溢洪洞出口挑流鼻坎优化试验研究

陈小威，张宗孝，刘冲，杜麦

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安　710048）

溢洪洞出口挑流鼻坎优化试验研究

陈小威，张宗孝，刘冲，杜麦

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）

针对长益庙水库泄洪时下游岸坡淘刷严重这一问题，在挑坎前段溢洪洞YD+152.076-YD+168.875断面加了一对同心圆弯道的基础上，对原方案挑流鼻坎形式做了4种舌形挑流鼻坎修改方案。通过分析比较其挑距、扩散、冲刷等水力特性，最终认为修改方案三各水力参数较优，满足下游消能防冲要求，且施工难度不大，将之定为最终的挑流鼻坎推荐方案。另外，通过各舌形挑坎和原方案挑坎的对比分析，进一步明确了舌形挑坎在增强水流横向扩散方面的优越性。

模型试验；舌形挑坎；优化；水力特性；冲刷

溢洪洞发挥着向下游宣泄洪水、保证大坝安全的重要作用。其本身的布置和体型尺寸在实际工程中的安全性与合理性关乎整个水利工程的安全与经济，因此有必要对其作模型试验以进行验证。长益庙水库泄洪建筑物为一侧槽溢洪洞，其平面布置见图1，在挑流鼻坎下游约30 m处有一山包，原设计方案中，在设计洪水位和校核洪水位时，挑流水舌对山包根部冲刷较为严重，威胁岸坡稳定，因此必须优化挑流鼻坎体型以改善这一不利现象。溢洪洞的优化思路一般为以恒定流为依据，分析其水力学参数，验证其布置和尺寸的合理性与安全性，在此基础上考虑其经济性。长益庙水库侧槽溢洪洞模型试验以此为主线，以水流流态、水舌挑距、水舌扩散、下游冲刷为参数对其进行优化，从而对比分析得出优化方案。

本工程中采用舌形挑流鼻坎的优化方案。关于舌形挑坎，前人在小湾、二滩水利工程中有过试验研究［1］，谢波［2］，王均星［3］在龙开口水电站的挑流鼻坎优化中，分别对窄缝-舌形挑坎和大差动-舌形挑坎进行有关实验研究，结果表明，这2种方案消能防冲效果更佳。王瑞等［4］将曲面贴角窄缝挑坎与舌形挑坎进行过对比分析研究，张东明［5］对舌形挑坎的水舌流态进行建模计算，提出了不同坎形条件下掺气水舌空中横向扩散规律。舌形挑坎是由传统的连续型挑坎发展而成，与传统的连续型挑坎相比，舌形挑坎水流横向扩散更充分，单宽流量更小，于下游消能防冲更为有利，具有很好的应用前景。

1　工程概况和模型设计

长益庙水库处于陕西省宝鸡市麟游县境内，坝址位于崖窑村长益庙林场内杨家河上。水库枢纽由大坝、溢洪洞见图1、放水洞、输水洞等主要建筑物组成。坝顶高程1 221.00 m，水库正常蓄水位1 216.00 m，总库容331万m3，灌溉面积146.6 hm2，设计引水流量为0.15 m3/s，最大坝高25.30 m，枢纽工程等别为Ⅳ等、工程规模为小（1）型。大坝、溢洪洞及放水洞等主要建筑物为4级，相应防洪标准按30年一遇洪水标准设计，300年一遇洪水校核；溢洪洞消能防冲标准为20年一遇洪水；施工导流为5年一遇洪水标准。溢洪洞布置在右岸坝端，主要任务是泄洪。采用侧堰溢洪洞，轴线为直线。溢洪洞由侧堰段、调整段、洞身段、明渠段和出口消能段等部分组成，全长198 m，最大下泄流量125.0 m3/s。

模型按重力相似准则设计，选用几何比尺为1∶30，为正态定床模型，下游水舌落点附近做成局部动床，相应的其他物理量比尺见表1。

表1　模型主要比尺关系Tab.1　Main scales of the model

图1　溢洪洞布置Fig.1　Layout of the discharge tunnel

2　原方案试验成果

原方案中挑流鼻坎体型尺寸见图2（a）、图2（b），挑流鼻坎长16.86 m，反弧半径R=45 m，鼻坎挑射角θ=15.57°。

2.1水舌挑距与扩散

由于挑坎段平面上的转弯，挑坎段水流液面左低右高，主流集中在右侧；上下游水位落差不大，设计洪水位时的出口流速为11.29 m/s，校核洪水位时挑坎出口流速为13.21 m/s；水舌挑距不大，设计洪水位时最大挑距为13.5 m，校核洪水位时最大挑距为19.8 m；设计洪水位时水舌扩散宽度为6.6 m，校核洪水位时扩散宽度为8.9 m。

图2　挑流鼻坎体型Fig.2　Scheme of the jet bucket

2.2下游冲刷

试验中观察到设计流量和校核流量时挑流鼻坎对面右侧山包根部水流紊乱，有回旋流，水流淘刷山包根部严重。20年一遇洪水流量时右岸最深淘刷高程约为1 192.58 m；设计洪水流量时右岸最深淘刷高程约为1 190.57 m；校核洪水流量时右岸最深淘刷高程约为1 183.49 m。20年一遇洪水流量和30年一遇设计洪水流量时，挑坎护坦末端底部齿墙埋深1.97 m和1.79 m，冲刷坑上游坡比缓于1/2.5，满足消能要求，然而300年一遇校核洪水流量时，挑坎护坦末端底部齿墙埋深0.32 m，冲刷坑上游坡比陡于1/2.5，不满足消能要求，校核流量时冲刷坑形态见图3。

图3　校核流量时下游冲刷坑形态Fig.3　Form of the lower reach scour hole in checking the flood discharge

3　修改方案试验成果

基于原方案存在的问题，考虑到本工程挑坎末端流速不大，在挑坎前段自YD0+152.076断面至YD0+168.875断面加一个外半径40.0 m，内半径37.0 m的同心圆弯道，平面转角采用25°，底坡采用1/100。弯道后接挑流鼻坎，挑流鼻坎纵剖面反弧半径采用45.0 m，挑角采用11.89°～14.10°，平面仍采用外半径40.0 m，内半径25.0 m，外边墙平面转角采用15°，内边墙平面转角采用21.24°。修改方案1挑坎形式为沿两边墙末端直线连接；修改方案2形式为两边墙末端的距离3.578 m作为弦长，半径采用2.0 m，中心角为126.89°的舌型挑坎；修改方案3形式为两边墙末端的距离3.578 m作为直径，半径采用1.789 m，中心角为180°的舌型挑坎；修改方案4形式为半个椭圆舌型挑坎，即椭圆舌型挑坎为两边墙末端的距离3.578 m作为椭圆的短轴，3.578 m×2作为椭圆的长轴，采用半个椭圆的舌型挑坎。挑坎修改方案体型尺寸见图4（a）至图4（e）。

3.1水舌扩散

挑流水舌扩散时，扩散宽度越大，单宽流量越小，水流在横向方向能量越分散，对下游河床冲刷程度越轻。模型试验实测得4个挑流鼻坎修改方案的水舌扩散宽度随流量变化关系见图5。由图可知，在相同流量时，4个方案的水舌宽度均较原方案有不同程度的增大，其中方案四增幅最大，方案三次之，方案一最小［6-7］。可见，挑流水舌的扩散宽度与挑流水舌出口边界有关系。出口边界越大水舌扩散效果越好。设计洪水位时，方案四中水舌扩散宽度是原方案水舌宽度的1.5倍，方案三为1.3倍；校核洪水位时，方案四中水舌扩散宽度是原方案水舌宽度的1.7倍，方案三为1.2倍，水舌扩散效果较好，且水流分布较原方案均匀。

3.2挑距

挑距越大，挑射水流在纵向方向能量越分散。模型试验测得四个挑流鼻坎修改方案的水舌挑距随流量变化关系见图6。由图可知，在相同流量时，除方案一外，其余3个方案的水舌挑距均较原方案有不同程度的增大，其中方案三增幅最大，方案二次之，方案四最小。设计洪水位时，方案三中水舌最大挑距为15.9 m，较原方案挑距增大18%；方案二为15.3 m，增大13%。；校核洪水位时，方案三中水舌最大挑距为24.0 m，较原方案挑距增大21%；方案二为21.6 m，增大9%。

3.3冲刷

在研究挑流鼻坎优化时，下游河床的冲刷是所要考虑的一个关键因素。冲刷坑深度越浅，坡度越缓，越有利于下游建筑物和岸坡的稳定与安全，也越有利于河道的畅通，下游水流也越稳定。修改方案时，挑流水舌对下游河床冲刷程度均有所减轻，校核洪水时修改方案挑坎的冲坑形态见图7（a）至图7（d）。就冲坑最深点深度来判断，方案四最好，方案三次之。设计洪水时方案四冲坑最深点深度相对于原方案减少2.07 m，方案三冲坑最深点深度相对于原方案减少1.41 m；校核洪水时方案四冲坑最深点深度相对于原方案减少7.26 m，方案三冲坑最深点深度相对于原方案减少5.64 m。3种工况的冲坑最低点高程值见表2。

3.4冲坑上游坡比

冲刷坑是否会危及建筑物的基础，这与冲刷坑深度及河床基岩节理裂隙、层面发育情况有关，应全面研究决定。一般认为，当冲坑上游侧与挑坎末端的距离大于2.5～5倍的冲坑深度时，将不影响建筑物的安全［6-7］。

定义上游坡比i=Δh/l，其中h为挑流鼻坎末端齿墙底部高程与冲坑最深点高程之差，l为冲坑最深点到护坦末端断面水平距离，则当i＜1/2.5时，可认为冲刷坑不会危及建筑物基础。计算得4种修改方案的各工况上游坡比i如表3所示。由表中数据关系可知，4种修改方案的各工况的i值均小于1/2.5，满足消能要求，且4种方案中，方案四上游坡度最缓，方案三次之。

图4　修改方案挑流鼻坎体型Fig.4　Schemes of jet bucket of optimization designs

4　结语

挑流鼻坎修改方案一挑距、水舌扩散宽度相对都较小；挑流鼻坎修改方案二挑距、水舌扩散宽度都次之；挑流鼻坎修改方案三挑距、水舌扩散宽度相对都较大；挑流鼻坎修改方案四挑距、水舌扩散宽度相对都最大。

图5　水舌扩散宽度与流量关系Fig.5　Relationships between the divergent width and discharge flow

图6　水舌挑距与流量关系Fig.6　Relations between the jet trajectory distance and discharge flow

表2　冲刷坑最低点深度减少值Tab.2　Depth reduced of the lowest point in the scour hole

表3　冲刷坑上游坡比Tab.3　Upstream slope of the scour holes

挑流鼻坎4个修改方案，其中方案一水舌扩散最小，水流相对集中，最深冲坑相对较深；方案二水舌扩散次之，最深冲坑相对变浅；方案三水舌扩散较好，水流相对分散也较好，最深冲坑相对较浅；方案四水舌扩散相对最好，水流相对分散也最好，最深冲坑相对最浅。方案四虽消能参数较优，但舌型挑坎较长，施工难度较大，再加之本工程消能问题不很严重，且方案三已然能够满足应用要求，因此推荐方案三作为最终的设计方案。

图7　校核洪水时修改方案冲刷坑形态Fig.7　Forms of the scour hole in the optimized scheme in checking the flood discharge

较之常规的连续型挑坎，本工程模型试验优化方案中所采用的舌形挑坎水流横向扩散更充分，有利于解决下游的消能防冲问题，具有很好的应用前景。文献［8］曾对舌形挑坎的水力特性有过比较详细的研究，但已投入实际应用的工程实例尚较少，本工程的试验结果可为同类工程的设计提供参考。

［1］朱雅琴，张法星，许唯临.舌形挑流鼻坎水力特性研究［J］.科学技术与工程，2004，4（5）：397-402.ZHU Yaqin，ZHANG Faxing，XU Weilin.Research on hydraulic characteristics of flip bucket with tongue-type［J］.Science Technology and Engineering，2004，4（5）：397-402（in Chinese）.

［2］谢波，曲景学，胡静，等．龙开口水电站挑坎体型优化试验研究［J］．吉林水利，2009（1）：1-3．XIE Bo，QU Jingxue，HU Jing，et al.The study for the flip bucket style optimization test in Longkaikou hydropower station［J］.Jilin Water Resources，2009（1）：1-3（in Chinese）.

［3］王均星，罗贝尔．龙开口水电站挑流消能方式［J］．武汉大学学报（工学版），2011，44（2）：166-169．WANG Junxing，LUO Beier.Discussion on energy dispassion scheme for deflecting flow of Longkaikou hydropower station［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2011，44（2）：166-169（in Chinese）.

［4］王瑞，刘韩生，聂源宏，等．曲面贴角窄缝挑坎在玛尔挡水电站中的应用研究［J］．水力发电学报，2015，34（2）：85-90．WANG Rui，LIU Hansheng，NIE Yuanhong，et al.Application of curved slit-type flip bucket at Maerdang hydropower station［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2015，34（2）：85-90（in Chinese）.

［5］张东明，王媛．舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究［J］．中国农村水利水电，2007（3）：106-109．ZHANG Dongming，WANG Yuan.Diffusion regularity of water tongue discharging from tongue-sharped bucket and asymmetry bucket［J］.China Rural Water and Hydropower，2007（3）：106-109（in Chinese）.

［6］李建中.水力学［M］.西安：陕西科学技术出版社，2002：230-231.

［7］林继镛.水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2009：353-354.

［8］朱雅琴．舌形挑流鼻坎水力特性研究［D］．成都：四川大学，2004．

（编辑李沈）

Optimizing Experimental Study on Jet Bucket of Flood Discharge Tunnel Export

CHEN Xiaowei，ZHANG Zongxiao，LIU Chong，DU Mai
（School of Water Resources and Hydroelectric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

In view of the serious flood scouring on the downstream bank when flood water is discharged from Changyimiao reservoir，in addition to adding a concentric circle bend to YD+152.076 to YD+168.875 section of the spillway tunnel，this paper presents 4 modificationfor the original jet bucket type.Through comparison and analysis of hydraulic characteristics such as trajectory distance，divergent width and degree of depth of the scour hole，it is finally concluded that No 3 modification scheme is of better hydraulic parameters and is able to satisfy the energy dissipation and erosion control of the downstream，and is easier to be built.Therefore，the scheme is recommended as the final jet bucket scheme.In addition，through comparisons of each tongue-type jet buckets with the original jet bucket，the advantages of the jet bucket with tongue-type on expanding the degree of nappe by lateral diffusion are further ascertained.

model experiment；jet bucket with tonguetype；optimization；hydraulic characteristic；scour

1674-3814（2016）07-0143-06

TV131

A

2015-12-15。

陈小威（1990—），男，在读硕士，主要从事工程水力学研究。