渐变断面挑流鼻坎在某水库的尝试

　　摘要：在云南省某水库溢洪道泄洪消能中，遇到既需要改善挑流方向，又需要分散挑流能量消能的问题。此过程中我们尝试了渐变断面挑流鼻坎。虽然最后效果并不理想，但对问题的解决有一定的促进作用，开拓了思维，不失为一种有意的尝试。
　　关键词：泄洪消能、挑流鼻坎、渐变断面
　　
　　1工程概况
　　某水库是云南省昆明市引水供水工程的水源工程。水库控制流域面积745km2，多年平均流量3.02亿m3/s。根据昆明市城市发展对2010年、2020年两个水平年的需水预测及水源供需分析规划，确定云龙水库在两个水平年间分别向昆明市供水为2.2亿m3和2.5亿m3。水库终期规模4.84亿m3，为大(Ⅱ)型水库，工程等级为Ⅱ等。水库的正常蓄水位初期规模2087.97m，相应库容3.64亿m3；死水位2054.17m，相应库容0.176亿m3。水库为多年调节水库。水库枢纽区建筑物的防洪标准为：设计工况洪水频率P=0.2%，校核工况洪水频率P=0.02%，下游消能防冲频率P=1%。泄水建筑物布置采取泄洪隧洞与溢洪道联合泄洪的运行方式。泄洪隧洞短式进口处设有4×5m2平面检修闸门和4×4m2弧形工作闸门，门后为无压出流，用抛物线、直线和反弧与导流隧洞断面5×7.44m2相接，全洞用钢筋混凝土衬砌；溢洪道的布置利用距左坝肩230m的天然垭口及冲沟泄洪，其轴线大致顺垭口及冲沟地形，将蛇形的冲沟地形截弯改直，平面布置仅有一个转角42°40′的弯道。溢洪道为开敞式无闸控制溢洪道，堰面型式：初期规模为驼峰堰，堰顶高程2087.97m；终期规模亦为驼峰堰，堰顶高程2089.67m，堰宽20m。泄槽为矩形断面，宽度由20m逐渐变到10m钢筋混凝土衬砌。
　　
　　2试验内容
　　
　　泄洪导流隧洞出口、溢洪道出口下游区出露马头山组砂岩，岩层总体向西倾斜，倾向河流下游，倾角10°—20°，岩层顺节理发育。河床上覆盖冲洪积沙砾石夹孤石，厚1—5m，下伏底部含砂质白云岩，弱风化，岩石强度高，饱和抗压强度最小为50—60MPa，抗冲系数k=1.1。云龙水库工程的泄洪建筑物常用常规挑流鼻坎消能。经初步计算工程终期规模P=1%洪水位时，泄洪导流隧洞最大泄量360.01m3/s，挑坎水流挑射距离约45m，冲坑深14.0m；溢洪道最大泄量284.58m3/s，挑坎水流挑射距离60m，冲坑深11m。两泄水建筑物挑流鼻坎水平距离较近约80m，冲坑水平距离约80m。泄洪时，两处一起宣泄洪水，河道水流流态较差。本次试验的主要任务是验证两泄水建筑物挑流鼻坎体型合理性并提出改进意见。
　　
　　3原设计方案
　　
　　
　　
　　作者简介：赵永巧，女，湖北，工程师，工程硕士，主要从事水利工程技术审查等工作。
　　
　　原设计方案布置如图1所示：隧洞轴线与河道接近成一直角，溢洪道轴线与河道夹角接近30°。这意味着当隧洞和溢洪道泄洪时，除对河床有一定冲刷外，对岸山体也会有或大或小的冲刷，对山体的稳定不利。溢洪道出口的底板是一圆弧段，以最低点为分界点，上游侧角度为14°，下游侧角度为25°，半径为28.50m，如图2所示；隧洞挑流段的底板是一圆弧段，圆弧段的起点与隧洞相切，中心角度为15°，半径为50.00m。
　　联合冲刷试验表明：在三种工况下隧洞泄流对对岸山体的冲刷不构成很大影响，而在校核工况下溢洪道泄洪挑流对右岸山体及河床冲刷较为严重。因此，需要对溢洪道挑流鼻坎进行优化。我们认为溢洪道挑流鼻坎的优化主要是处理好以下问题：改善挑流方向，使挑流基本上落在河道中央，而不直接冲击右岸山体，减少冲刷，使其边坡保持稳定；分散挑流，以达到分散挑流能量的目的，减少对右岸山坡和河床的冲刷与回流掏空；使下游水流流态得到改善，流态稳定。
　　
　　
　　
　　
　　图1泄水建筑物平面布置图
　　
　　
　　图2溢洪道挑流鼻坎剖面图
　　
　　
　　4挑流鼻坎的优化
　　
　　原设计方案的挑流段（从最低点到挑坎末端），中线不变，垂直面两端连线以角度dθ逐渐变化加大，末端变到θ。确定各连线在挑坎
　　表面的位置，组合成挑坎的曲面表面。
　　计算方法：25°等份为五等份，每等份5°，分别计算中线、左线及右线的位置。列表计算及作示意图（见图3）。
　　
　　
　　h=10×tan(θ)h'=h/25°h0=0h1=h'×5°
　　h2=h'×10°h3=h'×15°h4=h'×20°h5=h'×25°
　　Y左(i)=Y中(i)-h(i)Y右(i)=Y中(i)+h(i)X左(i)=X右(i)=X中(i)
　　
　　
　　图3=14°渐变断面挑流鼻坎示意图
　　
　　
　　=14°流态分析：水流面与水平面呈一较大夹角，对水舌方向改变很大，基本上都落在河床中央，对山体冲刷很小。但是，一由于右边抬得过高，左边降得过低，水流不但没有分散，而且还集中了。河流下游产生严重紊流现象，并且还在入水两边产生回流；
　　冲坑形状分析：对山体冲刷很小，但对河床冲刷过大，形成冲坑范围很大，坡度很陡，回流可能对两岸山脚掏刷，冲坑坡度会逐渐变陡。
　　结论：虽然改善了水流主流方向，使水舌落入河床。然而，没有达到分散水流能量的目的，相反还集中了水流，致使冲刷严重。因此，还需继续优化。
　　=10°流态分析：由于挑流鼻坎末端在改变为渐变曲面后，挑流在出口出与模型末端接触加大，使水流主流在出口后呈扩散状，水舌与水平面成一夹角。挑流部分冲击右岸山体，下游流态较稳定，出现小量回流。
　　冲坑形状分析：从冲刷地形图可以看出挑流对山体冲刷仍较严重，冲坑较陡，最低点较深，对河床冲刷也较大。
　　结论：该方案对改变水舌方向和分散水流消能都有所改进，但还没有达到预想目标，因此还需继续优化。考虑改变挑流鼻坎曲面对水流的影响趋势，我们设定θ=14°模型试验会更接近预想目标。
　　通过以上试验及其分析，我们认为：该方案可以改变水舌方向并部分分散能量，有一定的优点；该方案能很好地改善水舌方向，但对分散水流能量作用不大，倾斜角度达到14°时还集中了水流，加大了对河床的冲刷；三次实验结果表明，该方案与优化目标还有一定差距，应继续寻找优化方案。
　　
　　5小结
　　该方案可以改善挑流方向，并且能分散挑流以达到分散水流能量的目的，有很大作用。虽然在云龙水库溢洪道的优化中并没有达到很好的效果，但对于泄洪消能挑流鼻坎的设计来讲，不失为一种有意的尝试。
　　
　　参考文献
　　[1]水利部，水工（常规）模型试验规范SL155-95（S），北京:中国水利水电出版社，1995.
　　[2]能源部，水利部，溢洪道设计规范（SDJ341-89）（S），北京:水利电力出版社，1990.
　　[3]长江水利水电科学研究院，电力部东北勘测设计院研究所，湖北省水利水电勘测设计院，武汉水利电力学院，泄水建筑物下游的消能防冲问题（M），武汉：长江水利水电科学研究院出版社，1980.

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