型優(yōu)化試驗研究以及新型舌瓣鼻坎消能工的應(yīng)用研究，相關(guān)研究成果見文獻(xiàn)［7-9］。有別于以上專項研究，從大石澗水庫泄流消能問題出發(fā)，從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的全過程闡述大石澗水庫溢流壩消能工的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新，注重“三新技術(shù)”的應(yīng)用，解決了工程實際問題，讓工程更好的發(fā)揮了效益，是對前述研究成果的凝練與補(bǔ)充，并且這種解決泄流消能問題全過程遵循的原則與設(shè)計方法也可為其他工程提供有益借鑒。

1 工程概況

大石澗水庫工程位于黃河二級支流渡洋河中上游，是一座新建的中型水庫，大壩結(jié)構(gòu)形式為重力壩，材料為碾壓混凝土，建筑物級別為3級，大壩由兩岸擋水壩段和河槽溢流壩段組成，共分為14個壩段，左岸擋水壩段布置有放空排沙底孔和基流放水管。壩址區(qū)為“U”字型河谷，底寬30～120 m，河床地面高程554～610 m，兩岸均為典型的中山。消能段位于壩址下游，河床覆蓋層厚約8～9 m，主要成分為安山玢巖、安山巖和石英砂巖，卵、漂石含量22%～50%，覆蓋層最厚達(dá)12.4 m。覆蓋層下部為堅硬的安山玢巖。大石澗水庫工程平面布置及壩址下游地形見圖1。

圖1 大石澗水庫平面布置及壩址下游地形Fig.1 Layout of Dashijian Reservoir and topography downstream of dam site

大石澗水庫各工況重現(xiàn)期洪水的洪峰流量、水庫上下游水位及下泄流量詳見表1。

表1 水庫工程特性指標(biāo)Tab.1 Reservoir engineering characteristics index

2 溢流壩體型設(shè)計

文獻(xiàn)［9］差動坎方案優(yōu)點是水舌上下分層，各股水舌橫向擴(kuò)散后相互碰撞，上下層水股互相擠壓、摻混，水舌摻氣充分，但是當(dāng)缺口挑角小于15°時水舌落點距離護(hù)坦較近，導(dǎo)致護(hù)坦基礎(chǔ)沖刷；當(dāng)缺口挑角大于15°時，其水舌落點又與齒坎水舌落點相距較近，前后兩層水舌拉開程度有限；另外，岸邊回流較大，兩岸沖刷仍較嚴(yán)重。

經(jīng)過對齒坎數(shù)量和反弧半徑分別進(jìn)行了優(yōu)化，將齒坎數(shù)量減少到3 個，鼻坎反弧半徑為12 m 調(diào)整為15 m，鼻坎最大挑角從50°、40°和30°調(diào)整為35.0°，即整個消能工由3 個大舌型鼻坎加兩個缺口組成，鼻坎反弧半徑均為15 m，與原方案相同。最后確定左右兩側(cè)舌型鼻坎對稱布置，均由半徑13.7 m和10.01 m的兩段圓弧組成，最大挑射角35.0°；中間舌型鼻坎平面投影為半徑11.79 m一段圓弧，最大挑射角30.0°；缺口寬度為3 m，挑射角15.0°。

舌瓣型鼻坎反弧半徑R為15.0 m，反弧最低點高程560.595 m，挑坎頂高程561.50 m，挑角20°。溢流表孔進(jìn)口設(shè)有實體支撐邊墩，邊墩寬1.0 m，邊墩下游連接溢流面導(dǎo)墻，導(dǎo)墻寬1.0 m，墩頂部設(shè)交通橋。

堰面冪曲線方程見式（1）：

曲線至566.405 m高程與1∶0.75坡相切。

冪曲線原點上游接三段相切圓弧，R1向上游接鉛直面，R3向下游接冪曲線，圓弧圓心角依次為：36°、34°、20°、弧半徑如下：

表2 大石澗溢流堰泄流特征參數(shù)值Tab.2 Discharge characteristic parameters of Dashijian overflow weir

表3給出了水庫下泄校核洪水和設(shè)計洪水時流量時對應(yīng)庫水位計算值和物理模型試驗值對比關(guān)系。

表3 舌瓣鼻坎校核、設(shè)計水位時泄流能力對比表Tab.3 Comparison of discharge capacity of tongue flap and nose ridge when checking and designing water level

表4 校核、設(shè)計流量時庫水位對比表Tab.4 Comparison table of reservoir water level when checking and designing flow rate

結(jié)果表明：校核洪水位609.3 m 時，溢流表孔的實測泄量2 046.0 m3/s 與相應(yīng)的設(shè)計值1 986 m3/s 相差3.02%；設(shè)計水位607.3 m 時，溢流表孔的實測泄量1 112.0 m3/s 與相應(yīng)的設(shè)計值1 078 m3/s 相差3.15%。溢流表孔下泄校核洪水時，實測庫水位為609.18 m，較相應(yīng)的設(shè)計值609.3 m 低0.12 m；下泄設(shè)計洪水時，實測庫水位為607.21 m，較相應(yīng)的設(shè)計值607.3 m 低0.09 m。原設(shè)計60 m凈寬的溢流表孔泄流能力滿足要求。

3 消能工體型創(chuàng)新

3.1 消能工體型創(chuàng)新思路

溢流表孔原方案鼻坎水流落點過于集中，兩岸有不同程度的淘刷，為了更好地分散水流，減輕對下游河道的集中沖刷和兩岸回流，對挑流鼻坎體型各參數(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新。參考類似工程經(jīng)驗［1-6］，采用差動式鼻坎出流在空中形成3 個獨立擴(kuò)散的“燈泡型”水舌、以增加水舌在空中擴(kuò)散程度，從而達(dá)到減輕下游河道集中沖刷深度和減輕兩岸回流強(qiáng)度的目的。

3.2 消能工體型選擇

前后共設(shè)計6 種挑流鼻坎體型方案，具體見文獻(xiàn)［7］，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和水工模型試驗，數(shù)值模擬運用Flow-3D軟件，采用N-S 方程，建立了挑流鼻坎的三維水流RNG κ～ε 數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)Flow-3D 自帶的泥沙模塊建立壩址下游泥沙沖刷模型；物理模型幾何比尺選為1∶40，其他水力參數(shù)比尺按照模型相似律確定，具體見文獻(xiàn)［8］，分別研究了不同體型挑流鼻坎泄水過程中的水流流場及下游沖刷過程，溢流壩址下游河道的流場信息、沖刷坑最大沖刷深度及沖刷范圍，見文獻(xiàn)［9］。根據(jù)下游沖淤結(jié)果及水流流態(tài)情況，優(yōu)化調(diào)整了溢流壩挑流鼻坎的形態(tài)，最終確定了新型舌瓣挑坎型式。新型舌瓣挑坎方案優(yōu)于其他方案，水舌形態(tài)好，岸邊回流強(qiáng)度小、沖刷范圍小。

根據(jù)本工程的特點，溢流壩挑流消能工經(jīng)分析研究后采用一種新型舌瓣挑流鼻坎，并結(jié)合數(shù)值模擬及水工模型試驗進(jìn)行研究。該舌瓣挑坎突破了常規(guī)的連續(xù)式、長短高低差動式及舌型挑坎體型，集上述挑坎優(yōu)點于一體，舌瓣鼻坎增加了水舌挑距，避免水舌集中沖刷河床，減輕護(hù)坦基礎(chǔ)沖刷及兩岸淘刷強(qiáng)度，消除了水流對下游河道及兩岸山體的不利影響，達(dá)到了更好的消能防沖效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。

3.3 新型舌瓣鼻坎設(shè)計

本文基于大石澗水庫基礎(chǔ)資料，結(jié)合數(shù)值模擬及水工模型試驗多方案成果比較后確定挑坎體型［7，8］，舌瓣鼻坎挑流消能工是由3 個大2 舌型鼻坎和兩個缺口組成，挑坎段結(jié)構(gòu)布置及三維效果如圖2（a）、（b）所示。

經(jīng)過研究對比，最后確定左右兩側(cè)舌瓣鼻坎采用對稱布置形式，均由半徑R1=13.7 m和R2=10.1 m的兩段圓弧組成，最大挑射角35.0°；中間舌瓣鼻坎平面投影為半徑R3=11.8 m 一段圓弧，最大挑射角30.0°；缺口寬度為3 m，挑射角15.0°。

根據(jù)設(shè)計思想采用三維視角進(jìn)行三維設(shè)計，構(gòu)建挑流鼻坎三維模型，讓設(shè)計意圖表達(dá)的更為直觀清晰，以溢流壩段挑流鼻坎最低點為坐標(biāo)原點O（0，0，0），X、Y、Z軸正方向如圖2（b）所示。

圖2 新型舌瓣鼻坎結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Structure layout of the new lingual valve and nasal canal

可得出：Z與R、Y之間的變化關(guān)系表達(dá)式為式（2）：

由以上式（2）～（8）可知，對于給定的任意一個X值，就可以得出與之相對應(yīng)的Y和Z坐標(biāo)值，以上表達(dá)式可以作為水工模型試驗和現(xiàn)場施工放樣的控制點坐標(biāo)值，針對這種挑流鼻坎新形結(jié)構(gòu)，其體型新穎，構(gòu)造獨特。借助三維設(shè)計技術(shù)可以快速便捷的設(shè)計出精準(zhǔn)的工程結(jié)構(gòu)模型，絕對直觀的表達(dá)設(shè)計意圖，指導(dǎo)水工模型試驗的物理建模，提升項目施工時技術(shù)人員設(shè)計交底時的可視化效果。

4 創(chuàng)新成果驗證分析

4.1 挑流水舌

針對提出的新型舌瓣鼻坎，對其進(jìn)行了數(shù)值模擬及物理模型試驗，圖2 給出了30 年一遇洪水溢流表孔溢水舌形態(tài)分布結(jié)果。由圖3 可知：經(jīng)新型舌瓣鼻坎挑流后水舌前后左右的水流分散均勻，落點拉開，挑流水舌形態(tài)更好。

圖3 水舌形態(tài)分布圖Fig.3 Morphology distribution of water tongue

如圖4 給出了水舌挑角、挑高與堰上水位的關(guān)系，圖4 表明水舌挑角與堰上水位并不成正比關(guān)系，設(shè)計洪水時水流挑角最大；校核洪水入射角較小，有利于水體沿河道下游發(fā)展。

圖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

圖5-圖6 給出了溢流堰堰面軸線底流速、垂線平均流速、水深模擬值，溢流表孔泄流時堰面流速呈逐漸增大趨勢，進(jìn)口流速最小，堰面段（壩址下游0～8.33 m）流速緩慢增大，壩面斜坡段（壩址下游8.33～31.79 m）流速快速增大，壩尾反弧最低點流速急劇增。溢流表孔流速與堰上水位并未成正比關(guān)系，校核洪水時鼻坎起挑點之前流速小于設(shè)計和30 年一遇洪水。壩面水深沿程逐漸減小至起挑點陡然增大，校核洪水水深最大，表孔堰面段水深急劇較小，壩面斜坡段水深變化不大，鼻坎反弧段急劇減小后陡然增大。校核洪水時鼻坎起挑點水深為1.1 m，設(shè)計和30年一遇洪水時分別為0.8、0.6 m。

圖5 溢流表孔溢軸線上底部流速、垂線平均流速Fig.5 Bottom flow velocity and average vertical flow velocity on overflow axis of overflow gauge hole

圖6 溢流表孔軸線上水深Fig.6 Water depth on overflow gauge hole axis

4.3 堰面壓強(qiáng)分布

圖7 給出了溢流壩壩面壓力分布特征，表孔堰面段壓力沿程降低，壩面斜坡壓力普遍較小。除個別局部位置處壓強(qiáng)極大極小外，整體壓強(qiáng)在8 kPa 范圍內(nèi)。30 年一遇、設(shè)計、校核洪水時，溢流堰面最小壓力值依次為-0.01、0.06、0.47 kPa，出現(xiàn)在壩址下游4.5、4.5、8 m 處；30 年一遇、設(shè)計洪水時壩面斜坡出現(xiàn)最小負(fù)壓值分別為-4.2、-2.98 kPa，出現(xiàn)在壩址下游28.5 m 處，設(shè)計洪水時壩面斜坡段水深太小，整體壓力較小，且流速偏大且水流沿縱向產(chǎn)生起伏，校核工況壩址下游46.5、36.5、36.5 m 測點處出現(xiàn)低壓區(qū)。

圖7 舌瓣鼻坎y=-20壩面壓力分布Fig.7 Pressure distribution on the dam surface at y=-20

4.4 壩址下游河道流態(tài)、流速分布

圖8 給出了下游河道30 年一遇洪水工況數(shù)值模擬及水工模型試驗壩址下游河道流態(tài)、流速分布情況。

圖8（a）可見鼻坎挑射水流壩前至水舌落點附近旋渦翻騰劇烈，大小不同尺寸的渦體產(chǎn)生強(qiáng)烈的混摻。鼻坎挑射水流從水舌落點壩址下游150 m 處至壩址下游180 m 范圍向上游回溯，左、右岸分別形成逆、順時針回流，對兩岸邊坡的覆蓋層產(chǎn)生淘刷，下游河道水流隨河道動床區(qū)域搖擺，主流偏右岸。

圖8（b）可知溢流表孔下泄30 年一遇洪水時，挑流水舌最遠(yuǎn)落點處三股水舌落點位置相差不大；消能區(qū)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。

圖8 下游河道水流流態(tài)、流速分布Fig.8 Flow pattern and velocity distribution of downstream river

圖9 給出了3 種工況下新型舌瓣鼻坎溢軸線水面線沿程變化情況。由圖9可知下游河道校核洪水水面線整體略高于30年一遇和設(shè)計洪水，下游河道水位在壩址下游200 m 以后趨于穩(wěn)定。壩址下游135 m范圍內(nèi)出現(xiàn)校核洪水水面高程低于30年一遇和設(shè)計洪水的情況，這是由于校核洪水壩址下游沖刷嚴(yán)重，侵蝕至護(hù)坦下方，地形高程降低，水面高程隨之偏低；另外，壩址下游135 m范圍屬于沖刷回流區(qū)，校核洪水挑流入射角較小，向上游回溯水流偏小，絕大部分水體在縱向流速的影響下流向下游，這也是壩址下游135 m 范圍內(nèi)校核洪水水面高程偏低的原因，同時形成沖坑后方河道（壩址下游150～200 m）水位雍高。

圖9 舌瓣鼻坎溢軸線水面線Fig.9 Water surface line of spillway axis of lingual valve

4.5 壩址下游河道沖刷及沖坑

圖10 給出了數(shù)值模擬下游各工況下的沖刷坑地形。由圖10 可知：①隨下泄流量增大，對應(yīng)的壩址下游河道沖刷均呈現(xiàn)出最大坑深增大，沖刷侵蝕面擴(kuò)大且逐步向兩岸邊坡及護(hù)坦位置蔓延的趨勢。從下游河道沖刷的侵蝕面積，最大坑深，護(hù)坦下侵蝕深度及兩岸邊坡淘刷深度模擬結(jié)果顯示，新型舌瓣鼻坎30 年一遇消能防沖工況下，下游河道中央最大坑深12 m，距護(hù)坦51 m 處，在大壩安全范圍內(nèi)，左右邊坡淘刷深度分別為3 m、8 m，大壩和兩岸岸坡是安全的；②設(shè)計洪水工況下，下游河道中央最大坑深14 m，距護(hù)坦71 m 處，左右邊坡淘刷深度分別為5 m、8 m，大壩和兩岸岸坡是安全的；③校核洪水工況下，下游河道中央最大坑深14 m，距護(hù)坦61 m 處，壩址下游河道局部沖坑在大壩安全范圍內(nèi)。

圖10 下游沖刷坑深度模擬Fig.10 Downstream scour pit depth simulation

為驗證數(shù)學(xué)模擬的可靠性，對新型舌瓣挑流鼻坎進(jìn)行了整體物理模型試驗驗證，圖11 給出了下游沖刷深坑深度試驗結(jié)果。

圖11 下游沖刷坑深度試驗Fig.11 Downstream scour pit depth test

圖11 結(jié)果顯示：校核工況消能區(qū)兩岸沖刷嚴(yán)重，最大沖深11.5 m，仍比壩基礎(chǔ)高出6.5 m，不會影響壩體穩(wěn)定。設(shè)計工況河中沖深比校核工況減少1.5 m，左岸沖刷范圍減小，基巖略有沖刷，右岸基巖沖刷6 m左右；消能區(qū)左岸覆蓋層淘刷后基巖裸露，但基巖沒有產(chǎn)生沖刷，右岸基巖沖刷3～4 m，不會影響岸坡穩(wěn)定，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬基本一致。

5 結(jié)論

（1）該新型消能工可使水流縱向拉開、橫向擴(kuò)散形成特殊的三元流，水舌在空中能夠充分摻氣碰撞消殺其能量，避免水舌集中沖刷河床。

（2）曲面弧形結(jié)構(gòu)的鼻坎體型優(yōu)于棱角分明的體型，弧形結(jié)構(gòu)鼻坎最小最大挑角15°、35°為宜。

（3）可通過調(diào)整舌瓣半徑改變水流的流態(tài)及其出流落點，使該新型消能工達(dá)到較好的消能防沖效果。