一种新型舌瓣鼻坎消能工的应用研究

张桂花，胡士辉，张晓雷，李 彬

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州450016；2.黄河水利委员会 水文局，河南 郑州450004；3.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州450046；4.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

近年来我国碾压混凝土重力坝建设较多，工程所处区域地形、地貌、地质条件越来越复杂，在坝高、泄流量、河段地形、地貌、地质条件、经济性等因素影响下无法采用底流消能方式时，一般采用挑流方式消能。挑流消能工挑坎体形设计甚为关键，一些学者对其进行了大量研究，如:麦麦提江·艾麦提［1］采用FLUENT软件对挑流水舌形状进行了数值模拟，并对连续式挑流鼻坎进行了体形优化；卫勇［2］采用整体水工模式对复式挑流鼻坎的应用进行了研究，得到复式挑流鼻坎对减小岸边冲刷深度和降低下游淤积高程具有良好效果的结论；李泽等［3］采用整体水工模型研究提出了分条复式扭曲挑流鼻坎；李元杰等［4］采用整体水工模型研究提出了一种新型非对称转向收缩差动式挑坎；刘斌［5］通过水力学模型试验研究提出两底孔出口可采用矩形不对称宽尾墩形成的窄缝体形，三表孔可采用左、右表孔差动式齿坎与中表孔舌形鼻坎组合的优化方案来改善水垫塘内的水流流态，提高消能效率，使水垫塘底板所受动水冲击压力及脉动压力达到设计要求。

大石涧水库工程由于大坝上下游水位落差大，溢洪道单宽流量大，消能段河谷狭窄，加之地形、地貌、地质等因素影响，因此其泄洪消能工设计受到较大的限制，而上述学者所采用的挑流消能工无法解决该工程的泄水消能冲刷问题。笔者结合连续式和差动式挑流鼻坎体形的优点，研究提出了一种新型舌瓣鼻坎消能工，并通过物理模型试验和数值模拟等对其进行设计优化，最终使该消能工在实际工程中得到成功应用。

1 工程概况

大石涧水库工程位于黄河二级支流渡洋河中上游，是一座以灌溉供水为主并可起到拦洪滞蓄作用的中型水利枢纽工程。其控制流域面积173 km2，总库容3 309万m3，大坝为碾压混凝土重力坝，建筑物级别为3级，设计坝高68.9 m、坝顶长度295.0 m，大坝由挡水坝段和溢流坝段组成，共分14个坝段，其中溢流坝段64.0 m、左岸挡水坝段122.5 m、右岸挡水坝段108.5 m。表1给出了水库设计及校核洪峰流量。

表1 水库设计及校核洪峰流量

大石涧水库坝址区河槽两岸均为雄厚的中低山山体，山顶高程600～710 m，两岸岸坡坡度35°～50°，局部近直立，泄洪消能区左岸有一凸出的山包，泄洪消能设施的布置受到较大限制。水库溢流坝下游河床覆盖层厚8～10 m，局部达12 m。原设计泄洪消能方案采用连续坎挑流消能方式，其模型试验结果表明:库区来流平顺，泄流建筑物泄流能力满足要求，表孔堰面曲线设计合理，溢流表孔出流正对河道，水流没有冲刷两岸；在设计工况下，下游河道最大冲刷深度12.8 m，略深于覆盖层厚度；由于水舌空中扩散程度低，水流落点过于集中，因此两岸均有不同程度的淘刷，影响岸坡稳定。为达到最佳经济效果，不宜处理地形地质条件，因此只能对末端挑流鼻坎进行修改和优化［7］，考虑对原挑流消能设计进行优化，解决其消能防冲问题。

2 新型挑流消能工设计

2.1 挑流消能工体形选择

常用挑流鼻坎主要有连续式和差动式，两种挑流鼻坎体形各有优缺点［2］:连续式挑流鼻坎构造简单，不易发生空蚀破坏，但挑流时水股密实集中，高水头大流量时对下游河床冲刷较深；高低差动式挑流鼻坎的冲淤情况有较大改善，上下两层水舌挑距差太小，水舌落点仍较为集中，消能效果较连续式好，但易发生空蚀破坏。

基于有关学者已有研究成果［1-6］，结合连续式和差动式挑流鼻坎体形的优点，研究提出了一种新型舌瓣鼻坎体形，即在连续式基础上向前不连续伸出一段舌形底板形成长短差动的舌形挑流鼻坎。

2.2 新型舌瓣挑坎设计

大石涧水库工程溢流坝总宽度为60.0 m，其新型舌瓣鼻坎消能工采用三瓣式舌形挑流鼻坎，即整个消能工由3个大舌形鼻坎加2个缺口组成，见图1。经过多种方法多次对比调整，最终确定左右两侧舌形鼻坎对称布置，均由半径13.7 m和10.01 m的两段圆弧组成，鼻坎反弧半径均为15 m，最大挑射角35.0°；中间舌形鼻坎平面投影为半径11.79 m的一段圆弧，最大挑射角30.0°；缺口宽度为3 m，挑射角15.0°。

图1 新型舌瓣鼻坎消能工布置（单位:m）

3 物理模型

3.1 物理模型设计

根据溢流堰堰上水头及泄流能力，物理模型选取模型比尺为1∶40。物理模型按照重力相似准则设计，几何比尺λL=40、流速比尺λv=6.32、压力比尺λP=40、流量比尺

动床模拟:工程冲刷区附近河中覆盖层厚度约8 m；左岸边坡较缓，覆盖层较厚，为10～12 m；右岸边坡较陡，覆盖层厚仅2 m左右。为了提高物理模型冲刷与原型的相似性，物理模型将消能区左岸动定床边界适当外移，扩大动床范围，将左岸动床模型沙按基岩和覆盖层分层模拟，其中下层基岩用中值粒径3 cm的鹅卵石模拟，其抗冲流速折合原型流速为5 m/s左右。

图2 给出了整体模型试验平面布置情况。

3.2 物理模型成果分析

3.2.1 挑流水流流态

图3 给出了不同泄洪工况下挑流水舌形态及下游河道水流流态。不同泄洪工况下挑流水舌水流的主入水区均基本位于河床中心位置，避免了挑流水舌对两岸坡的直接冲刷，同时减轻了对河床的冲刷；校核洪水时，中间水舌最远落点较左右两侧水舌最远落点近2～3 m，缺口和左右边墙处挑流水舌落点距坝脚50 m左右，消能区左右岸最大回流流速为5.53、3.95 m/s，下游河道最大流速为5.87 m/s，平均流速为5.55 m/s；设计洪水时，水舌扩散形态和校核洪水相似，范围略小，但水舌更薄、更光滑，缺口和左右边墙处挑流水舌落点较校核洪水时短10 m左右，消能区左右岸最大回流流速分别为4.31、3.96 m/s，下游河道最大流速6.54 m/s，平均流速5.04 m/s；30 a一遇洪水时，水舌在空中呈灯泡形，水舌光滑扩散形态较好，挑流水舌最远落点处三股水舌落点位置相差不大，消能区左右岸最大回流流速为3.85、1.47 m/s，下游河道最大流速5.44 m/s，平均流速4.89 m/s。

图2 大石涧水库工程整体模型试验平面布置示意

图3 新型舌瓣鼻坎消能工物理模型试验挑流水舌形态及下游河道水流流态

3.2.2 下游河道冲淤形态

图4 给出了不同泄洪工况下下游河道冲淤形态。校核工况消能区两岸冲刷严重，最大冲深6.5 m，仍比坝基础高出6.5 m，不会影响坝体稳定；设计工况河中冲深比校核工况减少1.5 m，左岸冲刷范围减小，基岩略有冲刷，右岸基岩冲刷6 m左右；30 a一遇洪水时，河中冲深与设计工况接近，但范围较小，消能区左岸覆盖层淘刷后基岩裸露，但基岩没有产生冲刷，右岸基岩冲刷3～4 m，不会影响岸坡稳定。

综上分析，新型舌瓣鼻坎消能工起到了明显的消能效果，减小了下游冲刷范围及冲坑深度。

图4 新型舌瓣鼻坎消能工物理模型试验下游河床冲淤形态

3.2.3 挑坎段流速及压力分布

为了分析新型挑流鼻坎体形设计的合理性，沿模型鼻坎布置了9个测压点，各测点流速值见表2；在左侧鼻坎上布置了4个测压点来测试鼻坎段压力，各测点位置、高程及校核、设计和30 a一遇洪水3种工况下压力值见表3。

不同泄洪工况溢流表孔泄流时堰面流速呈逐渐增大趋势，进口流速最小，鼻坎反弧最低点流速达到最大，出口流速略有减小，挑坎段流速分布较为均匀，水流流态较好；校核洪水时，墩头进流表底流速分别为5.6、8.3 m/s，鼻坎上最大流速达27.29 m/s；设计、30 a一遇洪水时，鼻坎最大流速分别为26.04 m/s和25.80 m/s。

表2 溢流表孔沿程流速分布 m/s

表3 溢流表孔鼻坎段压力及水流空化数

由表3可知:校核、设计和30 a一遇洪水等工况新型舌瓣鼻坎压力均较大，不同泄洪工况挑坎段各测点均未出现负压情况；最大压力出现在校核工况时鼻坎反弧低点的16号测点，数值为7.93×9.8 kPa；鼻坎段最小空化数0.36，最大水流流速均未超过30 m/s。由于不同泄洪工况挑坎段沿程均未出现负压，因此挑坎结构不易发生空蚀破坏。

3.2.4 消能效果分析

通过水工试验对溢流表孔进行了连续挑坎、高低差动挑坎、长短差动挑坎、舌瓣坎等多种方案对比，表4给出了各方案冲刷结果。

表4 各种挑坎冲刷结果 m

由表4可知，6种挑流鼻坎方案河中冲刷深度相差不大，但从左右岸和护坦末段冲刷情况来看，方案6优于其他方案。另外，方案6水舌形态好，左岸回流范围小、回流强度不大，水舌空中扩散程度高，在入水落点处展开，有效减轻了对河道的冲刷，岸边冲刷范围较小。根据下游冲淤结果及水流流态情况，最终采用新型舌瓣挑坎方案。

4 数值模拟分析

4.1 数学模型搭建及边界条件设置

采用Flow-3D软件中的泥沙冲刷模型结合RNG模型和FAVOR方法，进行新型舌瓣鼻坎消能工数值模拟试验，Flow-3D软件的数学控制方程及其解法详见文献［8］。按原型1∶1的比例搭建数学模型，数学模型采用结构化正交网格，其中:一般区域采用网格尺寸为2 m×2 m×2 m、堰体及消能区局部加密网格尺寸为1 m×1 m×1 m，数学模型共有网格600万个；模型定床糙率设定为0.03，动床均值粒径取0.02 m；上边界采用压力边界并设定相对应水位，下边界采用自由出流（Outflow）边界，其他边界均采用固壁（Wall）边界条件。图5给出了新型舌瓣鼻坎模型效果图。

图5 新型舌瓣鼻坎模型效果

4.2 数值模拟验证及成果分析

图6 给出了30 a一遇洪水的流速分布、冲淤地形及最大冲坑深度。

图6 新型舌瓣鼻坎模型挑流数值模拟结果

由图6可知:溢流堰顶的流速为3.44 m/s，沿着溢流堰下泄过程中水流受到重力、堰面摩擦力和空气阻力等多种因素影响，流速沿程逐渐增大，在挑坎处达到最大值27.05 m/s，与物理模型流速最大值25.80 m/s相差4.8%；数学模型最远挑距距坝脚85 m，下游最大冲深12.0 m，与物理模型最大冲深12.5 m相差-4.0%。

为了进一步验证数学模型的可靠性，将表4中各方案30 a一遇洪水的冲坑试验结果与数值模拟值进行对比，具体见表5。

由表5可知:数学模型的冲刷模拟结果与试验结果基本一致，表明Flow-3D软件可应用于挑流消能冲刷的数值模拟，新型舌瓣鼻坎消能工可以有效减小下游冲刷范围及冲坑深度，消能防冲效果明显。

相比于方案1连续坎，方案2、3护坦末端侵蚀严重，方案4河中冲刷深点距护坦过近（30 a一遇工况鼻坎缺口挑流落点试验值距护坦22 m），方案5优于方案1，方案6最佳。

表5 各鼻坎体形30 a一遇冲刷特征值对比

5 结 论

（1）新型舌瓣鼻坎消能工整个形状同3个独立扩散的灯泡形水舌结构，缺口处挑流水舌短且较为集中，水流落点远离护坦且能与舌瓣鼻坎水舌落点错开，水舌平面扩散范围大，水舌左右两侧落点前后均匀拉开，可使水舌在空中充分掺气碰撞消杀能量，从而减小下游河道冲刷范围及冲坑深度。

（2）不同泄洪工况下挑坎段流速分布较为均匀，水流流态较好，挑坎段沿程未出现负压，挑坎结构不易发生空蚀破坏。

（3）大坝上下游水位落差大，单宽流量大，消能段河谷狭窄，地形、地貌、地质条件差，泄洪消能工设计受到较大限制时，可采用新型舌瓣鼻坎消能工，其具体设计参数可采用物理模型和Flow-3D软件搭建数学模型研究确定。