挑坎水舌運動軌跡控導措施研究

侯冬梅，占桂泉，王才歡，杜 蘭

(1.長江科學院水力學研究所，武漢 430010;2.浙江省衢州市水利水電勘測設計有限公司，浙江衢州 324002)

1 研究背景

挑流消能是應用最廣泛的一種消能方式，它利用挑坎將水流盡量挑離建筑物，利用水舌在空中擴散摻氣和下游水墊中消能，減輕下泄水流對河床的沖刷，確保相關建筑物的泄洪安全。挑流消能雖然是一種比較經濟且施工方便的消能方式，但缺點是:挑射水流對下游河床沖刷較為嚴重，故其泄洪消能沖刷要準確估計和妥善處理，以免影響水工建筑物的安全;泄洪時下游流速和波浪較大，對岸坡、導墻有回流淘刷和沖刷作用;挑射水舌大量摻氣造成的水霧以及因水舌跌落引起的下游水面波動和沖坑堆渣影響發(fā)電和通航。近年來，隨著挑流鼻坎工程應用和科學研究的逐步發(fā)展，提出了一些新型挑流鼻坎消能工形式，比如采用大差動挑坎、寬尾墩、摻氣分流墩、窄縫挑坎或是擴散鼻坎等能起到拉伸水舌，分散落點的作用，降低了射流入水的單位面積流量(能量)，大大減輕了下泄水流對河床的沖刷作用［1－8］。大差動挑坎和擴散挑坎可起到較好的水舌擴散效果，從而減輕局部沖刷，而窄縫挑坎除具有較好的水舌縱向拉伸效果外，還具有很強的水舌導向功能，在高壩建設中較有發(fā)展前途，尤其適用于狹窄河谷岸邊泄洪建筑物工程。比如西班牙的阿爾曼德拉拱壩岸邊溢洪道出口采用窄縫式消能工，能使水舌縱向拉開，左右擴散，減輕沖刷，其導向作用使水流順河床而不沖刷對岸窄谷山坡。龍羊峽工程右岸3孔泄槽溢洪道采用分層對稱曲面貼角窄縫挑坎，坎底有梯形平面倒坡，兩側曲面貼角對稱，與直墻式對比，窄縫挑坎水舌縱向拉開寬度增大40%，沖深減小36%，邊墻高亦降低72%;中孔泄水道采用導向凹邊墻一側曲面貼角挑坎，凸邊墻的一側收縮直墻體型挑坎，水舌入水縱向拉長達120 m，消能防沖效果良好。東江雙曲拱壩兩側對稱潛孔滑雪道采用左右位置錯開的窄縫挑坎，沖深較常規(guī)挑坎減小80%;李家峽水電站底孔泄水道采用立墻轉彎窄縫挑坎，其體型由2條非同心、不等長半徑的圓弧與之相切的2條直線組成，挑坎水舌形態(tài)除具有一般窄縫挑坎沿縱向充分拉開的優(yōu)點外，還受側墻轉彎及導向的影響，使水舌在空中稍稍傾斜，加大了入水面積，減少了單位能量，使高速水流通過彎道控制，有目的地改變出流方向，從而使其順應河勢達到消能轉向的目的。水布埡溢洪道采用臺階分區(qū)非對稱窄縫挑坎，5個溢洪道水舌錯落有致地落入下游河床，尤其是右邊5#孔，采用偏右2 m方案，入水點避開了正對電廠尾水平臺，右偏后水舌截斷岸邊回流，這對于減輕臨近消能區(qū)的電廠尾水淤積起到關鍵作用。

本研究成果依托某工程泄洪洞出口消能工體型優(yōu)化試驗［9］，對常規(guī)挑坎、平面擴散型和縱向擴散型消能工(窄縫挑坎)方案的挑坎水舌特性進行了系統(tǒng)研究，其中重點對窄縫挑坎消能工的鼻坎體型對水舌運動軌跡、水舌形態(tài)、入水范圍的控導作用進行了初步探討。

2 依托工程概況

該工程主要泄水建筑物為表孔溢流壩和岸邊泄洪洞，最大壩高為91.4 m。岸邊泄洪洞全長336 m，為有壓圓形隧洞，洞徑5.5 m，包括進口段、洞身段以及出口段。進口段包括喇叭口、閘室，采用豎井式進水口，閘底板高程1 056.0 m。洞身段由斜洞段、平洞段、轉彎段和漸變段組成，斜坡段的縱坡為0.002 8，轉彎段半徑為16.5 m，中心角為40.4°，出口洞線與河道岸坡走向大致呈50°交角。泄洪洞出口段由工作閘室及出口消能工組成。出口尺寸為5.5 m(寬)×5.0 m(高);工作門為弧形閘門，半徑為8.0 m，底板高程為1 042.0 m;出口采用挑流消能工，位于溢流壩鼻坎下游150 m。平面布置及泄洪洞縱剖面如圖1和圖2所示。

圖1 總平面布置圖Fig.1 Plan of general layout

圖2 泄洪洞縱剖面圖Fig.2 Profile of flood discharge tunnel

該工程下游河道基巖為抗沖流速較低的灰?guī)r，泄洪洞出口軸線方向與下游河床呈50°斜角，不利于水流歸槽，出口河道狹窄，最小寬度約30 m，泄洪對狹窄河道的對岸頂沖的消能防沖問題較為突出。因此，針對上述水力問題開展了1∶70水工整體模型試驗研究，采用動床模擬河床基巖的方法研究消能防沖問題，按模型砂石散粒體抗沖流速與原型河床基巖的抗沖流速相似選取相應散粒體，模擬基巖頂高程1 030 m，模擬原型泄洪25 h。

3 常規(guī)挑流出口消能工試驗成果

該泄洪洞設計方案挑流消能工為常規(guī)挑流消能工，見圖3。弧形工作門后為10 m長平直段(底高程1 042.0 m)，后接半徑25 m的反弧，鼻坎出口高程1 044.0 m，鼻坎進出口寬度均為5.5 m，平面上以90m半徑偏向上游。

圖3 設計方案挑流消能工布置圖Fig.3 Layout of energy dissipator in the design scheme

經整體模型試驗驗證，常規(guī)挑流消能工挑射水舌內緣距出口45 m，外緣落點距出口60 m，入水寬度為10 m左右，挑坎水流入水集中，水流潛入下游水面以后，沿著水流出口方向直沖狹窄河谷的對岸山坡，形成較大岸邊涌浪，右岸存在較大回流。集中下泄的水舌對下游河床產生嚴重局部沖刷，在校核流量430 m3/s條件下的最大沖坑深度達30 m，在設計流量390 m3/s條件下的最大沖坑深度達27 m，最低沖坑均位于外緣落點處的河道左岸邊，岸坡沖刷嚴重，危及岸坡穩(wěn)定。典型泄洪流態(tài)和下游河床沖淤形態(tài)如圖4、圖5所示。

圖4 設計方案挑流消能工水舌形態(tài)Fig.4 Nappe shape of bucket dissipator in the design scheme

圖5 設計方案挑流消能工下游河床沖刷形態(tài)Fig.5 Riverbed erosion patterns in the downstream of the energy dissipator in the design scheme

4 平面擴散型出口消能工試驗成果

針對設計方案存在水舌在空間未能得到充分擴散，集中落入下游河床，造成涌浪高、回流大、沖刷深的問題，結合本工程實際，要改善下游流態(tài)，必須使水舌在空中與空氣摩擦、摻氣、擴散消能，增大水舌出坎寬度，使水舌橫向、縱向充分擴散，減輕對河床沖刷，減小水舌入水角度，降低涌浪對岸坡沖刷。因此，對挑坎消能工體型進行了優(yōu)化研究，擬采用平面擴散挑坎分散水舌，綜合考慮施工工藝、空化特性等因素，研究對比了挑坎出口左低右高直線型、中間高兩側低折線型的大挑角平面擴散消能工，兩側墻均為直線型，擴散角為8°。試驗研究發(fā)現(xiàn)，平面擴散型鼻坎挑射水流平面充分擴散，水舌形態(tài)如圖6所示。

當出口挑坎末端斷面為左低右高直線型時，左岸挑角為0°，右岸挑角為30°，挑坎水舌沿斜出口橫向擴散，右側高坎水體挑向高處，左側低坎水體挑向遠處，水舌入水落點由常規(guī)挑坎的一點擴散為一條折線，范圍幾乎覆蓋整個河床寬度，入水曲線長度約60 m，平面擴散后水舌水體單薄，外內緣最遠處離出口約55 m，左岸落點離出口約35 m，距離左岸邊約10 m，右岸落點離出口約30 m，緊貼右岸山體邊坡;當出口挑坎末端斷面為中間高兩邊低的折線型時，兩邊挑角為0°，中間高坎挑角為30°，挑坎水舌中間水體挑高，橫向充分擴散，入水落點呈一條彎曲的曲線，散落至整個河槽斷面，平面擴散后水舌水體單薄，外內緣最遠處離出口約50 m，左岸落點離出口約40 m，距離左岸邊約5 m，右岸落點離出口約35 m，距離右岸山體邊坡約5 m?？偟膩碚f，上述2種平面擴散型挑坎均能將水舌橫向充分擴散，水舌入水單寬能量大大減少，但該消能工對水舌入水后主流方向的控導作用不明顯，由于河道狹窄，出坎流速較大，挑坎水舌入水后主流仍將直沖對岸，危及對岸山體邊坡安全;橫向擴散水舌離兩岸山體邊坡的安全裕度不夠，因此，該平面擴散型挑坎消能工不適宜于河谷狹窄工程。

圖6 平面擴散型出口消能工水舌形態(tài)Fig.6 Nappe shape of bucket dissipator in the planar-diffusion energy dissipation scheme

5 縱向擴散型出口消能工試驗成果

由于該工程下游河道橫向擴散空間有限，為減小水舌主流與主河床的夾角，避免水舌直沖對岸，需將挑坎水舌出流后運動軌跡導向右側，才能使水舌入水方向盡可能順應河道水流方向，避免沖刷河岸。因此，試驗研究了具有較好導向作用的窄縫消能工方案，使出口水流沿河道方向縱向充分拉伸。

由于泄洪洞出口偏離河道方向左50°夾角，試驗研究了鼻坎邊墻右偏的非對稱窄縫挑坎消能工方案，即左側邊墻收縮角大于右側邊墻收縮角，且兩側邊墻采用非齊平出口(即左側邊墻末端超出右側邊墻2 m)，挑坎出口挑角為0°。試驗研究表明:利用左右導墻非對稱收縮，收縮段左側水體動量增加，鼻坎出口水舌被左側導墻成功導向右側，水舌入水方向與河道夾角明顯減小，但由于泄洪洞出口與河道夾角較大，為實現(xiàn)出口水流順應河道方向，左側導墻偏轉角度需要很大;而且，鼻坎內形成較大的水流表面沖擊波，存在水翅濺落鼻坎出口右側山體現(xiàn)象。偏轉角度較小時仍存在水舌入水后主流沖向遠處對岸邊坡現(xiàn)象。為此，對窄縫鼻坎消能工進行了進一步優(yōu)化研究。

為避免產生泄洪降雨對近岸山坡的沖刷，利用兩側邊墻非對稱收縮(左邊墻收縮角小于右邊墻收縮角)，使窄縫消能工產生的沖擊波水翅落向河心。同時通過出口局部措施對水舌運動方向進行控導，利用兩側邊墻非齊平出口(左長右短)以及左邊墻末端急劇右偏25°實現(xiàn)鼻坎水流導向右側，水舌入水后主流順應河道方向，水舌落點位于河槽中間1/3范圍，避免泄洪水流對狹窄河谷兩岸山坡造成沖刷。并且，為進一步增大水舌入水范圍，對出口邊墻形式和出口底部長度進行細部優(yōu)化。通過出口底板長度短于側墻的措施縮短水舌內緣挑距，增大水舌入水范圍;右側邊墻出口采用底部伸長3 m將窄縫水舌底部水體偏向左側的上游河谷中央;左側邊墻出口采用頂部伸長2 m的牛腿將上部水體偏向右側的下游河道中央。優(yōu)化后窄縫挑坎水舌縱向拉伸充分，水舌入水落點形態(tài)呈s形曲線，入水落點曲線長度約80 m，內緣落點距出口約20 m，外緣落點距出口約90 m。優(yōu)化窄縫挑坎消能工結構布置如圖7所示。

圖7 窄縫鼻坎消能工結構布置示意圖Fig.7 Layout of narrow-slot bucket dissipator

經模型動床沖刷試驗驗證，當采用優(yōu)化窄縫挑坎消能工時，該泄洪洞泄洪校核流量時的河床最大沖刷深度為15 m，設計流量泄洪時的河床最大沖刷深度為14 m，沖刷深度及沖刷范圍均較常規(guī)挑坎消能工大大減小，并且最低沖坑位置由常規(guī)挑坎的緊鄰岸邊移至河道中間，岸邊淘刷現(xiàn)象明顯減輕。優(yōu)化窄縫挑坎消能工方案時的挑坎水舌形態(tài)和下游河床沖淤形態(tài)見圖8和圖9。

圖8 窄縫鼻坎消能工水舌形態(tài)Fig.8 Nappe shape of the narrow-slot bucket dissipator

圖9 窄縫消能工方案河床沖刷形態(tài)Fig.9 Erosion patterns in the downstream of the narrow-slot energy dissipator

6 結論

(1)挑流消能方式是應用最為廣泛的泄洪消能方式，鼻坎體型是決定效果的控制因素之一。相對于常規(guī)挑坎，平面擴散型或是縱向擴散型消能工均能實現(xiàn)挑坎水舌拉伸擴散，有效減小泄洪水流對下游河床造成的局部沖刷，但平面擴散型消能工需要一定橫向空間，且不易實現(xiàn)對水舌入水主流方向的控導作用，而縱向擴散型消能工，通過兩側邊墻體型可較好實現(xiàn)挑坎水舌運動方向的控導效果。

(2)本研究依托某工程泄洪洞出口挑流消能工的優(yōu)化試驗研究，對常規(guī)挑坎、平面擴散挑坎和窄縫挑坎進行了對比研究，提出了適宜該狹窄河谷的優(yōu)化窄縫挑坎消能工，可以有效控制主體水舌落人河床的位置、范圍，對窄縫挑坎收縮產生的水翅，通過側墻非對稱收縮或貼角等措施，實現(xiàn)了水翅的形成或濺落區(qū)域的可控性，較好地解決了工程消能難題，可為同類型工程提供參考。但是鼻坎體型、尺寸等參數(shù)與水舌運動軌跡的量化關系仍有待進一步深入系統(tǒng)研究。

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