適用于高水頭窄河谷的燕尾斜切組合挑坎試驗研究

王 川， 潘 露， 蒲 云 娟， 葉 茂， 呂 海 艷

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州 611231)

適用于高水頭窄河谷的燕尾斜切組合挑坎試驗研究

王 川1， 潘 露2， 蒲 云 娟1， 葉 茂1， 呂 海 艷1

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州 611231)

窄縫挑坎和燕尾挑坎是高水頭、窄河谷泄水洞挑流消能常采用的挑坎型式，通過縱向拉伸水流形成片狀水舌，達到水流順利入槽、下游河道水流充分消能的目的。由于挑坎自身具有的特點，窄縫挑坎和燕尾挑坎的出射水流沿泄槽軸線縱向拉伸，下游河道落水區(qū)域呈平面一字型。為了避免挑坎內(nèi)緣水流落砸本岸，需控制水舌的縱向拉伸長度；而對于下游河道地質(zhì)條件較差的工程，水流消能難以達到滿意的效果。結(jié)合兩河口水電站溢洪道1∶40水工物理模型，通過窄縫挑坎、燕尾挑坎和新型燕尾斜切組合挑坎的對比試驗研究，所提出的新型燕尾斜切組合挑坎在適應(yīng)河型和充分利用水舌縱向拉伸長度方面具有一定的優(yōu)勢，能更好地滿足工程下游河道的消能防沖要求。試驗研究成果可供類似工程參考。

高水頭；窄河谷；窄縫挑坎；燕尾挑坎；燕尾斜切組合挑坎；消能；兩河口水電站

1 概 述

針對高水頭、大單寬流量、窄河谷泄水洞的挑流消能，常用的挑流消能工有窄縫挑坎及燕尾挑坎。窄縫挑坎自1975年引入我國，其應(yīng)用時間已達三十多年，是一種高效的收縮式消能工。其通過借助泄水洞末端挑流鼻坎邊墻的急劇收縮形成窄而深的縫隙挑坎，迫使水流橫向收縮，出挑的水舌縱向拉伸成片狀掃帚型水舌形態(tài)以適應(yīng)下游狹窄的河道寬度；但由于挑坎邊墻急劇收縮，會產(chǎn)生強烈的水流沖擊波；挑坎邊墻上動水壓力較大，沖擊波所形成的水花飛濺也會對附近的建筑物造成不利影響。自葡萄牙的Cabril 拱壩率先采用窄縫挑坎之后，窄縫挑坎得到了迅速的發(fā)展，我國目前已有數(shù)項工程采用窄縫挑坎，例如龍羊峽電站、水布埡電站等。燕尾挑坎由四川大學(xué)鄧軍、劉善軍等人首先提出，它是在常規(guī)連續(xù)式挑坎的底板中間開口，出挑水流首先從缺口前端射出，缺口兩側(cè)底板上沒有出射的水流沿著挑坎底板繼續(xù)向前流動，缺口前端處水流射出后，對兩側(cè)的水流而言在其中間形成一個臨空面，因此，兩側(cè)水流在前進的過程中不斷從缺口處射出，從而形成與窄縫挑坎類似的縱向拉伸片狀水舌。相比于窄縫挑坎，燕尾挑坎水舌的縱向擴散主要是因為其兩側(cè)的水流往中間的臨空面射出而形成，故其邊墻基本不受高速水流的沖擊作用，同時其缺口一般靠近挑坎的最低點，起挑流量較?。坏珵榱丝v向拉伸水舌，通常需要在較大的挑角條件下才能達到水流縱向充分擴散的效果。目前，燕尾挑坎在錦屏一級水電站泄洪洞挑流消能、老撾南椰水電站溢洪道挑流消能和黃登水電站溢流表孔中都進行了應(yīng)用，且效果顯著。

由于自身具有的挑坎特點，窄縫挑坎和燕尾挑坎出射的水流橫向基本不擴散，出挑水舌沿泄槽軸線縱向拉伸，下游河道落水區(qū)域呈平面一字型；而對于某些下游河道地質(zhì)條件較差的工程，挑射水流內(nèi)緣往往需要足夠遠的挑距來避免水流落砸本岸，但內(nèi)緣挑距較遠則會限制水舌的縱向拉伸長度，減小水流的分散程度，造成下游河道水流消能難以達到滿意的效果。筆者結(jié)合兩河口水電站溢洪道1∶40水工模型試驗，提出了一種新型燕尾斜切組合型挑坎，在一定程度上解決了水舌內(nèi)緣落點距本岸較近的問題，挑坎出射水流縱向拉伸長度相比于燕尾挑坎有了明顯增長，從而改善了下游河道水流消能效果，滿足了工程的需要。

2 工程概況及模型設(shè)計

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫，對其下游的雅礱江梯級電站以及金沙江、長江干流電站的梯級補償作用顯著。電站岸邊溢洪道為主要泄水建筑物，由進口引渠段、控制閘段、無壓洞段、明槽段和出口段組成，全長940 m。溢洪道無壓洞段全長403.5 m，斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為16 m×22 m(寬×高)，底坡為i=0.015，明槽段水平投影長度為449.2 m，起始段底坡i=0.015經(jīng)拋物線段連接過渡至底坡i=0.323 3，明槽斷面為矩形，槽寬16 m。溢洪道出口位于河道彎段頂點附近的左岸，最大單寬流量為253 m3/s，挑坎以上水頭超過180 m，出口水流流速達到50 ～60 m/s，下游河道狹窄，基巖為抗沖流速3～4 m/s的弱風(fēng)化變質(zhì)砂、板巖。溢洪道泄洪具有“水頭高、單寬泄量大、河谷窄、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。

模型采用比尺為1∶40 的水工單體正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計。模擬的范圍為溢洪道進口上游100 m至出口下游700 m，溢洪道出口下游600 m河道地形模擬成動床(圖1)。

3 試驗結(jié)果對比分析

圖1 兩河口水電站溢洪道水工模型布置圖

試驗對溢洪道出口較優(yōu)的窄縫挑坎、燕尾挑坎、燕尾斜切組合挑坎方案分別進行了水舌形態(tài)、水舌落點分布、下游河道沖刷三個方面的研究，并對試驗結(jié)果進行了對比分析。燕尾挑坎、窄縫挑坎、燕尾斜切組合挑坎的具體參數(shù)見表1和圖2。

3.1 水舌形態(tài)

正常蓄水位高程2 865 m、閘門全開工況下，三種挑坎方案挑射水舌形態(tài)如圖3所示，挑坎及水舌的水力特性見表2。

通過試驗觀測發(fā)現(xiàn)：

表1 三種挑坎方案體型參數(shù)表

表2 三種挑坎方案挑坎及水舌水力特性表

(1)三種挑坎方案水舌空中形態(tài)舒展，水量分布均勻，入水寬度基本相當。窄縫挑坎方案挑射水流縱向拉伸長度最長，為238 m，優(yōu)于燕尾挑坎和燕尾斜切組合挑坎，其原因為：窄縫挑坎通過邊墻的急劇收縮縱向拉伸水舌，挑坎出口收縮比越大，挑射水流初速度也越大，水舌的縱向拉伸作用越明顯；而燕尾挑坎和燕尾斜切組合挑坎是由于水流受慣性力作用從挑坎中間或一側(cè)臨空面沿程跌落分散形成的縱向拉伸片狀水舌，因此，在同一工況、挑坎水流外緣出射角差別不大的情況下，窄縫挑坎方案挑射水流初速度較大，水舌的縱向拉伸長度明顯大于燕尾挑坎和燕尾斜切組合挑坎。

(A)窄縫挑坎

(B)燕尾挑坎

(C)燕尾斜切組合挑坎圖2 三種挑坎方案體型布置圖

(2)窄縫挑坎兩側(cè)邊墻急劇收縮，導(dǎo)致挑坎內(nèi)左右側(cè)兩股水流對撞形成沖擊波，在挑坎內(nèi)外形成較明顯的水翅現(xiàn)象，同時，邊墻收縮擠壓水流，邊墻上產(chǎn)生較大的動水壓力，其值可達38.7×9.81 kPa；燕尾挑坎和燕尾斜切組合挑坎邊墻未收縮，水流由中間或一側(cè)臨空面射出，兩側(cè)邊墻基本不受高速水流沖擊力，邊墻上的動水壓力遠低于窄縫挑坎方案且挑坎內(nèi)水流平順，沒有產(chǎn)生明顯的水翅現(xiàn)象。

(A)窄縫挑坎

(B)燕尾挑坎

(C)燕尾斜切組合挑坎圖3 三種挑坎方案水舌形態(tài)示意圖

3.2 水舌落點分布

正常蓄水位高程2 865 m、閘門全開工況下三種挑坎方案挑射水舌下游河道落水區(qū)域分布情況見圖4。三種挑坎方案水流均能順利入槽，窄縫挑坎和燕尾挑坎下游河道落水區(qū)域平面上呈一字型，水舌外緣落點位于河心偏左岸，內(nèi)緣落點距本岸較近，僅為3～5 m。由于電站泄洪建筑物出口集中布置在左岸，故溢洪道泄洪水舌落水點距左岸過近可能會影響岸坡和岸邊其他建筑物安全；而燕尾斜切組合挑坎下游河道落水區(qū)域在平面上呈L型，水舌內(nèi)外緣落點基本位于河心，不會對左岸岸坡及建筑物產(chǎn)生不利影響，同時，落水點位于河心更有利于水流分散消能。

對挑坎體型布置進行分析得知：窄縫挑坎和燕尾挑坎出口水流受兩側(cè)邊墻約束，挑坎水流沿泄槽軸線出射，下游河道落水區(qū)域平面上呈一字型。由于溢洪道布置在岸邊，泄槽軸線與河道天然成夾角，一字型水舌落水區(qū)域?qū)τ诤有瓦m應(yīng)性較差，為使挑射水流落點距岸坡有足夠的安全距離，需控制挑坎水流的縱向拉伸長度，從而有可能會對下游河道消能防沖產(chǎn)生影響。而燕尾斜切組合挑坎的一側(cè)具有燕尾挑坎特點，挑坎沿程有較長的臨空面、較大的末端挑角，有利于水流的縱向拉伸分散；另一側(cè)具有斜切挑坎的特點，挑坎邊墻扭曲，橫向擴散水流，可將內(nèi)緣水流挑離岸坡。燕尾斜切組合挑坎可以通過調(diào)整出口底板折線段數(shù)及挑角在一定程度上控制挑射水流的落水點，靈活適應(yīng)下游河道走勢，因此，燕尾斜切組合挑坎可在保證水舌落點距岸坡有足夠安全距離的前提下獲得比燕尾挑坎更大的水流縱向拉伸長度，下游河道水流的消能效果更好。

圖4 三種挑坎方案下游河道水舌落水區(qū)域示意圖

圖5 三種挑坎方案下游河道沖坑橫剖面圖

3.3 下游河道沖刷

正常蓄水位高程2 865 m、閘門全開工況下三種挑坎方案下游河道沖坑橫剖面見圖5。窄縫挑坎水流縱向拉伸作用明顯，河道單位面積入水量最小，下游河道沖深最淺，沖刷最深點高程為2 586 m，燕尾挑坎為了保證水流落點距岸邊有足夠的安全距離，水流縱向拉伸長度最短，下游河道沖刷最深，沖刷最深點高程為2 779.2 m，燕尾斜切組合挑坎水舌內(nèi)緣落點遠離左岸，水流縱向拉伸長度較燕尾挑坎增加，下游河道沖刷深度較燕尾挑坎方案淺，沖刷最深點為高程2 783.5 m。

從河道沖坑位置看，窄縫挑坎和燕尾挑坎水流沿泄槽軸線出射，水流落點偏左岸，沖坑位置也偏左岸，水舌內(nèi)緣落點附近沖坑位于左岸坡腳，燕尾斜切組合挑坎右側(cè)不受邊墻約束，水流出射后略向右岸偏移，內(nèi)緣水流被挑離左岸，水舌內(nèi)外緣落點基本位于河心偏右岸位置，下游河道沖坑亦位于河心偏右岸位置，不會對兩岸岸坡及左岸建筑物造成不利影響。

4 結(jié) 語

(1)窄縫挑坎和燕尾挑坎是高水頭、窄河谷挑流消能常采用的挑坎型式。由于挑坎自身具有的特點，窄縫挑坎和燕尾挑坎的出射水流沿泄槽軸線縱向拉伸，下游河道落水區(qū)域呈平面一字型，對下游河道走勢適應(yīng)性較差。為保證水舌內(nèi)外緣落點距岸坡有足夠的安全距離，需限制水流的縱向拉伸長度，“犧牲”下游河道水流的消能效果。燕尾斜切組合挑坎具有燕尾挑坎和斜切挑坎的特征，既可以使水流沿挑坎方向縱向分散、充分消能，又可以將落點距岸坡較近的水流挑離岸坡以適應(yīng)河道走勢，在保證水舌落點距岸坡有足夠的安全距離條件下，獲得比燕尾挑坎更好的水流縱向拉伸效果；同時，相比于窄縫挑坎，燕尾斜切組合挑坎也具有邊墻動水壓力小、無水翅產(chǎn)生的優(yōu)點。

(2)燕尾斜切組合挑坎可通過調(diào)整出口底板折線段數(shù)和挑角控制挑射水舌落點，靈活適應(yīng)下游河道走勢，但隨著下泄流量的變化，下游河道水舌的落水區(qū)域整體左右移動，因此，在實際工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)泄水建筑物的運行方式和下游河道特性，合理選擇挑坎體型，設(shè)計控制工況。

[1] 譚哲武，王均星. 泄洪洞窄縫燕尾組合挑坎試驗研究[J]. 長江科學(xué)院院報，2015，34(4)：40-44.

[2] 錢小燕. 對稱燕尾挑坎水舌特性研究[D]. 成都：四川大學(xué)，2012.

[3] 張 旻. 錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化及防護措施研究[J]. 水電站設(shè)計，2015，31(2)：24-27.

[4] 代艷華，祁雪春，等. 老撾南椰Ⅱ水電站溢洪道燕尾形挑流鼻坎設(shè)計[J]. 云南水力發(fā)電，2013，29(3)：19-21.

[5] 毛棟平，張法星，等. 黃登水電站燕尾型挑坎挑流消能適用性試驗研究[J]. 水電能源與科學(xué)，2016，34(3)：104-107.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV32;TV31

B

1001-2184(2017)01-0008-05

王 川(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，從事水力學(xué)研究；

潘 露(1984-)，女，重慶江北人，講師，碩士，從事水力學(xué)研究；

蒲云娟(1987-)，女，四川成都人，工程師，碩士，從事水力學(xué)研究；

葉 茂(1979-)，男，四川瀘州人，教授級高級工程師，博士，從事水力學(xué)研究；

呂海艷(1981-)，女，吉林農(nóng)安人，高級工程師，碩士，從事水力學(xué)研究.