泄洪洞挑坎對比研究

徐 敏

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

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泄洪洞挑坎對比研究

徐 敏

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，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)造簡單，便于維護以及可以節(jié)省下游護坦修建成本等優(yōu)點。挑流消能有燕尾坎、窄縫坎、斜切坎等型式，通過優(yōu)化比對，由于燕尾坎側(cè)墻動水壓強較小，入水長度相對于窄縫坎有所減小，但是沒有明顯加劇河床的沖刷，是一種實踐表現(xiàn)優(yōu)異的挑坎形式，該挑坎尤其對泄洪洞軸線與主河槽中心線交角相對不大且河槽寬度較小的情況具有非常好的適應(yīng)性。事實上，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，故而選型時可以優(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，利用順勢下泄水流所具有的巨大動能將水體挑入空中，然后使水舌分散進入下游而遠(yuǎn)離建筑物的河道當(dāng)中進行消能。由于水舌進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)擴散，其流速逐漸降低。入水位置前后分別形成兩個巨大的旋滾，從空中入射的主流與兩側(cè)旋滾間發(fā)生強烈的動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較強等缺點，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護以及可以節(jié)省下游河床護坦修建成本等突出優(yōu)點，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，對工程界應(yīng)用較為廣泛的三種類型的出口挑坎進行了模型試驗，對比分析了各項水力學(xué)參數(shù)，對各挑坎形式的優(yōu)劣進行了評價，可以為挑流消能工的工程運用提供一定的參考價值。

本文所述泄洪洞位于河道右岸，洞寬12 m，采用有壓接無壓、洞內(nèi)“龍落尾”型式。泄洪洞進水口為深水岸塔式進口，經(jīng)工作閘門室后接明流隧洞，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，總長約1 400 m，庫區(qū)正常水位至挑坎最低點最大水位落差近200m。試驗選取泄洪洞工作水頭為60 m的正常工況對不同類型挑坎進行對比試驗，對應(yīng)泄洪洞泄流量為3 190 m3/s。

1 體型參數(shù)

本文分別對燕尾坎、窄縫坎以及兩個斜切坎的泄洪洞出口體型進行了物理模型試驗，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口，缺口前端開口寬度小，后端及挑坎末端處開口寬度大，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)的水流而言在中間形成一個臨空面，因此，兩側(cè)水流在前進過程中，不斷從缺口處射出，從而形成與窄縫坎類似的縱向拉伸片狀水舌；同時，燕尾坎由于內(nèi)部缺口靠近挑坎最低點，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

窄縫坎作用機理是利用側(cè)墻的急劇收縮使兩側(cè)水流向中心運動，從而改變了水流質(zhì)點間的相互作用和水流結(jié)構(gòu)，加劇了水流的紊動，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。窄縫坎可以運用于一些河道狹窄的地段，從而避免常規(guī)挑坎平面擴散水舌面積過大，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)墻長度不一，運用長的一側(cè)導(dǎo)墻將水舌導(dǎo)入主河槽，同時增加水舌的橫向和縱向擴散。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)生了明顯的擴散。所以斜切坎不僅是一種挑流結(jié)構(gòu)，同時還是一種散流結(jié)構(gòu)[4]。

2 挑坎壓強及流態(tài)對比

試驗測得燕尾坎側(cè)墻最大動水壓強為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為14.32×9.81 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)墻的約束作用下強迫形成的，此時水流會對邊墻造成沖擊作用，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)沒有出射的水流沿著底板繼續(xù)向前流動，缺口處水流出射后，對兩側(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)向前運動的過程中會略偏向中心移動，加上缺口本身逐漸變寬，致使水流在前進過程中，兩側(cè)邊墻基本不受高速水流的沖擊作用，水流對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列出了四個挑坎體形對應(yīng)的水舌挑距和入水角等參數(shù)，從表中可見，窄縫坎的入水范圍最長，約為155 m，兩個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。從水舌分散程度來看，窄縫挑坎的水舌分散程度最大，其余三個體形基本相當(dāng)。

3 岸邊流速及波浪對比

圖3為四個不同出口挑坎，下游岸邊流速試驗結(jié)果。從最大岸邊流速來看，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為四個不同出口挑坎，下游兩岸的實測水面高程，可以看到燕尾坎和斜切坎II的岸邊水面波動相對較弱。試驗測得燕尾坎、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，四個挑坎差異相對不大，燕尾坎與斜切坎II右岸最大浪高相對較低。

圖3 下游河道流場分布

4 河床沖刷情況對比

表2列出了四個挑坎體形對應(yīng)的下游沖坑最深點高程和沖坑所處位置，從表中可見，窄縫坎和斜切坎I產(chǎn)生的沖坑較淺，沖坑最深點高程約為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，沖坑最深點高程約為1 610 m。僅從沖坑深度來看，窄縫坎和斜切坎I體型相對較優(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說也相差不大。

圖4 岸邊水面線

從沖坑最深點的位置來看，窄縫坎和斜切坎Ⅰ的沖坑最深點均比較靠近左岸，可能會對左岸岸坡造成較大沖刷；而燕尾坎和斜切坎Ⅱ的沖坑最深點約位于河道中心略偏右側(cè)，這對于兩岸岸坡的防沖有積極作用。因此，同時考慮河床沖坑深度以及最深點位置，以燕尾坎和斜切坎Ⅱ略優(yōu)。

表2 挑坎體形對應(yīng)表

5 結(jié) 語

本文對工程界應(yīng)用較廣的幾種不同挑坎體形進行了物理模型試驗，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；另外挑坎動水壓強也很大，對結(jié)構(gòu)強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)的基巖強度較高的情況。

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

(3)通過優(yōu)化調(diào)整，斜切坎可以實現(xiàn)良好的分散入水，進而減弱河床的沖刷破壞，同時該挑坎能夠較大角度地實現(xiàn)出挑水舌的偏轉(zhuǎn)；但是斜切坎體形相對復(fù)雜，在高流速情況下，存在空化空蝕風(fēng)險。理論上來講，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于復(fù)雜，以免形成空化源。

(4)燕尾坎側(cè)墻動水壓強較小，入水長度相對于窄縫坎有所減小，但是沒有明顯加劇河床的沖刷，是一種實踐表現(xiàn)優(yōu)異的挑坎形式，該挑坎尤其對泄洪洞軸線與主河槽中心線交角相對不大且河槽寬度較小的情況具有非常好的適應(yīng)性。事實上，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，故而選型時可以優(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)值模擬與試驗研究[J]．水利學(xué)報，2012，43(9).

[4] 楊首龍．單圓弧斜切雙擴散坎消能工的水力設(shè)計[J]．人民長江，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)水利水電工程專業(yè)，從事水利水電結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作.