徐 敏

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

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泄洪洞挑坎對(duì)比研究

徐 敏

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

挑流消能是中高水頭泄水建筑物采用比較多的一種消能方式，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于維護(hù)以及可以節(jié)省下游護(hù)坦修建成本等優(yōu)點(diǎn)。挑流消能有燕尾坎、窄縫坎、斜切坎等型式，通過(guò)優(yōu)化比對(duì)，由于燕尾坎側(cè)墻動(dòng)水壓強(qiáng)較小，入水長(zhǎng)度相對(duì)于窄縫坎有所減小，但是沒(méi)有明顯加劇河床的沖刷，是一種實(shí)踐表現(xiàn)優(yōu)異的挑坎形式，該挑坎尤其對(duì)泄洪洞軸線(xiàn)與主河槽中心線(xiàn)交角相對(duì)不大且河槽寬度較小的情況具有非常好的適應(yīng)性。事實(shí)上，在多種挑坎均能夠?qū)崿F(xiàn)水舌與主河槽良好銜接的前提下，燕尾坎是綜合表現(xiàn)最優(yōu)的一種挑流消能工形式，故而選型時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮燕尾坎。

泄洪洞；挑流消能；窄縫坎；斜切坎；燕尾坎

0 引 言

所謂挑流消能[1]，即是在泄水建筑物的末端修建一挑流坎，利用順勢(shì)下泄水流所具有的巨大動(dòng)能將水體挑入空中，然后使水舌分散進(jìn)入下游而遠(yuǎn)離建筑物的河道當(dāng)中進(jìn)行消能。由于水舌進(jìn)入下游河道后與河道內(nèi)水體發(fā)生劇烈碰撞，水舌繼續(xù)擴(kuò)散，其流速逐漸降低。入水位置前后分別形成兩個(gè)巨大的旋滾，從空中入射的主流與兩側(cè)旋滾間發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換以及剪切混滲作用；而河道水體不足以消除的部分余能則潛入河底沖刷河床進(jìn)而形成沖刷坑。挑流消能雖然具有泄洪霧化較大以及下游河道尾水波動(dòng)較強(qiáng)等缺點(diǎn)，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)以及可以節(jié)省下游河床護(hù)坦修建成本等突出優(yōu)點(diǎn)，在工程界得到了廣泛的應(yīng)用。

本文結(jié)合某大型水利水電工程岸邊泄洪洞，對(duì)工程界應(yīng)用較為廣泛的三種類(lèi)型的出口挑坎進(jìn)行了模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了各項(xiàng)水力學(xué)參數(shù)，對(duì)各挑坎形式的優(yōu)劣進(jìn)行了評(píng)價(jià)，可以為挑流消能工的工程運(yùn)用提供一定的參考價(jià)值。

本文所述泄洪洞位于河道右岸，洞寬12 m，采用有壓接無(wú)壓、洞內(nèi)“龍落尾”型式。泄洪洞進(jìn)水口為深水岸塔式進(jìn)口，經(jīng)工作閘門(mén)室后接明流隧洞，利用“龍落尾”的形式與出口挑流鼻坎連接。泄洪洞出口采用挑流消能，總長(zhǎng)約1 400 m，庫(kù)區(qū)正常水位至挑坎最低點(diǎn)最大水位落差近200m。試驗(yàn)選取泄洪洞工作水頭為60 m的正常工況對(duì)不同類(lèi)型挑坎進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)泄洪洞泄流量為3 190 m3/s。

1 體型參數(shù)

本文分別對(duì)燕尾坎、窄縫坎以及兩個(gè)斜切坎的泄洪洞出口體型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，不同挑坎體型具體布置如圖1所示。

1.1 燕尾坎

燕尾坎[2]是在常規(guī)連續(xù)挑坎基礎(chǔ)上，在挑坎出口段底板上中間開(kāi)口，缺口前端開(kāi)口寬度小，后端及挑坎末端處開(kāi)口寬度大，使挑坎在平面上成“燕尾”形狀的一種挑坎型式；燕尾坎的出挑水流首先從缺口前端射出，缺口兩側(cè)底板上沒(méi)有出射的水流沿著挑坎底板繼續(xù)向前流動(dòng)，缺口前端處水流射出后，對(duì)兩側(cè)的水流而言在中間形成一個(gè)臨空面，因此，兩側(cè)水流在前進(jìn)過(guò)程中，不斷從缺口處射出，從而形成與窄縫坎類(lèi)似的縱向拉伸片狀水舌；同時(shí)，燕尾坎由于內(nèi)部缺口靠近挑坎最低點(diǎn)，挑坎的起挑流量較小，可適應(yīng)低水頭情況下挑流泄洪。

1.2 窄縫坎

窄縫坎作用機(jī)理是利用側(cè)墻的急劇收縮使兩側(cè)水流向中心運(yùn)動(dòng)，從而改變了水流質(zhì)點(diǎn)間的相互作用和水流結(jié)構(gòu)，加劇了水流的紊動(dòng)，并且使水舌在縱向大幅拉伸，減小其入水單寬流量，從而提高消能效率。窄縫坎可以運(yùn)用于一些河道狹窄的地段，從而避免常規(guī)挑坎平面擴(kuò)散水舌面積過(guò)大，沖擊岸坡的情形[3]。

圖1 挑坎體型

1.3 斜切坎

斜切坎是將傳統(tǒng)等寬挑坎沿某一角度斜切，使之前單一挑角的挑流鼻坎變成具有一系列連續(xù)挑角的挑坎。斜切坎兩側(cè)導(dǎo)墻長(zhǎng)度不一，運(yùn)用長(zhǎng)的一側(cè)導(dǎo)墻將水舌導(dǎo)入主河槽，同時(shí)增加水舌的橫向和縱向擴(kuò)散。鼻坎經(jīng)斜切后，由于出坎流速和出坎高程的差異使得挑流水舌的挑射距離各不相同，水舌就在橫向上發(fā)生了明顯的擴(kuò)散。所以斜切坎不僅是一種挑流結(jié)構(gòu)，同時(shí)還是一種散流結(jié)構(gòu)[4]。

2 挑坎壓強(qiáng)及流態(tài)對(duì)比

試驗(yàn)測(cè)得燕尾坎側(cè)墻最大動(dòng)水壓強(qiáng)為8.82×9.81 kPa，窄縫坎為34.33×9.81 kPa，斜切坎Ⅰ為15.64×9.81 kPa，斜切坎Ⅱ?yàn)?4.32×9.81 kPa。從數(shù)據(jù)可以看到，燕尾坎側(cè)墻受力是最小的，分析認(rèn)為，雖然燕尾坎的水舌類(lèi)似于窄縫的水舌形態(tài)，但其形成原理不同：窄縫水舌是由兩側(cè)墻的約束作用下強(qiáng)迫形成的，此時(shí)水流會(huì)對(duì)邊墻造成沖擊作用，因此，側(cè)墻上的受力較大；燕尾坎的水舌從缺口處出射，缺口兩側(cè)沒(méi)有出射的水流沿著底板繼續(xù)向前流動(dòng)，缺口處水流出射后，對(duì)兩側(cè)的水流而言在中間形成臨空面，從而，兩側(cè)的水流在繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)略偏向中心移動(dòng)，加上缺口本身逐漸變寬，致使水流在前進(jìn)過(guò)程中，兩側(cè)邊墻基本不受高速水流的沖擊作用，水流對(duì)其作用主要是靜水壓力以及離心力，在缺口以后，離心力的影響減小，因此，其壓力很小。

圖2是不同挑坎水舌空中形態(tài)及下游河道中的波浪情況，由于泄洪洞位于右岸，試驗(yàn)所述所有挑坎左岸的涌浪均明顯高于右岸，窄縫坎水舌在縱向拉伸最為明顯。表1列出了四個(gè)挑坎體形對(duì)應(yīng)的水舌挑距和入水角等參數(shù)，從表中可見(jiàn)，窄縫坎的入水范圍最長(zhǎng)，約為155 m，兩個(gè)斜切坎的水舌入水范圍約為120 m，燕尾坎的水舌入水范圍約為115 m。從水舌分散程度來(lái)看，窄縫挑坎的水舌分散程度最大，其余三個(gè)體形基本相當(dāng)。

3 岸邊流速及波浪對(duì)比

圖3為四個(gè)不同出口挑坎，下游岸邊流速試驗(yàn)結(jié)果。從最大岸邊流速來(lái)看，燕尾坎與窄縫坎相差不大，結(jié)合流態(tài)圖片，斜切坎左岸的波浪明顯大于窄縫坎和燕尾坎。

圖2 流態(tài)

參數(shù)燕尾坎窄縫坎斜切坎Ⅰ斜切坎Ⅱ內(nèi)緣挑距/m9567160127外緣挑距/m210222385246(內(nèi)/外)入水角30°/45°38°/45°40°/36°34°/37°

圖4為四個(gè)不同出口挑坎，下游兩岸的實(shí)測(cè)水面高程，可以看到燕尾坎和斜切坎II的岸邊水面波動(dòng)相對(duì)較弱。試驗(yàn)測(cè)得燕尾坎、窄縫坎、斜切坎Ⅰ及斜切坎Ⅱ左岸最大浪高分別為3.30 m、4.17 m、4.83 m及2.59 m，四個(gè)挑坎差異相對(duì)不大，燕尾坎與斜切坎II右岸最大浪高相對(duì)較低。

圖3 下游河道流場(chǎng)分布

4 河床沖刷情況對(duì)比

表2列出了四個(gè)挑坎體形對(duì)應(yīng)的下游沖坑最深點(diǎn)高程和沖坑所處位置，從表中可見(jiàn)，窄縫坎和斜切坎I產(chǎn)生的沖坑較淺，沖坑最深點(diǎn)高程約為1 614 m～1 616 m，兩者的差別較小，燕尾坎和斜切坎II的沖坑基本相同，沖坑最深點(diǎn)高程約為1 610 m。僅從沖坑深度來(lái)看，窄縫坎和斜切坎I體型相對(duì)較優(yōu)，但是燕尾坎和斜切坎II相較于前兩種挑坎的最大沖深來(lái)說(shuō)也相差不大。

圖4 岸邊水面線(xiàn)

從沖坑最深點(diǎn)的位置來(lái)看，窄縫坎和斜切坎Ⅰ的沖坑最深點(diǎn)均比較靠近左岸，可能會(huì)對(duì)左岸岸坡造成較大沖刷；而燕尾坎和斜切坎Ⅱ的沖坑最深點(diǎn)約位于河道中心略偏右側(cè)，這對(duì)于兩岸岸坡的防沖有積極作用。因此，同時(shí)考慮河床沖坑深度以及最深點(diǎn)位置，以燕尾坎和斜切坎Ⅱ略?xún)?yōu)。

表2 挑坎體形對(duì)應(yīng)表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)工程界應(yīng)用較廣的幾種不同挑坎體形進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)窄縫坎水舌拉伸最明顯，故而下游河床的沖刷也最輕，其余挑坎差異不大，但是窄縫坎水翅明顯，將加劇泄洪霧化；另外挑坎動(dòng)水壓強(qiáng)也很大，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了比較高的要求。該挑坎適

用于泄洪區(qū)距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)且挑坎基礎(chǔ)的基巖強(qiáng)度較高的情況。

(2)不同挑坎對(duì)岸流速及波浪差異不大，挑坎體型的差異不會(huì)對(duì)河道流場(chǎng)造成顯著的差異性影響。

(3)通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，斜切坎可以實(shí)現(xiàn)良好的分散入水，進(jìn)而減弱河床的沖刷破壞，同時(shí)該挑坎能夠較大角度地實(shí)現(xiàn)出挑水舌的偏轉(zhuǎn)；但是斜切坎體形相對(duì)復(fù)雜，在高流速情況下，存在空化空蝕風(fēng)險(xiǎn)。理論上來(lái)講，斜切坎幾乎能夠適應(yīng)各種地形條件的泄水建筑物與河道的銜接，但是需要注意的是挑坎本身的體型切忌過(guò)于復(fù)雜，以免形成空化源。

(4)燕尾坎側(cè)墻動(dòng)水壓強(qiáng)較小，入水長(zhǎng)度相對(duì)于窄縫坎有所減小，但是沒(méi)有明顯加劇河床的沖刷，是一種實(shí)踐表現(xiàn)優(yōu)異的挑坎形式，該挑坎尤其對(duì)泄洪洞軸線(xiàn)與主河槽中心線(xiàn)交角相對(duì)不大且河槽寬度較小的情況具有非常好的適應(yīng)性。事實(shí)上，在多種挑坎均能夠?qū)崿F(xiàn)水舌與主河槽良好銜接的前提下，燕尾坎是綜合表現(xiàn)最優(yōu)的一種挑流消能工形式，故而選型時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮燕尾坎。

[1] 吳持恭．水力學(xué)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] DENG Jun, etc. A new type of leak-floor flip bucket[J]. SCIENCE CHINA, 2016, 59(4).

[3] 陳華勇等．窄縫消能工水力特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J]．水利學(xué)報(bào)，2012，43(9).

[4] 楊首龍．單圓弧斜切雙擴(kuò)散坎消能工的水力設(shè)計(jì)[J]．人民長(zhǎng)江，2004，35(9).

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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2017-05-09

TV6；U449.86；TV135

B

1001-2184(2017)03-0120-04

徐 敏(1989-)，女，湖北宣恩人，助理工程師，畢業(yè)于三峽大學(xué)水利水電工程專(zhuān)業(yè)，從事水利水電結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作.