某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化探究

◎ 万康飞　新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司



某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化探究

◎ 万康飞新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司

摘要：云南某水库溢洪道出口与河道交角呈135°角，通过模型试验发现，挑流鼻坎将下泄水流挑向右岸滩地，水流无法归槽，冲坑较深，危及进场道路安全。通过改变鼻坎体型，改变了水流导向，水流挑向下游河道，且水舌扩散充分，消能防冲效果特别明显。

关键词：溢洪道 挑流鼻坎 优化

1.工程概况

云南某水库位于云南省丽江市永胜县境内，坝址距永胜县城58km。水库的工程任务为：解决项目区3.6万人和14.75万头牲畜用水问题、满足5.05万亩灌溉面积的灌溉用水，改善灌溉面积2.27万亩，新增灌溉面积2.78万亩冬春季节季节性灌溉需水以及下游乡镇工业需水要求。枢纽工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪洞以及输水洞，总库容2520万m3。

水库为中型Ⅲ等工程，大坝为沥青混凝土心墙坝，为2级建筑物，溢洪道、泄洪洞、输水洞为3级建筑物，灌溉工程建筑物级别为5级，围堰建筑物级别为4级，其他临时建筑物为5级。枢纽布置格局为：大坝拦河布置，右岸布置输水系统、左岸布置泄洪洞（与初期导流洞合二为一）及表孔溢洪道。

坝型采用沥青混凝土心墙坝，坝顶高程2331.35m，最大坝高81.35m，坝顶宽度为8.0m，坝长300.0m。坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高出坝面1.2m。大坝上下游坝坡均为1︰1.8。

泄洪洞与导流洞完全结合，为无压洞泄洪，总长415.75m，设计泄量为186m3/s，校核流量为191m3/s。

输水系统采用有压运行，总长614.93m，其中竖井前隧洞段长75.5m，竖井后隧洞段196m，外包混凝土钢管段长54m，出口明渠段长260m。输水系统设计流量5.10m3/s，加大流量6.20m3/s。

2.溢洪道设计

水库正常蓄水位2328.0m；设计洪水位2328.14m，对应溢洪道下泄流量为103m3/s；校核洪水位2330.77m，对应溢洪道下泄流量为240m3/s；下游消能防冲标准30年一遇，对应水库水位2327.82m，溢洪道下泄流量为89m3/s。

根据枢纽工程总体布局，溢洪道布置在左岸，进口紧靠左坝肩，轴线与大坝轴线呈103°角，由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段组成，全长188.61m。

进水渠长14.98m，矩形断面，左边墙为衡重式，由7.23m圆弧段和7m直线段组成；右侧边墙为重力式，由12.82m圆弧段和7m直线段组成，渠底宽由12.6m渐变到8m；渠底板高程2321.5m，纵坡i=0。控制段长11.5m，堰型为“WES”实用堰，堰顶高程2324.5m，堰净宽8m，采用弧形工作门挡水。泄槽段长106.87m，由2段组成，其中第一段泄槽长30m，纵坡i=0.02，槽宽由8m渐变为6m，槽深5m；第二段泄槽长60.6m，纵坡i=1/1.3，槽宽6m，槽深由5m渐变为4m；两段泄槽之间采用抛物线连接。消能防冲段长55.26m，采用挑流消能，挑坎半径15.0m，挑角22°，鼻坎顶高程2264.35；鼻坎后接钢筋石笼护坦，长40m，其末端与泄洪洞出口护坦相接。

溢洪道出口处岸坡较陡，坡度达40°～50°，消能设施若采用底流消能，挖方量较大，且会形成高边坡，工程投资较大，经综合考虑，溢洪道末端采用挑流消能。

溢洪道出口处河道为天然弯道，溢洪道轴线与河道走向呈135°角。该段河道主河槽宽约20m，左岸为高陡山体，右岸为河漫滩，河漫滩宽约60m，右侧为山体。右岸山体坡脚处布置有进场道路，道路距溢洪道挑流鼻坎（沿溢洪道轴线方向）约80m。

溢洪道挑流鼻坎体形初步设计为连续坎，为验证水流形态、消能效果以及下泄水流对相邻建筑物是否存在安全隐患，设计过程中进行了水工模型试验。

3.模型试验

溢洪道水工模型试验由水利部西北水利科学研究所实验中心承担，重点对挑流鼻坎进行优化、验证。

模型几何比尺Lr=40，全部采用有机玻璃制作，流量比尺，流速比尺，时间比尺，糙率比尺。

图1　原设计鼻坎体形　

图2　优化后鼻坎体形

鼻坎下游河床质抗冲流速为2.5m/s，经依兹巴什公式计算，模型动床冲料粒径范围为3.2mm～6.25mm，按此粒径范围配置冲料的中值粒径为d50=4.34mm。

（1）原设计试验结果。原设计鼻坎体形见图1，采用连续坎，结构简单。试验过程中对水舍形态、下游河道冲淤形态进行了记录。

①水舍形态。溢洪道下泄校核流量时水舌挑距为84.74m，正常蓄水位时下泄水流水舌最大挑距为68.74m；从平面来看，水舌顺直而下，入水处水舌横向扩散轻微，校核洪水位和正常蓄水位时水舌宽度分别为10.0m和8.0m，水流较为集中。从水舌入水位置来看，入水点位于河槽右岸滩地，下泄水流没有归槽。

②河道冲淤形态。冲坑最深点位于鼻坎下游溢洪道中线偏左部位，下泄校核流量时冲坑深度为17.20m，正常蓄水位时冲坑深度为12.10m。从冲淤形态来看，冲坑位于河床右岸滩地，下泄水流将冲坑部位河床质冲向左岸及以下河槽，将下游河道淤积成较大范围的平滩，淤积严重。

③存在问题。由于溢洪道出口处为天然弯道，溢洪道轴线与河道走向交角较大，泄洪时冲坑位于河槽右岸滩地，水舌扩散不充分，下泄水流无法归槽；由于右岸河漫滩覆盖层埋深较大，导致冲坑较深，淤积物堵塞河槽，且冲坑将会危及右岸进场道路的安全。

（2）体形优化后试验结果。针对溢洪道原设计挑流鼻坎存在的问题，对鼻坎体形进行优化。该工程溢洪道挑流鼻坎要达到的目的主要是改变水流导向，其次是使水流沿纵向或横向扩散以达到减轻下游河道冲淤的目的，为此，试验先后经过了4次优化，最终方案挑流鼻坎体型见图2。

该方案鼻坎体型结合了斜挑坎、扭曲坎及窄缝坎的优点。首先，将右边墙做成弧形，改变出水方向。其次，鼻坎宽度沿程收缩，使挑出的水流在空中向竖向和顺水流方向充分扩散，以减小水舍入水单位面积能量，减轻下游河道冲刷。最后，将鼻坎右侧槽底抬高，促使水流向左侧扩散的作用加强，挑出的水流在空中扭曲成斜面，使射流入水区顺水流向充分散开。

模型试验记录如下：①水舍形态。下泄校核流量时水舌最大挑距为98.82m，正常蓄水位时水舌最大挑距为81.22m；从平面位置看，主水舌导向较理想，入水位置位于下游主河槽内；下泄水流横向扩散充分，入水单宽流量明显减小。

②河道冲淤形态。正常蓄水位时冲坑深度约为7.2m，下游河道淤积范围较小；下泄校核洪水时冲坑深度约为12.0m，下游河道冲淤范围较大，但要小于原设计方案，主要原因与河道内覆盖层埋深有关。

③结论。优化后溢洪道挑流鼻坎体形通过模型试验验证，各工况下水流导向理想，入水位置在下游主河槽内；水舌扩散充分，正常蓄水位泄洪时下游河道冲坑深度约为7.2m，下泄校核流量时冲坑深度约为12.0m，消能防冲效果明显。总之，通过模型试验优化、验证，该工程溢洪道挑流鼻坎达到了设计目的，效果特别理想。

4.结语

水利水电工程中泄水建筑物消能防冲设计尤为重要，泄水建筑物泄流时携带巨大能量，如果处理不慎，将会造成泄水建筑物或其他建筑物破坏，从而影响工程安全。本本工程溢洪道挑流鼻坎通过改变体型，解决了下泄水流不归槽问题，同时增大了射流与空气的接触面积，使消能更加充分，减小冲坑深度，消除了下泄水流对进场道路的安全隐患。

参考文献：

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