李 雙，王均星，周 招，李輝成

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

我國(guó)西部地區(qū)水能資源蘊(yùn)藏豐富，建成了一大批具有世界頂尖水平的大型水利水電工程，這些水利工程往往具有“高水頭、大流量”的特點(diǎn)[1]。由于來(lái)流能量巨大，這些水利樞紐需要設(shè)置消能工，以保護(hù)下游建筑物及河道免受高速水流的沖刷破壞。為保證樞紐的正常運(yùn)行，有必要對(duì)這些水利工程的消能工設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

挑流消能作為一種傳統(tǒng)消能方式，主要利用在泄水建筑物末端設(shè)置挑流鼻坎，使水流在空中拋射、擴(kuò)散或碰撞，將水流挑射至下游河床較遠(yuǎn)處，并在空中和入水過(guò)程中盡量分散，消殺大量能量[2,3]。

關(guān)于泄洪洞挑坎體型對(duì)相關(guān)水力特性的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同挑坎體型、挑坎角度、挑坎擴(kuò)散角等相關(guān)方面做了大量研究，取得了可觀的成果。譚哲武[4]、劉達(dá)[5]、張瑩瑩[6]等人基于多條泄洪洞聯(lián)合挑射泄流，針對(duì)窄縫式、斜切式、燕尾式等新型挑坎的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)窄縫與燕尾的組合挑坎較常規(guī)挑坎可以將水舌縱向拉開，橫向擴(kuò)散，減小單寬流量，從而減輕下游沖刷。王英奎等[1]針對(duì)挑坎挑角對(duì)消能效果的影響做了深入探究，發(fā)現(xiàn)不同挑角使泄洪水舌挑距不同，從而使泄洪水舌縱向分散入水，增強(qiáng)消能效果。余挺等[7]通過(guò)對(duì)下游沖刷效果的試驗(yàn)量測(cè)，研究不同扭曲角度對(duì)扭曲式挑坎的消能效果的影響，結(jié)果表明扭曲式挑坎主要增大了入水寬度，從而增大擴(kuò)散面積，減輕下游沖刷。

那棱格勒水利樞紐工程泄水建筑物由表孔溢洪道和底孔泄洪洞組成，在下游同一斷面均采用挑流消能形式，斜切式挑坎會(huì)使兩股水流碰撞產(chǎn)生霧化等不利影響，窄縫式挑坎單寬流量較大，對(duì)于下游沖刷較大。本文基于那棱格勒水利工程泄洪洞挑坎出口，結(jié)合各挑坎特點(diǎn)及當(dāng)?shù)靥袅鞅强渤隹谙掠蔚匦螌挾扔邢?，不易向兩?cè)拓寬的地質(zhì)條件，提出了擴(kuò)散式與等寬式兩種連續(xù)式挑坎方案，分析兩種出流方案的水力特性，尋求一種能夠滿足下游地質(zhì)條件同時(shí)又滿足消能效果的挑坎方案。

1 工程概況

那棱格勒河位于青海柴達(dá)木盆地，水利樞紐工程開發(fā)任務(wù)以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。水庫(kù)正常蓄水位為3 297.00 m，設(shè)計(jì)洪水位3 303.30 m，校核洪水位3 305.46 m。泄洪洞正常洪水位泄量1 018 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位泄量為1 090 m3/s，校核洪水位泄量為1 114 m3/s。采用表孔溢洪道和底孔泄洪洞聯(lián)合挑流消能。

主要泄水建筑物中，泄洪洞由進(jìn)口塔架段(樁號(hào)0+000～0+034)、漸變段(樁號(hào)0+034～0+054)明流洞段(樁號(hào)0+054～0+447)、出口泄槽段(樁號(hào)0+447～0+467)和挑流鼻坎段(樁號(hào)0+467～0+482)組成。進(jìn)口塔架段底板高程為3 250.00 m，寬7 m；漸變段及明流洞段底板縱坡為0.02；明流洞段采用城門洞形明流洞，斷面尺寸為7 m×9.2 m(寬×高)；出口泄槽長(zhǎng)20 m，采用矩形槽型式，縱坡為0.02；泄槽末端設(shè)挑流鼻坎，反弧半徑25 m，挑射角為25°，鼻坎頂高程為3 244.00 m，挑坎下游護(hù)坦高程為3 238.00 m。下游挑坎出口為40 m寬開挖段，與下游河道斜交，自表面向下30 m深均為洪積物與坡積物覆蓋層，開挖段兩側(cè)均有堅(jiān)硬基巖，進(jìn)一步開挖難度較大，在施工過(guò)程中不宜向兩側(cè)進(jìn)一步開挖拓寬。泄洪洞剖面圖如圖1所示。

圖1 泄洪洞布置圖(單位:m)Fig.1 Layout of the spillway tunnel

2 模型制作與挑坎方案

2.1 模型制作

為保證來(lái)流及下游出流與原型的相似性，模擬范圍上游至泄洪洞進(jìn)口上游180 m，下游模擬至挑坎出口下游200 m處，在下游河道和挑坎出口下游用散粒體石料做動(dòng)床以模擬天然河床，并在模型下游河道末端設(shè)置尾水調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)下游河道在相應(yīng)來(lái)流下的河道水位。模型上游庫(kù)區(qū)和下游河道采用斷面板法制作，水泥砂漿抹面，泄洪洞采用有機(jī)玻璃制作。

2.2 挑坎方案

基于那棱格勒水利樞紐工程泄洪洞連續(xù)式挑坎的研究，針對(duì)連續(xù)式挑坎的出口擴(kuò)散與否，設(shè)計(jì)了連續(xù)式擴(kuò)散出口挑坎和連續(xù)式等寬出口挑坎兩種方案，分別對(duì)挑坎內(nèi)部流態(tài)、水面線、出流水舌形態(tài)、下游沖刷等相關(guān)水力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。兩種挑坎方案的反弧半徑均為25 m、挑角均為25°，兩種方案的具體參數(shù)如圖所示。

圖2 挑坎縱剖面圖(單位:m)Fig.2 Longitudinal profile of the flip bucket

圖3 挑坎平面尺寸(單位:m)Fig.3 Plane dimension of the two flip buckets

3 試驗(yàn)成果分析

本次試驗(yàn)在泄洪洞閘門完全開啟的條件下，分為正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位3個(gè)不同水位工況進(jìn)行。3個(gè)工況對(duì)應(yīng)水位流量關(guān)系如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test Conditions

3.1 挑坎內(nèi)水流流態(tài)

在正常蓄水位運(yùn)行工況條件下，兩種試驗(yàn)方案挑坎內(nèi)部流態(tài)如圖4所示。在擴(kuò)散式挑坎方案中，水流自無(wú)壓泄洪洞段進(jìn)入明渠擴(kuò)散段，由于明渠擴(kuò)散段寬度增加，高速縱向下泄水流急劇橫向擴(kuò)散，兩側(cè)水面明顯降低，軸線處水面依然較高，形成反“V”型出流繼續(xù)下泄。但由于明渠挑坎段與擴(kuò)散段存在173°夾角。致使擴(kuò)散段側(cè)向下泄水流急劇沖擊縱向挑坎兩側(cè)邊墻、形成明顯折沖水流，經(jīng)邊墻反射后挑坎出口縱向下泄水流呈“V”型出流，邊墻側(cè)水面明顯雍高，高速下泄水流持續(xù)性沖擊兩側(cè)邊墻，致使邊墻受力較大，存在安全震動(dòng)隱患[8,9]。根據(jù)厲良輔[8]、胡晗[9]、紀(jì)偉[10]等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，在斷面突擴(kuò)的渠道流動(dòng)中，容易產(chǎn)生折沖水流，在收縮段中，甚至可能產(chǎn)生水翅現(xiàn)象，給建筑物帶來(lái)危害。

在等寬式挑坎方案中，明渠段以及挑坎段寬度與無(wú)壓泄洪洞段寬度一致、均為7 m，高速縱向水流平滑下泄、基本不產(chǎn)生橫向擴(kuò)散、流態(tài)平穩(wěn)，不再存在橫向水位差，明渠挑坎內(nèi)“V”型折沖水流明顯消除。

圖4 正常蓄水位挑坎內(nèi)部水流流態(tài)Fig.4 Flow patterns in the flip bucket in normal pool level

3.2 挑坎內(nèi)水面線

從上文的流態(tài)中觀測(cè)到在擴(kuò)散式挑坎內(nèi)部，明渠中間與兩側(cè)水面存在明顯的水位差，對(duì)兩種挑坎軸線處及兩側(cè)的水面線進(jìn)行量測(cè)，在明渠段和挑坎段各取前中后三個(gè)斷面，每個(gè)斷面從左至右等分取5個(gè)點(diǎn)，各工況下得到的試驗(yàn)成果如圖5所示。

圖5 挑坎各斷面水面線分布Fig.5 Distribution of water surface line of every section in the two flip buckets

在擴(kuò)散式挑坎方案中，由于明渠擴(kuò)散段寬度增加，兩側(cè)水面急劇下降，明顯較軸線處水面低，在校核工況下最大水位差達(dá)到了2 m，同時(shí)由于挑坎段與擴(kuò)散段存在173°夾角，使得下泄水流在挑坎段沖擊邊墻并反射，雍高兩側(cè)水面，在泄槽兩側(cè)水面逐漸高于軸線處水面，在挑坎出口處最大水面差達(dá)3.2 m，形成V形出流，挑射水流橫向擴(kuò)散較大，而出口軸線處水深也只有3m，水面差甚至超過(guò)了水深，挑坎內(nèi)流態(tài)較差。在等寬式挑坎方案中，由于泄槽寬度沒(méi)有發(fā)生變化，同一斷面水面基本一致，沒(méi)有較大水位差產(chǎn)生，高速縱向水流急速下泄，水面沿程逐漸降低，在挑坎出口處軸線處水位略低于兩側(cè)水位，水面差最大只有0.6 m，挑坎內(nèi)整體沒(méi)有明顯的橫向水位差。

3.3 沿程流速

流速是水體動(dòng)能的重要衡量指標(biāo)，對(duì)兩種挑坎縱向軸線處的流速進(jìn)行量測(cè)，由于水深較大，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處均測(cè)量表面、中部、底部3個(gè)位置的流速。

兩種挑坎的流速分布規(guī)律基本一致，在垂向上從表面到底部流速逐漸減小，在挑坎末端前沿程流速變化不大，挑坎末端位置流速明顯較其他位置小。擴(kuò)散式挑坎水面產(chǎn)生橫向擴(kuò)散，水面相對(duì)較淺，故流速較等寬挑坎稍大。

3.4 時(shí)均壓力

壓力作為反映挑坎局部能量變化的重要指標(biāo)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和正常運(yùn)行有著重要意義。

從測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種挑坎壓力均沿程逐漸增大，在挑坎末端由于水深減小，壓力明顯減小。擴(kuò)散式挑坎由于橫向擴(kuò)散，水面較淺，壓力較等寬式挑坎小。

表2 各斷面流速分布 m/s

3.5 空蝕空化分析

高速水流往往伴隨著低壓和漩渦，水流在低壓區(qū)容易產(chǎn)生大量空泡，在高壓區(qū)空泡潰滅，從而在泄水建筑物的過(guò)流壁面發(fā)生空蝕破壞，破壞的部位大多出現(xiàn)在反弧段末端。由流速和時(shí)均壓力的測(cè)量結(jié)果可以看出，挑坎處流速較大，而部分位置壓力較小，有可能會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，發(fā)生空蝕破壞。

表3 各斷面時(shí)均壓力分布 m

挑坎沿程空化數(shù)K按下式進(jìn)行計(jì)算[11]：

(1)

式中：ha為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，根?jù)工程資料當(dāng)?shù)馗叱倘? 250 m，根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得ha=6.77 m；hv為水的氣化壓強(qiáng)，在此取20 ℃對(duì)應(yīng)氣化壓強(qiáng)0.24 m，h為斷面平均壓強(qiáng)水頭，v取底部流速。

表4 空化數(shù)計(jì)算 m

從計(jì)算結(jié)果看，等寬式挑坎沿程空化數(shù)都在0.3以上，發(fā)生空蝕破壞的可能性較小。擴(kuò)散式挑坎在挑坎反弧段末端空化數(shù)急劇減小，在三種特征水位下空化數(shù)均在0.3以下。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，水工隧洞及出口消能防沖建筑物水流空化數(shù)小于0.3時(shí)，應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。在擴(kuò)散式挑坎末端發(fā)生空化破壞的可能性較大，會(huì)影響泄水建筑物的正常運(yùn)行。

3.6 水舌形態(tài)

兩種挑坎起挑位置處的寬度不同，對(duì)挑射水流的形態(tài)有較大影響，水舌相關(guān)參數(shù)示意如圖6所示。

注：L1為內(nèi)緣；L2為外緣；L為挑距；H為挑高圖6 水舌形態(tài)要素示意Fig.6 Schematic diagrams of water jets

Tab.5 Parameter of water jets

圖7 挑坎水舌形態(tài)Fig.7 Forms of the water jets in two buckets

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在擴(kuò)散式挑坎方案中，在挑坎內(nèi)水流隨泄槽寬度增加產(chǎn)生橫向擴(kuò)散，挑流水舌相對(duì)較薄，水舌縱向拉伸較遠(yuǎn)，挑射距離較大，挑距達(dá)90 m，在校核工況下挑距達(dá)到103 m，水舌覆蓋面積較大。水舌入水時(shí)橫向擴(kuò)散明顯，入水寬度較大，達(dá)22 m,在校核工況下甚至達(dá)到了24 m,使得高速挑射水流直接沖擊下游右岸開挖邊坡，影響了邊坡穩(wěn)定性，對(duì)邊坡支護(hù)提出了較高要求。

在等寬式挑坎方案中，在挑坎內(nèi)水流沒(méi)有產(chǎn)生橫向?qū)挾茸兓?，挑流水舌較為厚重，單位體積水量較大，水舌擴(kuò)散程度較擴(kuò)散式方案小，挑距、入水寬度均較擴(kuò)散式挑坎方案明顯減小，入水寬度減小至15.2 m，校核工況下這一數(shù)據(jù)最大為16.8 m，挑射水流入流較正，均以射流形式落入下游河道，只有水舌入水后形成的水冠邊緣少部分水體飛濺至右岸邊坡，減小了對(duì)邊坡的沖刷，有效保護(hù)了邊坡的穩(wěn)定性。

3.7 下游沖刷試驗(yàn)研究

下游河道的沖刷可以反映挑坎的消能效果，在模型試驗(yàn)中對(duì)下游的沖坑深度、沖坑地形進(jìn)行了量測(cè)，以研究不同挑坎的消能特性。

對(duì)于泄水建筑物下游河道沖刷主要通過(guò)在模型試驗(yàn)中沖刷模擬基巖進(jìn)行研究。在模型試驗(yàn)中對(duì)基巖的模擬主要采用散粒體模擬，原理是以模型散粒體沖料啟動(dòng)流速與原型基巖的抗沖流速相似的條件確定模型沖料的粒徑[12]。

在此常用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算模型散粒體粒徑。

(2)

式中：vk為抗沖流速，根據(jù)工程實(shí)際資料取2.4 m/s，K常取5～7，λL為模型長(zhǎng)度比尺，在該模型試驗(yàn)中為40。

計(jì)算得散粒體粒徑在3～5 mm。模擬范圍為下游河道及挑坎出口混凝土護(hù)坦后,模擬動(dòng)床表面海拔為3 238 m。兩種挑坎方案下下游沖刷等高線如圖8所示。

圖8 正常蓄水位兩種挑坎沖刷地形等高線分布(單位:m)Fig.8 Contours of scour topography in normal pool level注：等高線上負(fù)值表示沖坑深度

從圖8所示試驗(yàn)結(jié)果可以觀測(cè)得，在擴(kuò)散式挑坎方案中，水舌擴(kuò)散較充分，入水寬度較寬，挑距較長(zhǎng)，使得下游沖刷范圍較大，整體沖坑靠近右岸坡腳，在靠近右岸坡腳形成較長(zhǎng)的沖溝，沖坑最深處距挑坎末端約90 m，沖坑最深達(dá)21.2 m；在校核工況下，最深沖坑距挑坎末端約103 m，最深達(dá)20.5 m。

在等寬式挑坎方案中，水舌入水寬度較窄，挑距較短，單位體積水量較大，能量較為集中，對(duì)散粒體沖擊力較強(qiáng)，使得下游沖坑較深，沖坑最深達(dá)23.24 m，最深處距挑坎末端約70 m，靠近右岸的條帶狀沖溝明顯減小。在校核工況下，沖坑最深處距挑坎末端約80 m，沖坑最深達(dá)18.3 m。

3.8 消能效果分析

水流經(jīng)挑坎挑至空中，通過(guò)在空中的擴(kuò)散及下游河床內(nèi)漩滾、碰撞，消剎水流能量。選取挑坎起始0+447斷面為初始1-1斷面和下游河道與挑坎動(dòng)床相接斷面為消能后2-2斷面(如圖7所示)計(jì)算消能率，消能率計(jì)算公式如下:

(3)

水流經(jīng)過(guò)挑坎出流后，兩種挑坎消能效果均在80%以上，消能效果均較好，等寬式挑坎的消能效果相對(duì)更充分。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合那棱格勒水利樞紐工程實(shí)際特點(diǎn)及地質(zhì)情況，針對(duì)泄洪洞提出兩種不同形式挑坎，并對(duì)其水力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)等寬式挑坎消除了在擴(kuò)散式挑坎方案中存在的“V”型水流現(xiàn)象，橫向水位差基本消除，挑坎內(nèi)不利流態(tài)基本消失。

(2)等寬式挑坎水舌入水點(diǎn)較為集中，入水寬度小，減輕了對(duì)右岸邊坡的沖擊，改善了擴(kuò)散式挑坎方案中由于水舌入水寬度大，對(duì)邊坡沖刷劇烈而帶來(lái)的不利影響，有效滿足了消能效果和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)地形的要求。

表6 消能率計(jì)算Tab.6 Calculation of energy dissipation ratio

(3)擴(kuò)散式挑坎在反弧段末端時(shí)均壓力較小，空化數(shù)在0.3以下，有發(fā)生空蝕破壞的可能，等寬式挑坎發(fā)生空蝕破壞的可能性較小。

(4)兩種挑坎均能達(dá)到較好的消能效果，等寬式挑坎的消能效果更為充分。

綜合上述研究，等寬式挑坎更滿足實(shí)際地形和工程運(yùn)行需要，建議在工程中采用等寬式挑坎。

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