泄洪洞窄縫燕尾組合挑坎試驗(yàn)研究

譚哲武，王均星

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430072)

摘要：采用物理模型試驗(yàn)的方法，在綜合考慮燕尾挑坎、窄縫挑坎2種消能工各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)長(zhǎng)河壩水電站2#泄洪洞挑流水舌所必須達(dá)到的挑射效果，進(jìn)行了窄縫燕尾新型組合挑坎的試驗(yàn)研究。從挑坎內(nèi)部水流流態(tài)、出挑水舌形態(tài)以及下游消能防沖效果3個(gè)方面進(jìn)行了燕尾挑坎、窄縫挑坎以及新型組合挑坎之間的對(duì)比試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：新型的組合體型兼有燕尾挑坎與窄縫挑坎的優(yōu)點(diǎn)，它在改善坎內(nèi)水流流態(tài)、水舌形態(tài)、減輕下游河道沖刷方面起到了重要作用，同時(shí)也滿足2#泄洪洞出挑水舌的限制要求。試驗(yàn)的研究成果可供類(lèi)似工程參考。

關(guān)鍵詞：泄洪洞；燕尾挑坎；窄縫挑坎；組合挑坎；消能

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2013-11-28；修回日期：2013-12-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51479009)

作者簡(jiǎn)介：金中武(1976-)，男，湖北崇陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士，主要從事河流泥沙動(dòng)力學(xué)方面的研究，(電話)027-82927479(電子信箱)zhongwujin@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.009

1研究背景

針對(duì)高水頭大流量泄洪洞的消能，常規(guī)采用造價(jià)經(jīng)濟(jì)且施工方便的挑流消能方式[1-2]。挑流消能工里常用的有連續(xù)挑坎與窄縫挑坎。窄縫挑坎[3-4]作為一種高效的收縮式消能工，它是利用挑流鼻坎邊墻末端的急劇收縮而形成窄而深的縫隙挑坎。其消能方式是借助側(cè)壁的收縮促使水流變形，加劇紊動(dòng)和摻氣促使水流有效碰撞，從而形成豎向和縱向擴(kuò)散的掃帚狀水舌形態(tài)。窄縫消能工有助于水舌在空中的拉伸與擴(kuò)散，減輕了對(duì)下游河道的沖刷，且便于控制水流轉(zhuǎn)向，但是挑坎及邊墻均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的流激振動(dòng)現(xiàn)象；沖擊波較為激烈，所形成的水花飛濺易沖刷部分建筑物；挑坎挑角一般較小，水舌挑距受到抑制[1]。自葡萄牙的Cabril拱壩率先采用窄縫挑坎之后，窄縫挑坎得到迅速的發(fā)展，我國(guó)目前有數(shù)項(xiàng)工程也采用窄縫挑坎，例如龍羊峽電站、水布埡電站等[3]。

燕尾挑坎[5]是在常規(guī)連續(xù)式挑坎的底板上開(kāi)一個(gè)空腔，使挑坎的底板上形成一個(gè)缺口，出挑水流首先從缺口前端射出，缺口周?chē)乃餮刂装逑蚯傲鲃?dòng)，對(duì)兩側(cè)而言中間形成一個(gè)臨空面，兩側(cè)水流不斷從缺口處射出。水舌的縱向擴(kuò)散主要是因?yàn)閮蓚?cè)的水流往中間的臨空面射出而形成，所以邊墻基本不受高速水流的沖擊作用；同時(shí)缺口一般靠近挑坎的最低點(diǎn)，起挑流量較小也可以適用于較低水頭的泄流；挑角一般較大，水舌挑距較大，但是水舌縱向擴(kuò)散程度不易，通常需要在較大挑角條件下才能達(dá)到充分?jǐn)U散。目前，燕尾挑坎正處于試探性應(yīng)用階段，在錦屏一級(jí)泄洪洞挑流消能、南椰溢洪道挑流消能中都進(jìn)行了應(yīng)用，且效果顯著。

燕尾挑坎與窄縫挑坎都促使了水舌的縱向拉伸，加劇了紊動(dòng)摻氣。研究二者的組合特性，其目的在于克服單純窄縫挑坎嚴(yán)重的流激振動(dòng)現(xiàn)象和水舌挑距不夠的缺點(diǎn)以及單純燕尾挑坎水舌縱向拉伸不易和水量分布不均的缺點(diǎn)，尋求一種能夠兼具上述二者挑坎優(yōu)點(diǎn)而達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)效果的新型組合挑坎，滿足該工程的特殊要求。

2工程概況

長(zhǎng)河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃22級(jí)的第10級(jí)，水庫(kù)正常蓄水位1 690.00 m，總庫(kù)容10.75×108m3，裝機(jī)容量2 600 MW，為Ⅰ等大(1)型工程。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m。千年一遇設(shè)計(jì)洪水7 650 m3/s，可能最大洪水10 400 m3/s，最大落差219 m。泄水建筑物由3條泄洪洞組成，從左至右編號(hào)1#，2#，3#，洞長(zhǎng)分別為1 362，1 508，1 540 m。1#洞為短有壓進(jìn)口后接無(wú)壓洞；2#，3#洞均為敞開(kāi)式無(wú)壓隧洞，3條洞出口均采用挑流消能的方式進(jìn)行聯(lián)合消能。

由于受到下游兩岸地形的限制，前期的研究工作中已經(jīng)確定了1#泄洪洞采用斜切式扭曲挑坎，3#泄洪洞采用擴(kuò)散式斜切挑坎。該2種挑坎的出挑水舌在空間上呈非平行分布且未交叉，但是二者之間的剩余空間范圍狹窄，而且最遠(yuǎn)水舌落點(diǎn)相差不大，間距較小。這就要求2#挑坎的水舌有充分的縱向拉伸來(lái)避免水舌之間的疊加引起能量集中而加劇河床的沖刷；同時(shí)也需要有足夠遠(yuǎn)的挑距避免沖刷本岸。鑒于此，本文在2#泄洪洞已采用挑坎型式的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合挑坎的研究。

2#泄洪洞由開(kāi)敞塔式進(jìn)口段、無(wú)壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成。進(jìn)口塔體長(zhǎng)×寬×高為36.5 m×28.0 m×37.5 m，無(wú)壓城門(mén)洞斷面尺寸為17.0 m×18.0 m、14.0 m×18.0 m、14.0 m×15.0 m這3種。從樁號(hào)1+498.00 m位置起挑，起挑點(diǎn)高程為1 500.00 m，隧洞縱坡i=0.108 48，單洞最大泄量3 138 m3/s。2#泄洪洞縱剖面布置圖如圖1所示。

圖1　2 #泄洪洞縱剖面布置 Fig.1　Longitudinal profile of the layout of flood release tunnel 2 #

3模型制作與挑坎方案

3.1　模型制作

模型采用比尺為50的水工整體正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[6]。模擬的范圍包括：放空洞進(jìn)口上游200 m至放空洞出口下游800 m，上游最高高程為1 697.00 m，下游最高高程為1 500.00 m；下游動(dòng)床范圍為廠房尾水出口上游100 m至放空洞出口下游500 m。其詳細(xì)布置見(jiàn)圖2所示。

圖2　長(zhǎng)河壩水電站水工模型布置 Fig.2　Layout of physical model of Changheba Hydropower Station

3.2　挑坎方案

基于長(zhǎng)河壩2#泄洪洞挑流鼻坎的研究，分別從3種不同類(lèi)型的挑坎方案中遴選出各自最優(yōu)的挑坎方案。試驗(yàn)針對(duì)最優(yōu)的燕尾挑坎、窄縫挑坎、組合挑坎方案，分別進(jìn)行挑坎內(nèi)部水流流態(tài)、水舌形態(tài)、下游消能防沖3方面進(jìn)行研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。燕尾挑坎、窄縫挑坎、組合挑坎的具體參數(shù)如圖3和表1所示。

圖3　3種挑坎形狀及尺寸 Fig.3　Shapes and dimensions of the three flip buckets

表1　燕尾挑坎、窄縫挑坎、組合挑坎參數(shù) Table 1　Parameters of swallow-tail bucket, narrow- slit bucket, and the combined bucket

4模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)在正常運(yùn)行工況條件下進(jìn)行研究。該工況為上游來(lái)流2 298 m3/s，上、下游水位分別為1 690,1 481 m，閘門(mén)狀態(tài)為全開(kāi)。

表2　水舌形態(tài)參數(shù) Table 2　Parameters of water jets of the three buckets

圖4　3種挑坎內(nèi)部 水流流態(tài) Fig.4　Flow patterns in the three buckets

4.1　挑坎內(nèi)部水流流態(tài)

4.1.1挑坎內(nèi)部外觀流態(tài)

在正常運(yùn)行工況條件下，3種挑坎內(nèi)部的水流流態(tài)如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①燕尾挑坎由于底板缺口的存在，使得水層有偏向于中間臨空面的趨勢(shì)，使得表層水流表現(xiàn)為少量的交匯，但整體流線趨于平行，且無(wú)激流沖擊波和振動(dòng)產(chǎn)生；②窄縫挑坎內(nèi)部高速水流受邊墻約束而交匯產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波流態(tài)復(fù)雜。受迫水流對(duì)邊墻產(chǎn)生反作用力引起挑坎振動(dòng)，同時(shí)沖擊波也加劇了挑坎的振動(dòng)，使得挑坎振動(dòng)最為明顯和強(qiáng)烈；③組合挑坎內(nèi)部水流也受到邊界約束而存在激流沖擊波的現(xiàn)象，挑坎振動(dòng)較為明顯但是較窄縫挑坎程度低，較燕尾挑坎程度高。

4.1.2水面線分布

3種挑坎坎內(nèi)水面線分布如圖5所示，參考各挑坎底板曲面和空間高程1 500 m同一平面，3種挑坎內(nèi)部水面線均表現(xiàn)為沿程增高的趨勢(shì)。由圖5可以看出：①燕尾挑坎水流流向不受邊壁約束，同時(shí)由于缺口的存在使部分水流從挑坎底板下端射出，因此水深較淺在5.20 ～8.70 m變化。但是受到挑坎大挑角的影響，挑坎內(nèi)部水面線較高，挑流效果明顯；②窄縫挑坎兩側(cè)邊墻急劇收縮，水流迫受邊壁約束而偏向軸線流動(dòng)，內(nèi)部水深在5.28 ～10.90 m變化，增長(zhǎng)幅度最大。由于窄縫挑坎挑角較小，因而挑坎內(nèi)水面線較低挑流效果不顯著；③組合挑坎內(nèi)部水流受邊壁約束水深較深，在5.30 ～9.80 m變化，介于窄縫和燕尾挑坎內(nèi)水深之間。組合挑坎挑角較大,因此坎內(nèi)水面線分布較高,水流起挑效果明顯。

圖5 3種挑坎內(nèi)部水面線分布Fig.5 Distributionofwatersurfacelineinthethreeflipbuckets

4.2　水舌形態(tài)

圖6　挑坎水舌外觀形態(tài) Fig.6　Visual forms of water jets in the three buckets

水舌形態(tài)的參數(shù)及外觀形態(tài)分別如表2和圖6所示。

結(jié)合圖6中所示的實(shí)測(cè)水舌內(nèi)外緣輪廓線，通過(guò)不同的理論計(jì)算方程繪制輪廓線與之?dāng)M合，最終得出較為接近的挑距計(jì)算公式為：3種挑坎水舌外緣挑距按質(zhì)點(diǎn)自由拋射理論[7]公式(1)計(jì)算，水舌內(nèi)緣挑距計(jì)算中燕尾挑坎依然按自由拋射理論公式計(jì)算，窄縫燕尾組合挑坎水舌內(nèi)緣挑距按平拋理論公式計(jì)算，窄縫挑坎水舌內(nèi)緣挑距按公式(2)計(jì)算；水舌的入水角[4]統(tǒng)一按公式(3)計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

式中：L為挑距；v0為出坎初始流速；θ為挑角；θ下為下緣輪廓線挑角；a為壩高；ht為下游水深；h1為挑坎內(nèi)部水深；Fr為弗勞德數(shù)；β為水舌入水角；φ為流速系數(shù)；S為上游水面至挑坎頂部高差。

結(jié)合水舌的軌跡曲線和入水角度，最終得水舌的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在空間的分布如圖7所示。

圖7　水舌理論計(jì)算與實(shí)測(cè)輪廓線分布 Fig.7　Contours of water jets by theoretical calculation and model test

由圖7可知，理論的外緣挑距和內(nèi)緣挑距均大于實(shí)測(cè)值，這是因?yàn)槔碚撚?jì)算忽略了水舌在空中的分散、摻氣以及阻力等因素影響，從而使計(jì)算值偏大。燕尾挑坎水舌與組合挑坎的水舌輪廓形狀相似，均表現(xiàn)為掃帚狀的水舌形態(tài)，但是組合挑坎水舌外輪廓面積大于燕尾挑坎水舌的外輪廓面積，窄縫挑坎水舌外輪廓面積最小。綜合比較實(shí)測(cè)值與理論值均在誤差允許范圍之內(nèi)，水舌外輪廓也基本相同，說(shuō)明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在同樣來(lái)流條件下，燕尾挑坎水舌厚重，單位體積水量大，挑流擴(kuò)散不夠充分；窄縫挑坎水舌拉伸較燕尾挑坎效果好，但是水舌形狀受沖擊波影響較大，水冠飛濺流態(tài)凌亂，影響了挑坎周邊建筑物的安全；組合挑坎水舌拉伸充分均勻，擴(kuò)散程度最好，整體外觀流態(tài)達(dá)到了良好的視覺(jué)效果。

4.3　下游消能防沖

下游河道消能防沖研究可用來(lái)評(píng)定挑坎體型的優(yōu)劣。本文以沖坑深度、岸邊回流流速、涌浪高程等指標(biāo)來(lái)研究3種挑坎體型的消能特性。在正常工況條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，沖坑范圍見(jiàn)圖8。

由圖表數(shù)據(jù)可知:①在動(dòng)床模擬范圍內(nèi)燕尾挑坎回流流速最大，對(duì)岸坡的沖刷最嚴(yán)重，同時(shí)涌浪高較大，水流波動(dòng)更為劇烈；沖坑較深，沖坑范圍較大，地形較平緩，堆丘高程最低，下游河道散粒體石料沖擊位移較大；②窄縫挑坎岸邊回流流速最小，涌浪高最小，沖坑深度與燕尾相差不大，但是沖坑范圍較燕尾小坡度較陡，下游河道散粒體石料沖擊位移小于燕尾挑坎；③組合挑坎兼具有上述二者的特點(diǎn)，即岸邊回流流速小于燕尾挑坎大于窄縫挑坎，涌浪高小于燕尾挑坎大于窄縫挑坎，沖坑深度最小，沖坑范圍較燕尾挑坎小較窄縫挑坎大，堆丘高程與窄縫基本相同，下游河道散粒體石料沖擊位移與窄縫相差不大。

表3　下游動(dòng)床試驗(yàn)數(shù)據(jù) Table 3　Test data of downstream movable bed

圖8　沖坑地形等高線 分布 Fig.8　Contours of scour pit for the three buckets

分析原因，燕尾挑坎水舌挑角較大，水舌最高點(diǎn)較高，單位體積水量以及入水角較大，水流跌落撞擊劇烈，致使岸邊回流流速大且涌浪較高。按照入水面積A≈Q/(vsinβ)理論，3種挑坎的入水面積均相差不大，對(duì)比燕尾挑坎，窄縫挑坎能夠減輕下游河床的沖刷是因?yàn)樘袅魉嗳胨笾饕菣M向擴(kuò)散，它改變了水舌入水面積的形狀，增大了河床表面的承壓面積，減輕了對(duì)下游河床的沖刷[3-4]。燕尾挑坎水舌入水之后在水墊層中主要是縱向擴(kuò)散，通常燕尾挑坎對(duì)于河床的承壓面積小于窄縫挑坎，同時(shí)燕尾挑坎單寬流量較大，單位體積水量較大，能量較集中，從而加劇了對(duì)沖坑的沖刷，使得散粒體石料沖擊位移較大。組合挑坎縱向拉伸均勻，單位體積水量較小，水舌入水?dāng)U散方式與窄縫類(lèi)似，減輕了對(duì)下游河道的沖刷。

5結(jié)論

(1) 3種體型的挑坎均能挑射不沖刷岸坡的最小挑距的水舌，滿足工程要求。但是就挑坎流激振動(dòng)強(qiáng)度、坎內(nèi)水深水面線分布、挑流效果等因素分析組合挑坎要優(yōu)于窄縫挑坎；相比于燕尾挑坎，組合挑坎的挑流效果更明顯。

(2) 組合挑坎水舌可以拋射的最高點(diǎn)和最遠(yuǎn)挑距均大于燕尾挑坎和遠(yuǎn)大于窄縫挑坎。水舌在空間縱向平面面積最大，縱向拉伸效果明顯優(yōu)于燕尾挑坎和窄縫挑坎，同時(shí)水舌能夠達(dá)到良好的視覺(jué)效果。

(3) 在相同工況條件下，組合挑坎水舌單寬流量最小，單位體積水量最小，空氣中摩擦摻氣消能最為充分，有助于下游河道的消能。

(4) 對(duì)比燕尾挑坎，組合挑坎下游動(dòng)床區(qū)岸邊回流流速小、涌浪波高范圍小、沖坑深度小、堆丘高程高、散粒體石料沖擊位移小，對(duì)下游河道的沖刷輕。對(duì)比窄縫挑坎，二者堆丘高程以及下游河道散粒體石料沖擊位移基本相同，但是窄縫挑坎沖坑深度更大。

(5) 窄縫燕尾組合挑坎，減輕了高速水流產(chǎn)生的激流振動(dòng)現(xiàn)象，改善了水舌在空間縱向拉伸的效果，減弱了對(duì)下游河道的沖刷，彌補(bǔ)了燕尾挑坎和窄縫挑坎單方面的不足，適應(yīng)了高水頭大流量條件下的2#泄洪洞水舌挑射要求和下游消能防沖的要求。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Experimental Research on Flip Bucket Combining Narrow Slit andSwallow-Tail in Flood Release Tunnel

TAN Zhe-wu, WANG Jun-xing

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,

Wuhan University, Wuhan430072, China)

Abstract:To meet the requirement of trajectory nappe in the flood release tunnel 2# in Changheba hydropower station, we designed a new-type bucket combing narrow slit and swallow-tail by physical model. The characteristics of slit-type bucket and swallow-tail bucket were comprehensively considered. The flow pattern in bucket, water jet, and energy dissipation and erosion control in the downstream of these three bucket types were compared. Results suggest that this new-type bucket has the advantages of both swallow-tail bucket and slit-type bucket. It improves the flow pattern in bucket, and optimizes water jets form and alleviates downstream scouring. Besides, it adapts to the requirement of trajectory nappe in the flood release tunnel 2#. The research result could be a reference for similar projects.

Key words: flood release tunnel; swallow-tail bucket; slit-type bucket; combined bucket; energy dissipation

2015,32(04):45-50