峤山水库溢洪道挑流鼻坎结构尺寸的确定

郝晓辉，郭 磊，王 慧

(山东省水利科学研究院，山东 济南 250013)

1 基本概况

峤山水库位于莒县城东北约12km处，属淮河流域，在沭河水系袁公河支流的大石头河上。坝址以上控制流域面积为81km2,总库容4420万m3,兴利库容为2206万m3，兴利水位145.50m，设计洪水为百年一遇，相应库内水位为150.04m，校核洪水标准为300年一遇，相应库水位为150.65m。

水库枢纽主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、放水洞和水电站。溢洪道工程主要由引水渠、溢洪闸、泄槽、消能防冲设施、农桥及输水渠组成。溢洪道全长1193m,闸底板高程为142.50m,闸室净宽28.8m,100年一遇设计泄量773.62m3/s，由三孔3m×8m平面钢板闸控制。挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，通过水舌在空中扩散，然后落入离建筑物较远的河床与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能的工程结构简单，不需要修建大量的河床防护工程，对具有一定水头且下游地质条件较好的泄水建筑物，采用此种消能方式是比较经济合理的。峤山水库溢洪道结合地形及下游尾水渠出流条件，消能工决定采用挑流消能的方式。

2 影响溢洪道挑流消能效果的水力条件

峤山水库溢洪道为挑流消能，挑流消能效果的好坏受诸多因素影响，主要体现在以下几方面：消能段的单宽流量；下游水深；上、下游水位差；下游河床地质条件；挑流鼻坎的结构尺寸，包括挑角，反弧半径和挑流鼻坎顶高程等。一般对挑流鼻坎的要求是消能效率要高，以使水流在空中和下游水垫中消耗大部分能量；挑距要远，冲坑要小，使冲坑位置远离建筑物，不致掏刷建筑物基础；下泄水流要平稳，避免挑流鼻坎上产生较大的气蚀及产生较大的尾水波动，对下游河道造成较大破坏。

因此正确合理地确定挑流鼻坎的挑角、反弧半径及坎顶高程非常关键。但是不同的挑角及不同的反弧半径对应不同的挑距和冲坑深度，这就需要优化比较方案，选取消能效果好而且造价合理的结构尺寸。

2.1 反弧半径

反弧段的作用是平顺地将水流从陡坡段转变为沿着与水平线成θ角的方向挑射出去，反弧半径R的大小直接影响射程。一般R越大，坎顶流速分布越均匀，射程越远。当反弧半径R值过小时，水流将产生过大的离心惯性水头，使挑距减小；挑流鼻坎反弧半径R多采用反弧最低点水深h的8～10倍。R过大，鼻坎向下游延伸太长,增加工程量，过小则挑射条件不好,至少应使R≥4h。《水利计算手册》中提出最小反弧半径如下：Rmin=23h/Fr，式中：h为挑坎上水深；Fr=V/(gh)0.5为挑坎上水流的弗汝德数,V为挑坎上流速。经计算在峤山水库溢洪道工程中挑流鼻坎反弧半径R值取18.0m。

2.2 挑流鼻坎的挑射角

挑角的选择原则是使挑距尽可能远,但冲刷坑又不过深。对良好基岩，采用较大挑角，以获得大挑距；对软弱岩基则采用较小挑角，减小挑距以保证鼻坎基础的安全。从理论上讲当鼻坎挑角为45°时，挑距最大，但由于反弧影响，当流量小于起挑流量时，水流不能挑射而沿挑坎自由跌落，从而在紧靠挑坎附近形成冲坑；挑角越大，不能形成自由挑流的流量范围也越大，对坎脚基础冲刷越严重，因而实际工程中多选取挑角范围在 15°～35°。

2.3 挑流鼻坎的坎高

挑流鼻坎的坎顶高程根据建筑物布置、工程结构和水力条件等综合要求确定，一般可略高于下游最高水位。坎顶高程与下游河床面之间的高差即是坎高。显然，挑流鼻坎高程愈低，则水流出射的流速也愈大，这对增加射程是有利的；同时，工程量小，造价较低。但挑坎高程过低也会产生新的问题，有可能造成挑坎淹没以致水流不能形成挑射；或因水舌下面被带走的空气得不到充分补充形成贴流。所以挑坎最低高程应稍高于挑坎附近的下游水位。但考虑到挑流水舌对尾水的推移作用，坎后的水位低于下游水位，故实际设计中可取挑坎最低高程等于或略高于下游最高尾水位。

2.4 挑射距离

关于挑射水流形成的冲刷坑，根据试验和原型观测得知：冲刷坑起点与挑射水流水舌内线相符，冲刷坑最深点与水舌外线的延长线基本一致。因此应分别计算内线射程L1及外线射程L2，L1及L2可用下式计算：

式中:H为溢流堰上水深，m；θ为挑射角；P为堰顶与下游河床的高差，m；φ为流速系数，可取φ=0.65～0.90；Z为坎顶与下游地面的高差，m。

计算L1及L2时式中的值应以φ1、φ2代入，一般内线射程的流速系数φ1=0.65～0.85，外线射程的流速系数φ2=0.70～0.90，陡槽越长数值越小。

2.5 冲刷坑深度

冲刷坑深度与射流的单宽流量、落差、岩基构造和特性以及水力因素有关，其中单宽流量最为主要。由于冲刷过程及其影响因素复杂，目前冲刷坑的深度主要靠室内试验和原型观测资料整理归纳的经验公式来进行估算。

试验研究表明，挑流总射程L和冲刷坑深度T，是检验挑流冲刷是否影响主体建筑物稳定安全的重要数据。为防止冲刷对建筑物产生不利影响，确保鼻坎基础的安全，冲刷坑后坡不能过陡，冲刷坑后坡i的定义为：i=T/L，i值越大，对建筑物安全就越不利。当冲刷坑后坡i〈ik时，就认为冲刷坑不会危及建筑物的安全。根据一些工程的模型试验及原型观测资料，许可的冲刷坑最大后坡ik一般取1/3～1/4。对于小型水库，一般尾水深度较小，ik可取1/4。在很疏松的地基上（如细砂及淤泥质土等），ik可取1/4～1/6。当坝址处下游尾水较浅，地质条件不好时，宜采用壅水措施增加水垫深度，如在冲刷坑下游修二道堰；地质条件差冲刷坑可能很深，需修建防冲护坦。

3 鼻坎齿墙底的埋置高程

鼻坎齿墙底高程，根据地质条件应保持在各种流量冲刷坑的稳定基岩以下，以确保鼻坎基础和溢洪道的安全。首先计算可能的最大冲坑深度，而后由此坑底引安全后坡坡线，与鼻坎出口断面的垂线相交，鼻坎基础的砌置深度一般应超过该交点以下3m。对岩基墙底高程可深入岩基0.5～1.0m，对非岩基或破碎风化岩石，可由冲坑深度决定。同时为防止小流量贴流淘刷，应做好坎底基础的保护。

4 结语

挑流消能的工程结构简单，不需要修建大量的河床防护工程，对具有一定水头的泄水建筑物，且下游地质条件较好时，采用这种消能方式是比较经济合理的。挑流鼻坎是挑流消能的关键部位，其结构尺寸的确定关系到消能效果，笔者在设计莒县峤山水库溢洪道挑流鼻坎的工程后得出如下见解:

1）挑流鼻坎挑射角和反弧半径是影响水流射程的主要因素，将影响消能效果的好坏和冲坑的大小。在峤山水库溢洪道设计中，挑流鼻坎反弧半径采用18.0m，挑射角采用 25°。

2）挑流鼻坎的坎顶高程要根据地质情况和下游水位来确定。一般应比下游最高水位高出1～2m,峤山水库鼻坎坎顶高程高于下游最高水位l.44m，高程为137.27m；为保证鼻坎基础安全，鼻坎齿墙底部位于冲刷坑稳定坡度以下1.2m，峤山水库齿墙底埋深高程130.03m。

3）挑距决定因素较多，挑距越远，形成的冲坑越小，建筑物越安全。峤山水库挑流消能挑射距离为24.13m，冲坑深9.89m，安全后坡i=1:4.0,小于允许最大安全后坡，符合规范要求。

[1] 武汉水利水电学院水力学教研室编.水利计算手册（第一版）［M］.北京：水利水电出版社.