挑流消能工研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

挑流消能工研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

挑流消能在我國水利工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是近年隨著我國水電建設(shè)事業(yè)向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，結(jié)合當(dāng)?shù)馗呱綅{谷、大流量、高水頭等突出特點，水電工作者們對挑流消能工體型進(jìn)行了大量的研究工作，已經(jīng)由傳統(tǒng)的連續(xù)式挑坎、差動式挑坎發(fā)展出了寬尾墩、窄縫、扭曲斜切坎以及燕尾坎等多種表現(xiàn)優(yōu)異的新型挑坎，其中尤以燕尾坎的出現(xiàn)大幅提升了我國挑流消能工的研究水平，為我國挑流消能領(lǐng)域的發(fā)展以及工程建設(shè)做出了不可多得的貢獻(xiàn)。

挑流消能；連續(xù)坎；收縮坎；擴(kuò)散坎；差動坎；燕尾坎

1 概 述

改革開放以來，我國的水利水電建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，建成和在建一大批具有世界頂尖水平的大型樞紐工程，如二灘、三峽、小浪底、溪洛渡、向家壩、糯扎渡、錦屏一級、白鶴灘等等。這些工程基本都具有水頭高、流量大、河谷狹窄等特點，為了適應(yīng)工程建設(shè)的需要，研發(fā)了一系列泄洪消能的新技術(shù)，這些技術(shù)使我國在泄洪消能領(lǐng)域方面的研究處于世界領(lǐng)先水平。

挑流消能作為一種傳統(tǒng)的消能工形式，由于其結(jié)構(gòu)簡單、消能效果突出以及與下游河道易銜接等突出特點在水利工程上得到了廣泛的應(yīng)用。它借助泄水口末端設(shè)置的挑坎，使水流在空中擴(kuò)散、摻氣或者碰撞，通過增大進(jìn)入下游河道的入水面積實現(xiàn)單位水體能量的分散，減小其對于下游河床的沖刷破壞。近年來，隨著我國水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，水利水電工作者們在傳統(tǒng)的挑流消能工基礎(chǔ)上，研究了許多新型的挑坎形式。

2 挑坎的形式及應(yīng)用

2.1 續(xù)式挑坎

連續(xù)式挑坎是最傳統(tǒng)、最基本的挑流消能工形式，它是通過在泄槽底板末端設(shè)置具有一定反弧半徑的圓弧曲面使得水流在挑坎末端具有一定的挑射角，從而將水體挑離建筑物，實現(xiàn)與下游河道的銜接。由于連續(xù)式挑坎出口挑角單一，水流入水集中[1]，目前工程上已經(jīng)較少使用，典型連續(xù)坎見圖1。

圖1 連續(xù)挑坎

2.2 收縮式挑坎

收縮式挑坎是在連續(xù)式挑坎的基礎(chǔ)上，利用邊墻的側(cè)向收縮實現(xiàn)水流橫向束窄，水流受邊墻擠壓將在立向上大幅拉伸從而在挑坎末斷面由于流速的差異形成不同挑角，最終進(jìn)入下游河道形成一條狹長連續(xù)的呈“一”字型的帶狀入水區(qū)域。

傳統(tǒng)的收縮式挑坎包括窄縫挑坎(圖2(a))以及寬尾墩挑坎(圖2(b))。窄縫挑坎國外應(yīng)用較早，葡萄牙、法國、伊朗、西班牙等國都有應(yīng)用，我國首先采用則是在東江水電站，原型觀測表明效果良好，該挑坎適宜于應(yīng)用在河谷比較狹窄的岸邊泄水建筑物；寬尾墩是將壩身墩體延長并逐漸在橫向收縮，上世紀(jì)70年代，我國創(chuàng)造性地將寬尾墩應(yīng)用于潘家口水電站[2]并取得了良好的效果。

然而，由于傳統(tǒng)收縮式挑坎使流道水體在立向上大幅拉伸，挑坎側(cè)墻的動水壓強勢必變得非常大，錦屏一級岸邊溢洪道初設(shè)方案采用窄縫挑坎其邊墻動水壓強達(dá)到了40×9.81kPa，這對挑坎的結(jié)構(gòu)設(shè)計造成了很大的困擾；而寬尾墩由于靠近泄水孔進(jìn)口，其流道水深的增高將增大弧形工作閘門的設(shè)計難度，嚴(yán)重的甚至影響閘孔的泄流能力；另外，由于挑坎的側(cè)墻收縮引起的水舌上部不穩(wěn)定，水翅也成了常規(guī)收縮式挑坎的一個問題。

針對常規(guī)收縮式挑坎的上述問題，鄧軍、段鴻鋒[3]提出了一種在孔口側(cè)壁貼楔形三角形的挑坎形式(圖2(c))，該挑坎部分保留了常規(guī)窄縫挑坎的橫向收縮功能，流道水深增加不顯著，并且由于邊壁收縮平緩，水舌穩(wěn)定，基本沒有水翅產(chǎn)生，該挑坎主要應(yīng)用于高拱壩壩身表孔。后來有研究者針對貼角楔形體挑坎的特點，將其底板部分鏤空，實現(xiàn)了水舌的進(jìn)一步拉伸，并且也使水舌近端落點向壩身靠近以減弱對下游水墊塘尾坎的沖擊(圖2(d))。受鏤空型楔形體挑坎的啟發(fā)，有研究者將常規(guī)窄縫挑坎底板進(jìn)行部分鏤空，從而也同樣實現(xiàn)了水舌的縱向拉伸(圖2(e))。這幾種新型的收縮式挑坎結(jié)構(gòu)簡單，水舌拉伸效果良好，并且解決了常規(guī)收縮式挑坎側(cè)墻動水壓強過大以及水翅強烈的相關(guān)問題，具有很廣的應(yīng)用前景。

圖2 收縮式消能工

2.3 擴(kuò)散式挑坎

擴(kuò)散式挑坎是將挑坎邊墻橫向拓寬，利用水流自身的擴(kuò)散作用實現(xiàn)水流入水面積的大幅增加。目前水電工程界出現(xiàn)的擴(kuò)散式挑坎包括：斜切坎(圖3(a))、扭曲坎(圖3(b))、舌形坎(圖3(c))、短邊墻擴(kuò)散挑坎(圖3(d))。

斜切坎坎頂與水流流向斜交，挑距沿程變化，適用于寬度相對較小的岸邊泄水建筑物；扭曲坎在斜挑坎基礎(chǔ)上發(fā)展而來，將底板設(shè)置成長邊墻側(cè)高、短邊墻側(cè)低的連續(xù)扭面，使水舌在空中翻轉(zhuǎn)變形并落在河床中心線附近，適用于河谷狹窄的岸邊泄水建筑物[4]，國內(nèi)的瀑布溝水電站岸邊溢洪道即采用了扭曲挑坎[5]；舌形坎因其往前伸出一段舌形底板而得名，水舌一部分在離開側(cè)墻后即開始向空中擴(kuò)散而另一部分受舌形底板頂托，直至底板末端才開始向空中拋射，該挑坎主要應(yīng)用于高壩表孔或者深孔；短邊墻坎也稱不對稱邊墻鼻坎，鼻坎左右兩側(cè)的邊墻長短不同，目的是對挑流水舌產(chǎn)生一個導(dǎo)向作用，按著預(yù)定的方向拋射并在縱向和橫向上拉開。

圖3 擴(kuò)散式消能工

2.4 差動式挑坎、高低坎

差動坎(圖4(a))運用齒、槽相間使齒的挑角大于槽的挑角，水舌挑射時上下層錯開，但是由于齒的凸體結(jié)構(gòu)，具有較高的空化空蝕破壞風(fēng)險。國內(nèi)漫灣水電站、白山水電站均采用了大差動挑坎，烏江渡水電站泄水建筑物局部采用了大差動布置[6]。高低坎(圖4(b))與差動坎類似，只是把差動坎的坎槽進(jìn)行了分離錯置，常用于重力壩的表孔，如白山電站；利用坎的高程差，當(dāng)各坎射流同時挑射出去時，在空中互相沖擊而抵消大量能量，對改善下游河床沖刷有明顯效果。鄧軍[7]提出了一種底板局部鏤空的挑坎，因形似燕尾而取名燕尾挑坎(圖4(c))，該挑坎創(chuàng)新性突出，雖然挑射原理依然類似于差動坎，但是克服了差動坎易發(fā)生空蝕破壞的缺點。燕尾挑坎能夠適應(yīng)不同流量的起挑，并且具有非常優(yōu)異的消能防沖表現(xiàn)，錦屏一級泄洪洞設(shè)置該挑坎并泄水，效果非常理想。

圖4 差動坎

3 結(jié) 語

挑流消能在我國水利工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是近年隨著我國水電建設(shè)事業(yè)向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，結(jié)合當(dāng)?shù)馗呱綅{谷、大流量、高水頭等突出特點，水電工作者們對挑流消能工體型進(jìn)行了大量的研究工作，已經(jīng)由傳統(tǒng)的連續(xù)式挑坎、差動式挑坎發(fā)展出了寬尾墩、窄縫、扭曲斜切坎以及燕尾坎等多種表現(xiàn)優(yōu)異的新型挑坎，其中尤以燕尾坎的出現(xiàn)大幅提升了我國挑流消能工的研究水平，為我國挑流消能領(lǐng)域的發(fā)展以及工程建設(shè)做出了不可多得的貢獻(xiàn)。

[1] 張東明，坎型選擇對泄流水舌及底板壓力的影響研究[D]，天津大學(xué)，2005

[2] 何兆斌，潘家口水利樞紐消能防沖試驗研究[J].海河水利，1996(5)

[3] 段鴻鋒，高拱壩表孔側(cè)墻貼三角形楔形體水舌水力特性試驗研究[D].四川大學(xué)，2014.

[4] 郭軍，高季章等，國內(nèi)外高拱壩泄洪消能布置綜合分析[J].云南水利發(fā)電，2001(10).

[5] 李玲，陳永燦等.溢洪道出口扭曲型挑坎水流的數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報，2007(2).

[6] 鄧正湖，烏江渡水電站工程原設(shè)計中幾個主要技術(shù)問題和回訪情況簡介[J].中南水電，1990(2).

[7]DengJunetc.Anewtypeofleak-floorflipbucket[J].SCIENCECHINA，2016(4)

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-01-17

[TM622]；TV653+.3；O

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1001-2184(2017)01-0133-03

閆路明(1982-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，畢業(yè)于河海大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)，工程師，從事水文、規(guī)劃工作.