淺談挑流消能相關(guān)研究進(jìn)展

趙興龍，韓 雷，王正君，呂春瑋，蘇國(guó)青

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使得21世紀(jì)的水利工程在經(jīng)歷由單一的發(fā)展到多方面統(tǒng)一規(guī)劃的過(guò)程。與其他消能方式比較，挑流消能因其具備適用性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，施工與后期維修較方便的優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛運(yùn)用。對(duì)泄水建筑物下游河岸沖刷較嚴(yán)重，尾水波動(dòng)和霧化比較大是它的缺點(diǎn)。挑流消能是指在泄水建筑物末端設(shè)挑流鼻坎，迫使水流向下游挑射，通過(guò)射流在空中一系列擴(kuò)散、紊動(dòng)和摻氣作用下，消除部分能量，而后跌落到離鼻坎較遠(yuǎn)的河槽中，在沖刷坑以及一定的尾水深度所形成的水墊中進(jìn)行消能，消除的能量約為20%。挑流消能設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：首先選擇鼻坎形式，其次確定鼻坎高程、反弧半徑和挑角，最后計(jì)算出挑距和下游沖刷坑深度等。其中最重要的一部分是確定鼻坎形式，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和水流特點(diǎn)，需要采用不同的鼻坎形式。

1 挑流消能的研究意義

挑流消能對(duì)我國(guó)水利工程的發(fā)展意義重大。泄洪建筑物是水利樞紐中江河湖泊重要的組成部分，它的消能方式一旦出現(xiàn)問(wèn)題，便會(huì)對(duì)下游城鎮(zhèn)居民的日常生活和生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的潛在威脅。在近幾年我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施以及水電建設(shè)事業(yè)向著西南地區(qū)轉(zhuǎn)移的背景下，這種情況尤為突出，西南地區(qū)的高山峽谷，大流量，高水頭等特點(diǎn)非常適合采用挑流消能，這推進(jìn)了對(duì)于挑流消能的研究。連續(xù)式鼻坎和差動(dòng)式鼻坎已經(jīng)不能滿足挑流消能的需要，因此許多水利水電工作者研究出了很多新型的挑坎形式來(lái)滿足需求。大差動(dòng)高低坎、窄縫挑坎以及部分異形鼻坎等新型消能工等是我國(guó)始創(chuàng)的技術(shù)，均處于世界領(lǐng)先水平。這些新的鼻坎形式為世界各地泄水建筑物的挑流消能提供了借鑒方案。

2 挑流消能的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自從挑流消能誕生以來(lái)，發(fā)展十分迅速。豐滿水電站溢流壩作為國(guó)內(nèi)最先使用挑流消能的工程之一，對(duì)國(guó)內(nèi)挑流消能技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)[1]。和其他消能方式相比，挑流消能不需要在下游設(shè)置較多的防護(hù)工程，減少了成本和工程量，較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此運(yùn)用的較為廣泛。但是挑流消能至今還存在許多技術(shù)性難題。在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的背景下，西南地區(qū)在建的水利樞紐大部分都屬于高壩，存在著高水頭、大流量的特點(diǎn)。目前我國(guó)已經(jīng)比較成熟的連續(xù)式鼻坎和差動(dòng)式挑流鼻坎已經(jīng)不能完全滿足工程需求。一些新的鼻坎形式應(yīng)運(yùn)而生，例如：歪扭式鼻坎、窄縫式挑流鼻坎、擴(kuò)散式挑流鼻坎。

連續(xù)式鼻坎射程擴(kuò)散程度稍差，沖刷坑較深，但射程較遠(yuǎn)，坎頂水流平順不易空蝕，體型尺寸簡(jiǎn)單。差動(dòng)式挑流鼻坎以高低齒槽將相鄰水股分開(kāi)挑射，擴(kuò)散和碰撞效果較好，沖坑深度較小，但射程稍近，齒坎兩側(cè)易空蝕，高水頭情況下采用較多。歪扭式鼻坎可將水流偏向一側(cè)挑射，可用于河岸溢洪道和泄洪隧洞，使射流落入河深水墊。窄縫式挑流鼻坎能適應(yīng)窄峽谷地形，防止水舌沖刷岸坡，使挑流水舌順河縱向擴(kuò)散消能。擴(kuò)散式挑流鼻坎能使水舌在平面上充分?jǐn)U散。

傅長(zhǎng)峰等[2]進(jìn)一步改進(jìn)模型并優(yōu)化了溢洪道挑坎體型結(jié)構(gòu),然后對(duì)挑坎水流結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析,根據(jù)鼻坎下游形成的沖刷坑,在擬合沖刷坑計(jì)算表達(dá)式中通過(guò)引入鼻坎體型系數(shù)作為挑射角角度的影響參數(shù)，擬合了挑坎下游沖刷坑深度計(jì)算公式,公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較吻合。梁尚英[3]采用扭曲式挑坎和適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施，能夠確保比較均勻穩(wěn)定的壓力場(chǎng)分布和流場(chǎng)流速，解決了對(duì)左岸山體淘刷以及下游的消能防沖的難題。邱勇等[4]把黑石羅水庫(kù)采用的連續(xù)式鼻坎優(yōu)化成斜鼻坎，迫使出坎水舌在平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)向的同時(shí)沿著豎向大幅度拉開(kāi)，使水流平順入河，降低了水股對(duì)落點(diǎn)的沖刷，達(dá)到了保護(hù)河岸和相鄰建筑物的目的。朱安龍等[5]為了解決周寧抽水蓄能電站下水庫(kù)大壩邊坡高陡、下游河道狹窄、天然水深淺、消能建筑物布置條件比較差，并且大壩緊緊靠著已建的龍溪二級(jí)電站地面廠房的技術(shù)性難題，采取了底孔扭曲鼻坎、表孔俯角、下游二道壩+預(yù)挖沖坑等多種工程措施。王瑞等[6]為保證溢洪道三孔鼻坎水舌在死水位時(shí)不沖刷本岸及左右岸坡腳沖刷深度較淺的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)舌形挑坎、斜鼻坎、曲面貼角窄縫挑坎和直墻窄縫挑坎四種不同挑坎體型，通過(guò)對(duì)比這四種挑坎體型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出了曲面貼角窄縫挑坎能夠較好地滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。吳新宇等[7]基于扭曲鼻坎調(diào)整射流方向的水力模擬試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用降低挑坎高程的大轉(zhuǎn)角貼坡扭曲鼻坎布置的方法，可以調(diào)整水舌方向，理順下游河道形態(tài)，同時(shí)消除了邊岸淘刷威脅和右岸涌浪，解決了泄洪洞過(guò)渡期洞內(nèi)水躍悶頂?shù)膯?wèn)題。

3 挑流消能的研究方法

挑流消能的研究方法目前主要有四種：一是理論分析，指通過(guò)用計(jì)算等方法結(jié)合定理、定律等理論依據(jù)分析實(shí)際問(wèn)題。吳鵬[8]在陳椿庭[9]研究結(jié)論的基礎(chǔ)上通過(guò)引入流速修正系數(shù)，修正無(wú)能量損失的方法初步得出了差動(dòng)式挑流消能沖刷坑深度的計(jì)算方法。二是數(shù)值模擬，指使用電子計(jì)算機(jī)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算以及圖像顯示的技術(shù)，進(jìn)而對(duì)挑流消能研究的目的。常用的有FLUENT、FLOW-3D等。三是模型實(shí)驗(yàn)指在人為控制研究對(duì)象的條件下進(jìn)行觀察，模仿實(shí)驗(yàn)的某些條件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。四是原型觀測(cè)，指在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工期及運(yùn)行期的水工建筑物進(jìn)行的觀測(cè)工作。在這四種研究方法中，由于數(shù)值模擬的適用性和精確度較其他三種研究方法高，因此在現(xiàn)在的泄水建筑物挑流消能的研究中，多是采用數(shù)值模擬的方法，但是這種研究方法需要首先進(jìn)行與水工模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其可靠性。郭紅民等[10]采用有限體積法，運(yùn)用VOF追蹤自由液面和 RNGκ-ε紊流模型建立了三維數(shù)值模型，得到的泄洪消能的水力學(xué)參數(shù)值與模型試驗(yàn)結(jié)果較吻合，得到了數(shù)值模擬可以提供比模型試驗(yàn)更為全面的數(shù)據(jù)的結(jié)論。宋發(fā)軍[11]運(yùn)用VOF水氣界面追蹤法、RNG k-ε 紊流模型和Flow-3D流速模擬軟件，研究并對(duì)比了彎曲溢洪道在差動(dòng)式尾坎挑流和連續(xù)式尾坎挑流2種方式下水流消能的效果，得出了差動(dòng)式尾坎挑流方式下水流對(duì)下游和兩岸的影響更小，消能率更高的結(jié)論。何志亞等[12]使用挑流鼻坎反弧段半徑和出口挑角為體型特征參數(shù)，運(yùn)用 FLUENT軟件對(duì)優(yōu)化的體型對(duì)比方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了各方案下挑流鼻坎挑流消能時(shí)得到的水力特性參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行了推薦體型的物理模型試驗(yàn)，得出了重慶市武隆區(qū)沙河水庫(kù)的最佳挑流方案。

4 挑流消能技術(shù)應(yīng)用前景

(1)國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)西部地區(qū)的重視程度漸漸提高，因此將會(huì)提高對(duì)西南地區(qū)的水資源的開(kāi)發(fā)利用。在這個(gè)大環(huán)境下，針對(duì)西南地區(qū)的泄水建筑物的消能方式，是水利水電工作者以后需要進(jìn)行深入研究且創(chuàng)新的地方[13-15]。

(2)由于我國(guó)國(guó)土廣闊，泄水建筑物較多，且建設(shè)年份跨度較大，因此針對(duì)已經(jīng)建設(shè)好的泄水建筑物，由于其建設(shè)年限較高和當(dāng)時(shí)技術(shù)的不足，對(duì)這些泄水建筑物要通過(guò)日常檢查和修繕是來(lái)滿足下游的消能要求，防患于未然。而對(duì)于這些已建的泄水建筑物的消能方式的修繕是今后一個(gè)研究的重點(diǎn)[16-20]。

(3)連續(xù)式鼻坎、差動(dòng)式挑流鼻坎通過(guò)研究可以得出對(duì)挑距和最大水坑深度的估算理論公式，同理，針對(duì)其他相對(duì)應(yīng)的挑流鼻坎也能依照類(lèi)似的辦法得出相應(yīng)的估計(jì)理論公式，有了估計(jì)理論公式以后可以和數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證，提高得出結(jié)論的準(zhǔn)確性。

總之，雖然現(xiàn)在對(duì)于挑流消能的研究取得了一定的進(jìn)展，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到目前的研究只是一個(gè)良好的開(kāi)端，對(duì)于挑流消能的鼻坎形式和研究方法仍有很多問(wèn)題需要解決[21-23]。

5 結(jié) 語(yǔ)

挑流消能這種消能方式應(yīng)用較為廣泛，但是每一個(gè)泄水建筑物的挑流消能方案因其工程水質(zhì)、地形地貌、巖石特性、水流速度等因素各不相同，因此在設(shè)計(jì)挑流消能方案的時(shí)候，應(yīng)該從多個(gè)角度思考其在這個(gè)泄水建筑物的適用性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)“一泄水建筑物一方案”的原則，對(duì)每一個(gè)泄水建筑物下泄出來(lái)的水量做到充分消能并且不損害建筑物自身。

隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件的普及，數(shù)值模擬這種研究方法適用性、精確性和可重復(fù)性都比其他三種研究方法較高，因此在以后關(guān)于消能方式的研究中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮使用數(shù)值模擬的研究方法，突出傳統(tǒng)水利與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的結(jié)合，多學(xué)科交叉工作進(jìn)行研究。