折線大斜切挑坎水力特性研究

摘要：斜切挑坎多被用于泄水建筑物軸線與天然河道互成夾角的工程。然而，當(dāng)下游河道過于狹窄時，斜切挑坎無法滿足水流歸槽及消能防沖的要求。為此，在斜切挑坎的基礎(chǔ)上提出折線大斜切挑坎。通過模型試驗的方法，測量不同折線大斜切挑坎體型在不同來流條件下，挑射水流的擴(kuò)散情況和下游水墊塘內(nèi)的底板壓力分布，以研究折線大斜切挑坎的水力特性。結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)斜切挑坎，折線大斜切挑坎既可以實(shí)現(xiàn)對挑流水舌水量和入水范圍的靈活調(diào)整，也可以緩解水墊塘壓力分布的不均勻現(xiàn)象。研究結(jié)果可為折線大斜切挑坎的工程設(shè)計和應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān) 鍵 詞：折線大斜切挑坎；空中擴(kuò)散；水墊塘壓力；挑流消能；兩河口水電站

中圖法分類號：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.026

0 引 言

挑流消能具有工程設(shè)施簡易、挑坎體型設(shè)計靈活的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在水利工程中^［1-2］。挑流鼻坎的合理選擇是水利工程安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，在解決實(shí)際工程需要的過程中出現(xiàn)了連續(xù)坎、差動坎、斜切坎、扭曲坎、舌型坎、擴(kuò)散坎、窄縫坎、燕尾坎等多種型式的挑坎^［3-6］。其中斜切坎主要用于岸邊泄水建筑物，以解決溢洪道與河槽有夾角時挑射水流的歸槽問題，例如邱春等為解決由于某溢洪道與河道夾角較大而提出了斜切坎，并進(jìn)行數(shù)值模擬，為確定水舌入水范圍與采取防護(hù)措施提供了參考^［7］；Li等通過數(shù)值模擬優(yōu)化的斜切坎使得出挑水流順利回歸下游主河道^［8］；楊首龍通過系列模型試驗提出了計算斜切坎流速系數(shù)、出挑流速和出挑水深等參數(shù)的經(jīng)驗公式，并推薦了下游最大沖深和底板反弧半徑的計算公式^［9］；薛宏程等采用數(shù)值計算的方法得到了斜切坎水舌挑距、水舌入水角和入水流速等參數(shù)，并結(jié)合下游地質(zhì)條件計算了沖坑深度^［10］；莫海春等根據(jù)實(shí)際工程獲得了斜切坎出挑水流入水寬度與切角的定量關(guān)系^［11］；曾貝佳證明了利用數(shù)值模擬計算出的斜切坎入水長度計算下游沖坑的深度是可行的^［12］；張守磊等通過水力計算給出了斜切坎切角與水舌挑距的關(guān)系^［13］；Ran等通過數(shù)值模擬分析了斜切坎出口斷面流速的分布特征，并計算了挑坎體型參數(shù)和來流條件對擴(kuò)散角的影響規(guī)律^［14］。此外，潘露等還基于斜切坎提出了內(nèi)凹折線型斜切坎，良好地控制了主流的入水點(diǎn)^［15］。

下游河道地質(zhì)條件較好時，為減小工程量，可以考慮護(hù)岸不護(hù)底的消能對策，例如雙學(xué)珍等通過優(yōu)化挑坎使得出挑水舌滿足了河道的沖刷要求^［16］，而工程中在布置水墊塘?xí)r常對水墊塘內(nèi)動水壓力做出一定的限制^［17］。因此確定水墊塘內(nèi)的壓力分布情況對于工程設(shè)計有著重要意義，黃種為等根據(jù)二元淹沒射流擴(kuò)散理論推導(dǎo)，認(rèn)為最大沖擊壓力與射流沖量成正比，與水墊厚度成反比^［18］；練繼建提出了入水角處于60°～65°范圍內(nèi)淹沒射流的水墊塘底板時均沖擊動壓計算式^［19］；許多嗚等給出了入水角度在40°～50°范圍內(nèi)水墊塘底板時均沖擊動壓計算式^［20］；鄧軍等通過試驗發(fā)現(xiàn)，射流摻氣會明顯增加平底水墊塘底板上的脈動壓強(qiáng)^［21］。

兩河口水電站的洞式溢洪道在模型試驗階段采用斜切挑坎時，水舌落點(diǎn)靠近岸坡，且對下游沖刷嚴(yán)重，基于斜切挑坎提出的折線大斜切挑坎能比較理想地解決以上問題。但折線大斜切挑坎由于底板缺失，使得出挑水流的空中形態(tài)、水量分配都與傳統(tǒng)斜切坎有所不同，水墊塘內(nèi)壓力分布規(guī)律也尚不清楚，因此本文擬通過模型試驗的方法研究折線大斜切挑坎出挑水流的空中擴(kuò)散情況，以及水墊塘內(nèi)的壓力分布規(guī)律。

1 研究方法

1.1 模型布置與測量

圖1（a）為兩河口水電站的明流泄洪洞布置圖，洞式溢洪道初設(shè)挑坎為窄縫坎，挑坎中心高程2 685.15 m，下游天然河道未防護(hù)，由于溢洪道出口與下游河道存在夾角，根據(jù)工程經(jīng)驗宜設(shè)置斜切挑坎。不考慮摻氣坎，將無壓洞段適當(dāng)縮短后按照重力相似準(zhǔn)則搭建比尺為1∶80的溢洪道單體正態(tài)模型，具體布置如圖1（b）、圖1（c）所示。模型主要由上游水庫、進(jìn)口段（喇叭型進(jìn)口、進(jìn)口溢流堰）、無壓洞段、明渠斜槽段和出口挑坎組成，下游布置平板水墊塘和薄壁堰。進(jìn)口喇叭口型式為工程實(shí)際的不對稱體型；進(jìn)口溢流堰為WES型實(shí)用堰，堰頂標(biāo)高為60.00 cm；無壓洞段長2.00 m，斷面為城門洞形，頂拱為一圓孤，半徑為11.13 cm，圓心角為128°，邊墻高度為21.25 cm，底板寬度為20 cm，底坡i₀=0.015；明渠斜槽段全長4.80 m，斷面為矩形，尺寸20.00 cm×16.00 cm（寬×高），底坡i=0.323 3，通過拋物線與無壓洞段連接；挑坎最低點(diǎn)與水墊塘底板的垂直高度為1.20 m，下游水墊塘尺寸為5.00 m×1.20m ×0.70 m（長×寬×高）。

本次試驗主要測量內(nèi)容為不同來流水位及不同挑坎體型下，出挑水流空中擴(kuò)散軌跡線及下游水墊塘底板壓力。測量裝置如圖2所示，其中軌跡線利用平面投影的方法測量，即在水墊塘右側(cè)布置3根矩形立柱，配合水平布置在立柱上的縱梁，從而確定空中水舌在不同高程時的縱向坐標(biāo)，進(jìn)而通過系列實(shí)測的數(shù)據(jù)點(diǎn)來描繪出挑水流的軌跡線。內(nèi)緣水舌橫向挑距指內(nèi)緣水舌入水點(diǎn)與挑坎左岸邊墻的間距。采用數(shù)字壓力傳感器測量水墊塘內(nèi)壓力變化，壓力傳感器量程20 kPa，精度為0.1%?；趥鞲衅鳒y量的實(shí)時壓力過程線提取壓力平均值作為壓力分析數(shù)據(jù)，具體的壓力測點(diǎn)布置如圖3所示。

1.2 研究方案

試驗研究了7種挑流鼻坎的水力特性，挑坎體型如圖4所示。其中體型1為典型的斜切挑坎型式，左岸邊墻長80.75 cm；右岸邊墻平面形狀為一半徑為62.50 cm的圓弧，沿水流方向長度為19.25 cm；底板由兩段反弧半徑分別為62.50 cm和93.75 cm的底板在最低處相切組成，最大寬度為23.00 cm。在體型1的基礎(chǔ)上，長邊墻上游22.13 cm處保留寬度為3.63 cm的底板，形成兩折線型底板的體型2，其余保持不變。體型3～6均為在挑坎底板不同位置保留不同寬度，形成的三折線型底板，其中體型5、體型6左邊墻長77.00 cm。體型7左邊墻長83.13 cm，右邊墻平面形態(tài)為一段半徑為93.75 cm的圓弧，沿水流方向長度為17.88 cm；底板反弧半徑為87.50 cm，最寬21.88 cm，在其左邊墻上游31.25 cm和59.00 cm處分別保留5.00 cm和15.00 cm寬的底板，形成三折線型底板。

1.3 試驗工況

試驗的具體工況見表1，工況1～6為試驗水頭為0.36 m時體型1～6的試驗工況，體型7的試驗工況按照上游水位從高到低的順序排列為7-1、7-2等。

2 結(jié)果與分析

2.1 水舌空中形態(tài)

在試驗中發(fā)現(xiàn)，7個挑坎體型在Z向（垂向）擴(kuò)散效果均比較好，不同挑坎體型水舌空中形態(tài)的差異主要在于其入水范圍和水量分配的不同。圖5為上游水位為0.96 m時，不同體型下出挑水流的空中擴(kuò)散情況。可以看出，工況1水舌整體的縱向入水范圍較大；在靠近水舌外緣的區(qū)域存在水量集中分布的現(xiàn)象，該區(qū)水舌的入水位置非?？拷畨|塘右邊墻，會導(dǎo)致右岸發(fā)生較為嚴(yán)重的沖刷破壞。工況2修改挑坎遠(yuǎn)端的底板型式后，外緣水舌的入水范圍明顯向水墊塘中軸線移動，但水量集中分布現(xiàn)象仍然存在；內(nèi)緣水舌基本不受影響。工況3調(diào)整挑坎近端底板型式后，內(nèi)緣水舌的入水邊界與水墊塘中軸線的夾角明顯增加，外緣水舌水量集中現(xiàn)象有一定程度的減弱。工況4、工況5的內(nèi)緣水舌空中形態(tài)基本不變，外緣水舌水量集中現(xiàn)象較工況3變化小。工況6內(nèi)緣水舌入水邊界與水墊塘中軸線的夾角進(jìn)一步增加，內(nèi)緣橫向挑距也明顯減小；水量集中現(xiàn)象較工況3未發(fā)生明顯變化。工況7-1空中水舌入水時基本呈現(xiàn)出“一”字形樣式，未見明顯的水量集中現(xiàn)象，水量分布均勻，內(nèi)緣水舌橫向挑距進(jìn)一步減小。

相較于以往的用單位寬度流量q來衡量水舌的擴(kuò)散情況，定義單位折線長度流量q_p以更好地表征折線大斜切挑坎的擴(kuò)散情況：

q_p=Q/p

式中：q_p為單位折線長度流量，m²/s；Q為來水流量，m³/s；p為挑坎折線長度，m。

從上式可以發(fā)現(xiàn)，在挑坎長度相同時，單位折線長度流量在體型1時取值最大，在體型4時取值最小。

基于以上分析可知，挑坎體型對出挑水流的橫縱向擴(kuò)散具有顯著影響，具體表現(xiàn)為以下3點(diǎn)：

（1）挑坎短邊墻附近底板的折線大斜切主要對內(nèi)緣水流產(chǎn)生影響，折線斜切越大即切角越大和切線越長，內(nèi)緣水流入水邊界與水墊塘中軸線夾角就越大，橫向挑距就越小。

（2）挑坎長邊墻附近底板的折線大斜切主要對外緣水流產(chǎn)生影響，折線斜切可以將外緣水舌的入水邊界向水墊塘中心偏移。

（3）底板折線大斜切線長增加對于水量的均勻擴(kuò)散具有積極作用，當(dāng)來流條件、挑坎長度一定，折線長度增加時，單位折線長度流量減小。

2.2 軌跡線和挑距

縱向軌跡線表征水舌的入水范圍，影響下游水墊塘布置范圍。來流條件相同時，不同體型出挑水流的軌跡線分布情況如圖6所示，其中不同體型下X向（縱向）和Z向（垂向）的計算起點(diǎn)均為體型1時挑坎末端短邊墻與底板交點(diǎn)。不同體型短邊墻沿水流方向長度不同，在體型6時取最小值13.00 cm，在體型7時取最大值23.00 cm，其他體型時取值為16.00 cm。故而其余工況下的內(nèi)緣軌跡線基本都分布在工況6和工況7-1的內(nèi)緣軌跡線之間，且分布相對集中。

工況1的外緣水舌軌跡線與其余工況存在明顯差異，其出挑水流挑射最高且最遠(yuǎn)，而其余工況的外緣水舌軌跡線分布相對集中，即使工況7-1的長邊墻最長，但其外緣輪廓線也比工況1更低更近。

基于前文分析可知，挑坎體型7出挑水流形態(tài)最為理想，該體型下不同來流條件時出挑水流挑距見圖7。當(dāng)試驗水頭在0.28～0.36 m范圍內(nèi)變化時，水舌內(nèi)緣挑距基本穩(wěn)定在1.73 m附近，表明上游水頭在此范圍內(nèi)變化時對水舌內(nèi)緣挑距影響較??；當(dāng)試驗水頭從0.24 m逐漸降低到0.12 m時，水舌內(nèi)緣挑距逐漸從1.67 m減小至1.31 m，表明上游水頭在此范圍內(nèi)變化時，水舌內(nèi)緣挑距隨著試驗水頭的降低而減小。水舌內(nèi)緣橫向擴(kuò)散距離隨著試驗水頭的降低而減小。例如：當(dāng)試驗水頭為0.36 m時，水舌內(nèi)緣橫向擴(kuò)散距離為0.67 m；上游水頭為0.12 m時，內(nèi)緣橫向擴(kuò)散距離為0.40 m。水舌外緣挑距與內(nèi)緣橫向擴(kuò)散距離變化相同，亦隨上游水頭的降低而減小；當(dāng)試驗水頭從0.36 m降低到0.12 m時，外緣挑距從3.13 m減小至2.25 m。

綜合分析，相較于典型斜切坎，折線大斜切挑坎對出挑水流的縱向擴(kuò)散軌跡線影響較小，體型7的外緣水舌挑距隨著上游水位的增大而增大，而內(nèi)緣水舌挑距隨著上游水位的增大而增大，但達(dá)到某一臨界值后逐漸穩(wěn)定。

2.3 水墊塘底板壓力

工況1到工況7-1的水墊塘底板壓力分布如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為沿水流方向的縱向距離，縱坐標(biāo)為水墊塘底板壓力水頭，Y為橫向距離，水墊塘右岸邊墻處Y=-95.00 cm。工況1水舌外緣入水區(qū)域產(chǎn)生了較大的壓力，壓力水頭為29.79 cm，此區(qū)域與2.1節(jié)中水量集中區(qū)入水的位置一致。工況2壓力最大位置靠近水墊塘中軸線，但最大壓力水頭P較大，為35.22 cm。相較于工況2，工況3出挑水流水量集中現(xiàn)象得到一定程度的緩解，水墊塘底板最大壓力水頭減小至30.11 cm。工況4水墊塘底板壓力在橫向分布的不均勻程度相較于工況3有所增加，但最大壓力水頭減小到28.93 cm。工況5水墊塘底板壓力整體減小，壓力分布較工況4比較均勻。工況6的最大壓力水頭降低到24.77 cm，但在測量區(qū)中心區(qū)出現(xiàn)了局部壓力減低區(qū)，其最小壓力水頭為7.28 cm。體型7水墊塘底板依然存在局部壓力降低現(xiàn)象，最小壓力水頭僅為1.21 cm，其整體的壓力水頭更小，沿水流方向的壓力變化梯度相對較小。圖9揭示了在該區(qū)壓力降低的原因為該區(qū)的水墊在射流的作用下被推離射流入水邊界，使得該區(qū)的水墊深度迅速降低，從而在此區(qū)域出現(xiàn)局部壓力降低現(xiàn)象。

圖10的壓力云圖揭示了相較于斜切挑坎，設(shè)計合理的折線大斜切挑坎水墊塘內(nèi)整體的壓力更小，也更加均勻。

在上游不同水頭時，體型7水墊塘底板壓力分布如圖11所示，當(dāng)上游水位降低時，由于水舌對水墊塘底板的沖擊壓力減小，水墊可以在沖擊區(qū)穩(wěn)定存在，因此水墊塘底板中心處壓力降低的現(xiàn)象會有明顯的改善?？梢园l(fā)現(xiàn)上游水頭為0.32 m時，雖然出現(xiàn)局部的壓力降低，但最小壓力水頭為8.39 cm，較0.36 m時已明顯改善。而當(dāng)上游水頭降低到0.28 m時，局部壓力降低的現(xiàn)象基本不存在，水墊塘底板整體的壓力分布較0.36 m時更加均勻，最大壓力水頭為21.11 cm。當(dāng)上游水頭介于0.12～0.24 m之間時，水墊塘底板壓力分布較為均勻，隨著上游水位逐漸降低，水墊塘底板壓力也不斷減小。

體型7部分試驗水頭時水墊塘壓力云圖見圖12，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗水頭減小到0.28 m以下低壓區(qū)消失時，水墊塘內(nèi)壓力分布均勻。

基于以上對水墊塘底板壓力變化的分析，發(fā)現(xiàn)折線大斜切挑坎可實(shí)現(xiàn)出挑水流大偏轉(zhuǎn)及強(qiáng)剪切消能，水墊塘壓力分布情況表明其水流歸槽和剪切消能效果較好。

3 結(jié) 論

本文通過研究折線大斜切坎的水力特性發(fā)現(xiàn)，折線大斜切挑坎可以實(shí)現(xiàn)對出挑水流水量和挑距的靈活調(diào)整。在短邊墻底板，折線大斜切可以增加內(nèi)緣水流入水時與水墊塘中軸線的夾角，也可以減小內(nèi)緣水流的橫向擴(kuò)散，但對內(nèi)緣縱向軌跡線的影響較??；在長邊墻底板，折線大斜切可以拉近和拉低外緣水流空中軌跡，并減小外緣挑距；折線線長的增加對水舌水量的均勻分配產(chǎn)生積極影響。內(nèi)緣縱向挑距隨試驗水頭的增加呈現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的變化趨勢，外緣縱向挑距則是隨試驗水頭的增加而增加。折線大斜切挑坎可以通過改變水舌主流的擴(kuò)散情況和分布位置來調(diào)整水墊塘內(nèi)底板壓力的分布情況，設(shè)計合理的體型較斜切坎可以減小水墊塘內(nèi)壓力分布的不均勻程度和壓力梯度。

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（編輯：郭甜甜）

Hydraulic characteristics of folding-line large oblique cutting bucket

MA Zhi，DENG Jun，WEI Wangru，LONG Qiang

（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract：Oblique cutting trajectory buckets are used in water conservancy projects whose axis of discharge structure intersects with the natural channel at an angle.However，if the downstream channel is too narrow，the oblique cutting bucket can not meet the requirements of the water flow returning to the channel and the energy dissipation and erosion prevention tasks.For this reason，based on the traditional oblique cutting bucket，a folding-line large oblique cutting bucket was proposed.This article used model experiments to measure the diffusion of water jets and the pressure distribution on the bottom plate in the downstream plunge pool under different inflow conditions for different types of folding-line large oblique cutting buckets，and the hydraulic characteristics of the folding-line large oblique cutting bucket are obtained.The results showed that compared to traditional oblique cutting buckets，the folding-line large oblique cutting bucket can not only flexibly adjust the volume and water-falling position of the jet flow，but also alleviate the uneven distribution of pressure in the plunge pool.The research results can provide a certain reference for the engineering design and application of the folding-line large oblique cutting buckets.

Key words：folding-line large oblique cutting bucket; aerial diffusion; pressure of plunge pool；trajectory bucket type energy dissipation; Lianghekou Hydropower Station