簡述挑流消能在泄水中的應(yīng)用及種類

李施衡

摘 要 針對(duì)挑流消能適用條件，以及各種挑流消能的方式，對(duì)各種挑流方式進(jìn)行綜合性分析討論，并得出不同調(diào)流方式在壩體的綜合性應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 挑流；鼻坎；霧化

引言

在水利過程中，壩體泄水建筑物下泄產(chǎn)生的高速水流具有以動(dòng)能為主的大量機(jī)械能，此巨大水頭可能對(duì)下游河床產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。如若不能夠正確處理，則無法保證泄洪時(shí)候的安全。因此，合理的泄水措施是保障工程安全，發(fā)揮壩體綜合效益的有利報(bào)賬。因此不可避免的就要進(jìn)行消能防沖，本篇文章主要講挑流消能。挑流消能是指在泄水建筑物末端設(shè)挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通過射流在空中的擴(kuò)散、紊動(dòng)和摻氣作用，消除部分能量，然后跌落到離鼻坎較遠(yuǎn)的河槽中，在沖刷坑和一定的尾水深度所形成的水墊中消能。

1 挑流消能適用條件及挑流的研究意義

挑流消能的主要優(yōu)點(diǎn)有：鼻坎結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，發(fā)生空蝕或者磨損后易于檢修。鼻坎位于尾水位以上，不受尾水位變幅的影響。僅水墊深有所差異，只要沖坑遠(yuǎn)離壩角或泄水建筑物出口仍將安全，對(duì)挑流坎上的單寬流量q1適應(yīng)性最強(qiáng)，其消能效果主要是利用坎上流速，使水舌遠(yuǎn)離壩角，沖擊河床形成沖坑旋滾，消耗大部分能量。而沖坑深度的大小與水舌入水散度關(guān)系甚大。挑流消能一般不需要咋下游河床修建保護(hù)工程，因而工程最少，節(jié)省投資，同時(shí)設(shè)計(jì)施工方便，運(yùn)行也可靠，因此在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[1]。

2 挑流的結(jié)構(gòu)組成

挑流消能的基本體型參數(shù)只有反弧半徑，射出角，此外還有鼻坎高程及坎唇高度。

2.1 鼻坎高程

鼻坎高程愈低，鼻坎出口段面上的水流流速也愈大，水舌挑距也相應(yīng)增加。但為保證水舌下面有足夠的通氣空間，使水舌與建筑物之間的空間不至于因水舌帶走的空氣得不到足夠的補(bǔ)充而出現(xiàn)真空，鼻坎不能太低，一般應(yīng)使鼻坎高出下游水位1到2米。

2.2 反弧半徑

反弧段水流的運(yùn)動(dòng)研究結(jié)果表明，當(dāng)反弧半徑減小到某一臨界值時(shí)，即臨界返弧半徑時(shí)，返弧段將出現(xiàn)水深度急劇增大，流速系數(shù)急劇減小的過程。反弧半徑的判定，其中有：

（1）由流速系數(shù)極大確定反弧半徑

（2）由挑距極大或臨界起挑條件確定臨界反弧半徑

（3）根據(jù)壓力突增的分界線確定臨界反弧半徑

2.3 鼻坎挑角

鼻坎挑角的選取應(yīng)是使挑流水舌的挑距最大，由于從挑坎挑出的水流存在沿程擴(kuò)散與摻氣，挑流鼻坎與下游水位存在高差，相應(yīng)于挑距最遠(yuǎn)的挑角小于45度。此外，鼻坎挑角增加，水舌跌入下游河床的入水角也變大，水流對(duì)河床的沖刷能力也相應(yīng)增強(qiáng)，且如果挑角過大，水流挑不出去，會(huì)在鼻坎的反弧度上形成漩渦，并跌落在壩角下造成沖刷，鼻坎的適宜挑角一般可取為15度到35度，對(duì)重要的工程應(yīng)該通過試驗(yàn)來確定[2]。

3 挑流消能的種類介紹

3.1 連續(xù)坎

連續(xù)坎是一種最基本的挑坎形式，是一種連續(xù)的實(shí)體挑坎。這種挑坎簡單，不易發(fā)生空蝕現(xiàn)象。其他挑坎都是在連續(xù)挑坎上演變而成的。水流霧化較輕，但是水舍集中，消能效果較差，對(duì)下游沖刷嚴(yán)重。連續(xù)坎適用于尾水較深、基巖較為均一、堅(jiān)硬且溢流前沿較長的泄水建筑物。

3.2 差動(dòng)式挑流鼻坎

差動(dòng)式挑流鼻坎由兩種調(diào)角的一系列高坎和低坎相間布置所構(gòu)成，也稱為齒槽式鼻坎。水舌分為兩個(gè)層次，上下各有水流分散。從而加大了與空氣的接觸面積，更多的消耗了水的動(dòng)能，但是加大了各股水舌，但是在高速水流作用下較易發(fā)生空蝕。為了防止齒的空蝕破壞，一般齒坎要設(shè)置通氣孔，從而達(dá)到減小空蝕破壞的效果。

3.3 擴(kuò)散式挑流鼻坎

擴(kuò)散式挑流鼻坎，顧名思義，是一種逐漸擴(kuò)大的形式，出口較窄，而下游河床相當(dāng)寬的時(shí)候，就采用擴(kuò)散式挑流鼻坎，從而減小了出坎的單寬流量，從而使水流也充分摻氣，達(dá)到進(jìn)一步消耗能量的作用，從而減小對(duì)下游河床的局部沖刷。但是和差動(dòng)式挑流鼻坎一樣，空化空蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重。還有一些特殊的鼻坎，斜鼻坎和扭曲鼻坎，不僅可以使水流擴(kuò)散，以落入下游水墊較深的河床[3]。

3.4 窄縫坎

此坎，由于邊墻兩側(cè)沿程逐漸變窄，過流的寬度束窄，末端寬度常在原有寬度的二分之一以下。跳出的水流呈窄而高的矩形，挑流水股在空氣中獲得充分的豎向和縱向擴(kuò)散，水舌進(jìn)入下游水墊轉(zhuǎn)為橫向很窄的長條形。局部沖沙大為剪輕。能夠滿足峽谷高岸坡的穩(wěn)定要求。適用于峽谷區(qū)的高壩泄水建筑物[4]。

4 挑流消能的霧化問題

作為應(yīng)用最廣泛的泄洪消能方式，挑流消能雖然具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但其在取得良好消能效果的同時(shí)往往也伴隨著嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象產(chǎn)生，給工程的正常運(yùn)行帶來了另一方面的不利影響，此時(shí)消能和霧化作為一個(gè)問題相互制約的兩個(gè)方面，怎樣才能同時(shí)照顧，并從中獲得最大的綜合效益，是有待解決的工程難題。那么霧化現(xiàn)象對(duì)工程的危害是可以得到避免的，這些防護(hù)措施主要包括：

4.1 采用適宜的樞紐布置方式與泄洪消能形式

選取樞紐布置方式時(shí)主要需要注意以下幾點(diǎn)：①電站廠房等重要的建筑物應(yīng)該與拋射水舌及其落點(diǎn)或碰撞點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)的距離，特別要避免把這些建筑物布置在水舌的下風(fēng)方向。②露天機(jī)電設(shè)備以及輸電線路均需要較好的平面位置與較高的布置高程。必要時(shí)還應(yīng)該設(shè)置一定的防霧與抗凍措施。③下游重要的交通干線應(yīng)盡量避開水霧秘籍區(qū)。如實(shí)在無法避開，則必須修建隧洞，廊道等防霧措施。④按照霧化降雨強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)霧化區(qū)的防雨與排水措施。

4.2 合理安排樞紐工程的運(yùn)行方式

對(duì)已經(jīng)建成的工程，如果霧化現(xiàn)象的危害已經(jīng)成為妨礙工程正常運(yùn)行的最主要因素之一時(shí)，應(yīng)選取能夠最大程度減輕霧化現(xiàn)象的運(yùn)行方式，如合理調(diào)整各孔口的下泄流量等。同時(shí)在運(yùn)行的過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)原型的觀測，盡量摸索出當(dāng)?shù)仂F化現(xiàn)象的一些基本規(guī)律，為以后采取更有效的對(duì)付措施積累更為充分的原型觀察資料。

4.3 在下游兩岸岸坡設(shè)置防護(hù)措施

在實(shí)際工程中，除要注意庫區(qū)岸坡的穩(wěn)定性外，還要注意下游霧化現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域的兩岸岸坡山體的穩(wěn)定性問題。對(duì)霧化現(xiàn)象十分嚴(yán)重的地段既要進(jìn)行原體觀測，也要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如為岸坡以及道路設(shè)置排水措施等。

參考文獻(xiàn)

[1]曉平，陶桂蘭.水利工程[M].北京：人民交通出版社，2009：88.

[2] 鈕新強(qiáng)，宋維邦.1963關(guān)于高壩挑流消能[M].北京：中國水利水電出版社，2007：211.

[3] 辛彥清.船閘混凝土溫度裂縫的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[J].水運(yùn)工程，2002，（8）： 78-80.

[4] 張國新.我國高速水流消能技術(shù)的發(fā)展[J].水力學(xué)報(bào)，2003，（11）：37-42.