高重力壩挑坎體型及水力特性對(duì)比

2022-09-12 02:48王宇航緱文娟葉星宇

水利水電科技進(jìn)展 2022年5期

馬斌，王宇航，緱文娟，葉星宇，杜濤

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

改革開放以來，我國(guó)水利水電建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展并取得一系列輝煌成就，在建或已建了一批世界級(jí)高水平水利樞紐工程，如：三峽、向家壩、黃登等重力壩式水利樞紐工程，這些工程大多呈現(xiàn)高水頭、大泄洪功率及大單寬流量等特點(diǎn)[1-2]，因此高壩泄洪消能成為水利水電工程建設(shè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)[3]。挑流消能常應(yīng)用于高壩泄洪消能，下游設(shè)二道壩或圍堰形成水墊塘進(jìn)行消能[4]。影響挑流消能的重要因素為挑坎體型，挑坎體型對(duì)高速水流的水舌形態(tài)和水墊塘消能率有極大的影響，挑坎體型的選擇直接關(guān)乎水利樞紐工程安全等級(jí)指標(biāo)和泄洪消能率。

眾多學(xué)者對(duì)挑坎體型進(jìn)行了優(yōu)化研究并提出了一系列新型挑坎，如：差動(dòng)式挑坎[5-7]、窄縫式挑坎[8-10]、扭曲式挑坎[11-12]、燕尾式挑坎[13-15]、窄縫燕尾式挑坎[16-17]等。張挺等[5]研究了高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎，發(fā)現(xiàn)挑流水舌縱向和橫向充分?jǐn)U散，形成兩股水舌碰撞區(qū)，水股更分散。孫紅娟等[6]發(fā)現(xiàn)差動(dòng)式挑坎水舌明顯分為上下兩股，中間形成水簾。蔣俏芬等[7]發(fā)現(xiàn)高差動(dòng)式挑坎相比窄縫式及低差動(dòng)式挑坎，水舌縱向拉伸更明顯，并有一定橫向擴(kuò)散，落點(diǎn)分布均勻，對(duì)河床的沖擊壓力較小且分散。王瑞等[8-9]發(fā)現(xiàn)曲面貼角與直墻窄縫式挑坎對(duì)水舌縱向、豎向拉伸充分，加劇水流紊動(dòng)和摻氣，降低水流紊動(dòng)系數(shù)，但曲面貼角窄縫式挑坎水舌內(nèi)緣挑距穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，消能率高，對(duì)下游消能防沖要求高的工程更為適用。張曉哲等[10]發(fā)現(xiàn)高拱壩深孔采用窄縫式挑坎可使水墊塘底板時(shí)均沖擊動(dòng)壓分布更加平坦且可大大減小底板動(dòng)壓差。吳新宇等[11]、劉昉等[12]研究了扭曲式挑坎，發(fā)現(xiàn)采用扭曲式挑坎可合理調(diào)整水舌方向，改善下游河道流態(tài)、岸坡涌浪及邊岸沖刷。王晶等[13]在燕尾式挑坎的基礎(chǔ)上提出陣列式燕尾坎，利用其不同挑角的挑坎將水流充分拉伸、分散，增加各股水舌空間碰撞，增加消能率；程文磊等[14]發(fā)現(xiàn)燕尾式挑坎可有效減小水舌入水單寬流量及其橫向擴(kuò)散，加強(qiáng)水舌順?biāo)飨蚶?，降低?duì)水墊塘底板及岸坡的沖刷；毛棟平等[15]發(fā)現(xiàn)燕尾式挑坎出口水深較小，能大幅降低側(cè)邊墻壓力及適當(dāng)降低邊墻高度，提高挑流水舌穩(wěn)定性。彭誠(chéng)[16]和譚哲武等[17]均對(duì)窄縫燕尾式挑坎進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)窄縫燕尾式挑坎相對(duì)燕尾式挑坎水舌在空間縱向拉伸效果更好，可減弱下游河道沖刷。

本文依托黃河古賢水利樞紐水工模型，進(jìn)行了表孔挑坎體型單體試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)比分析了連續(xù)式、窄縫式、差動(dòng)式、燕尾式、直邊窄縫燕尾式及曲面窄縫燕尾式挑坎的水舌特性及水墊塘底板的壓強(qiáng)特性，以期為挑流消能的高重力壩挑坎體型的選擇提供多元化參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托黃河古賢水利樞紐工程中間泄流壩段中表孔，古賢重力壩壩踵高程428 m，表孔堰頂高程612 m，表孔挑坎為等寬式，寬度14 m，挑角30°，出口高程480 m，水墊塘底板高程450 m，二道壩高程470 m、水墊塘長(zhǎng)度300 m，水墊塘靜水位470 m。模型依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，壓強(qiáng)比尺與幾何比尺均為60。試驗(yàn)研究在百年一遇洪水位為625.50 m、設(shè)計(jì)洪水位為627.52 m、校核洪水位為628.75 m，即上游水頭Hu為197.50 m、199.52 m、200.75 m時(shí)的中表孔單獨(dú)泄洪時(shí)進(jìn)行。水工模型整體布置和中間泄流壩段俯視圖如圖1 所示。試驗(yàn)所用的挑坎體型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 古賢重力壩水工模型

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水舌特性

各挑坎體型在上游水頭為199.52 m時(shí)的挑流水舌形態(tài)特征如圖3所示。

為了更直觀地反映各挑坎體型之間的差異，對(duì)各挑坎體型在不同上游水頭下的水舌參數(shù)，即內(nèi)緣挑距、外緣挑距、入水寬度及挑高進(jìn)行測(cè)量，挑流水舌參數(shù)如圖4所示。試驗(yàn)所測(cè)水舌參數(shù)如表1所示。

從表1可知，各挑坎體型水舌內(nèi)緣挑距、外緣挑距及挑高均隨上游水頭的增加而逐漸增大。結(jié)合圖3可知，連續(xù)式挑坎水舌連續(xù)，入水寬度小，水舌能量集中，最大外緣挑距為229 m，最小內(nèi)緣挑距為160 m，即水墊塘前160 m水墊未充分參與消能。窄縫式挑坎水舌連續(xù)且伴有大量噴濺式小水珠，與連續(xù)式挑坎相比，水舌挑高增大，挑高最大值為64 m，內(nèi)外緣挑距均變短，水舌能量更為集中，水舌并沒出現(xiàn)縱向拉伸現(xiàn)象，究其原因，試驗(yàn)中挑坎挑角為30°，而一般利用窄縫式挑坎形成縱向拉伸水舌的挑角較小，在-10°～0°左右，可降低起挑水頭，增大水舌擴(kuò)散和入水寬度[18]。差動(dòng)式挑坎由于坎口存在挑角差，水舌在空中及落點(diǎn)處呈現(xiàn)分層分股的形態(tài)特征，入水寬度相對(duì)連續(xù)式、窄縫式挑坎有所增大，分股落水可使水舌能量相對(duì)分散，減小水舌對(duì)水墊的沖擊，而外緣挑距增大，最大值為242 m，外緣挑距過大對(duì)二道壩及下游防沖不利。當(dāng)高速水流挑射時(shí)，由于燕尾式挑坎存在內(nèi)外緣挑角差的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，水流首先從燕尾坎內(nèi)緣挑角挑出，然后沿兩側(cè)燕尾從燕尾式挑坎外緣挑角挑出，水舌整體明顯分成內(nèi)外兩股分開落入水墊，水舌縱向拉伸充分，形成類似“扇形”“水簾”“掃帚”狀的水舌形態(tài)(下文稱“掃帚狀水舌”)，在空中大大增加了水舌的擴(kuò)散、摻氣及摩擦程度，入水寬度也大大增加，與水墊接觸面積更大，更能充分利用水墊塘近壩區(qū)水墊進(jìn)行消能，提高水墊消能率。當(dāng)Hu=200.75 m時(shí)，燕尾式挑坎與連續(xù)式、窄縫式、差動(dòng)式挑坎相比，其水舌內(nèi)緣挑距分別下降83.7%、83.3%和83.6%，外緣挑距分別下降16.6%、15.5%和21.1%，入水寬度分別增加258%、250%和173%，挑高分別下降17.8%、42.2%和31.5%。燕尾式挑坎的水舌形態(tài)特征可使水舌在沖擊水墊時(shí)攜帶的動(dòng)能大大減小，進(jìn)而減小對(duì)水墊塘底板的沖擊破壞及下游岸坡沖刷；直邊窄縫與曲面窄縫燕尾式挑坎增加對(duì)稱直邊、曲面貼角后，水舌除具有燕尾式挑坎縱向拉伸的特性，同時(shí)也具有窄縫式挑坎橫向收縮的特性，直邊窄縫燕尾式挑坎水舌上產(chǎn)生大量噴濺式小水珠，相比燕尾式挑坎，其內(nèi)外緣挑距減小、挑高降低；曲面窄縫燕尾式挑坎水舌上產(chǎn)生少量的小水珠，相比燕尾式挑坎，其內(nèi)外緣挑距略有減小，但挑高增大，上下兩股水舌間的掃帚處水量有所增加，擴(kuò)散更充分、均勻，可見，曲面窄縫對(duì)水流橫向收縮比直邊窄縫更佳。

表1 水舌挑距、入水寬度與挑高

圖2 挑坎體型結(jié)構(gòu)(單位：m)

圖3 水舌形態(tài)特征

圖4 挑流水舌參數(shù)(單位：m)

2.2 水墊塘底板壓強(qiáng)特性

通過水舌形態(tài)和水舌參數(shù)可以直觀地對(duì)比各挑坎體型間的差異，而挑流水舌沖擊下游水墊時(shí)水墊塘底板壓強(qiáng)的大小及其沿程分布也是研究挑流消能效果和水舌沖擊特性的關(guān)鍵[19-21]，重點(diǎn)對(duì)水墊塘底板中軸線測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)、沖擊壓強(qiáng)及脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行分析。

2.2.1時(shí)均壓強(qiáng)

根據(jù)塘內(nèi)有無水墊,挑流水舌對(duì)下游水墊塘沖擊射流分為自由沖擊射流與淹沒沖擊射流，試驗(yàn)中水墊塘內(nèi)有初始靜水，水深20 m，沖擊射流為淹沒沖擊射流，在水墊塘內(nèi)形成自由射流區(qū)(Ⅰ區(qū))、壁面沖擊區(qū)(Ⅱ區(qū))和壁面射流區(qū)(Ⅲ區(qū))3個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

圖5 淹沒沖擊射流

高速射流沖擊水墊，在Ⅰ區(qū)經(jīng)過擴(kuò)散作用，動(dòng)能迅速消散，主流兩側(cè)形成漩流區(qū)，由于水舌斜射入水墊，兩側(cè)漩流區(qū)并不對(duì)稱分布；主流經(jīng)Ⅰ區(qū)進(jìn)入Ⅱ區(qū)，若主流動(dòng)能較小，經(jīng)Ⅰ區(qū)擴(kuò)散后，其流速變小，未觸及水墊塘底板已開始向下游發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)下泄主流未觸及底板，底板沖擊壓強(qiáng)基本為零[22]；若下泄主流攜帶動(dòng)能較大，主流會(huì)沖透水墊，在沖擊區(qū)內(nèi)，高速射流攜帶的巨大動(dòng)能迅速減小并轉(zhuǎn)化為動(dòng)水沖擊壓能，會(huì)對(duì)水墊塘底板產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊[23]，沖擊區(qū)具有最大壓強(qiáng)Pm的點(diǎn)稱為滯點(diǎn)，滯點(diǎn)與相鄰最低谷值點(diǎn)的差值為沖擊壓強(qiáng)，沖擊壓強(qiáng)過大會(huì)對(duì)底板造成沖透破壞；高速射流到達(dá)底板后會(huì)貼壁射出，由沖擊壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，射流主流貼壁擴(kuò)散進(jìn)入Ⅲ區(qū)，并在Ⅲ區(qū)形成較大的漩流區(qū)，向下游擴(kuò)散形成淹沒水躍的流態(tài)。

6種體型挑坎在不同上游水頭下的時(shí)均壓強(qiáng)沿水墊塘中軸線的沿程分布如圖6所示，以測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置x=l/L來表示水墊塘底板壓強(qiáng)沿程分布，其中l(wèi)為壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)距水墊塘首端長(zhǎng)度，L為水墊塘長(zhǎng)度[24]。

圖6 各體型挑坎下游水墊塘底板時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布

從圖6可知，連續(xù)式、窄縫式、差動(dòng)式挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程基本呈先減小后增大再減小再增大的分布趨勢(shì)。隨著上游水頭的增大，各挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程整體呈減小趨勢(shì)，在不同上游水頭下，燕尾式挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程明顯高于連續(xù)式、窄縫式及差動(dòng)式挑坎，且燕尾式挑坎沿程均未出現(xiàn)沖擊壓強(qiáng)，表明其挑流水舌未沖透水墊觸及水墊塘底板時(shí)其主流已發(fā)生偏轉(zhuǎn)，向下游擴(kuò)散，燕尾式挑坎水舌在空中面積更大，擴(kuò)散、摻氣、摩擦更充分，利用內(nèi)外兩股主流縱向拉伸水舌，沖擊水墊時(shí)攜帶動(dòng)能較小，余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，時(shí)均壓強(qiáng)整體沿程逐漸增大，出現(xiàn)一個(gè)谷值區(qū)，該區(qū)域?yàn)樗嘀髁鳑_擊區(qū)，隨著上游水頭的增大，水舌攜帶動(dòng)能越大，谷值區(qū)也越大，谷值點(diǎn)為水舌主流偏轉(zhuǎn)點(diǎn)，隨后在下游形成巨大旋滾，攜帶大量空氣進(jìn)入水體，水體中產(chǎn)生大量氣泡，下游水體壅高，勢(shì)能增大，動(dòng)能減小，因此，水舌沖擊水墊下游段會(huì)出現(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)大于靜水壓強(qiáng)的區(qū)域。連續(xù)式、窄縫式及差動(dòng)式挑坎均產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)，表明其水舌攜帶動(dòng)能巨大，在空中擴(kuò)散不充分，水舌能量集中，在自由射流區(qū)，動(dòng)能并未充分消除，下泄主流沖透底板，產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)，其最大沖擊壓強(qiáng)分別為 20.8 kPa、40.8 kPa、8.3 kPa，窄縫式與差動(dòng)式挑坎沖擊壓強(qiáng)最大值較連續(xù)式挑坎分別增大96.2%、降低60.1%。

從圖6可知，燕尾式、直邊窄縫燕尾式挑坎沿程基本呈先增大后減小再增大的分布趨勢(shì)且均出現(xiàn)谷值區(qū)，直邊窄縫燕尾式挑坎谷值區(qū)較大，而曲面窄縫燕尾式挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程基本呈逐漸增大的分布趨勢(shì)且沒有出現(xiàn)明顯的谷值區(qū)?？梢?，曲面窄縫燕尾式挑坎對(duì)水流橫向收縮縱向拉伸后，水舌擴(kuò)散充分、均勻，沖擊水墊時(shí)，其攜帶動(dòng)能減小；而直邊窄縫燕尾式挑坎水舌能量更加集中，擴(kuò)散不充分，沖擊水墊時(shí)，其攜帶動(dòng)能增大。

2.2.2脈動(dòng)壓強(qiáng)

水墊塘作為防護(hù)下游河床的結(jié)構(gòu)，其自身穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)消能和防沖的關(guān)鍵所在。但對(duì)于底流消能及挑流水舌未沖透底板等情況時(shí)，未出現(xiàn)沖擊壓強(qiáng)，此時(shí)脈動(dòng)壓強(qiáng)也是一個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)控制指標(biāo)。脈動(dòng)壓強(qiáng)主要由主射流在分離或擴(kuò)散過程形成的大尺度漩渦所控制，由水體紊動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來。脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根值直接反應(yīng)了脈動(dòng)壓強(qiáng)的強(qiáng)度，也稱為脈動(dòng)強(qiáng)度[25]。因此，對(duì)各挑坎在不同上游水頭下脈動(dòng)強(qiáng)度的沿程分布進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 各體型挑坎下游水墊塘底板脈動(dòng)強(qiáng)度沿程分布

從圖7可以看出，連續(xù)式、窄縫式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度沿程基本呈先增大后減小的分布趨勢(shì)；差動(dòng)式、燕尾式、直邊窄縫燕尾式與曲面窄縫燕尾式挑坎沿程基本呈先增大后減小再增大再減小的分布趨勢(shì)；脈動(dòng)強(qiáng)度在沖擊區(qū)內(nèi)基本呈對(duì)稱分布，且在峰值點(diǎn)兩側(cè)逐漸遞減，沖擊區(qū)內(nèi)的主流向上下游旋滾、擴(kuò)散。各挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度隨上游水頭的增大呈增大的趨勢(shì)。燕尾式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度明顯低于其余3種挑坎，當(dāng)Hu=200.75 m時(shí)，連續(xù)式、窄縫式、差動(dòng)式、燕尾式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度峰值點(diǎn)分別位于x=0.75、0.75、0.78、0.67，相應(yīng)的值分別為49.4 kPa、66.3 kPa、33.0 kPa、20.0 kPa?？梢姡顒?dòng)式挑坎與燕尾式挑坎可有效降低水舌對(duì)下游水墊的沖擊，其中差動(dòng)式挑坎水舌挑距更遠(yuǎn)，脈動(dòng)強(qiáng)度峰值點(diǎn)相對(duì)位置最大，其水舌對(duì)水墊塘內(nèi)二道壩及下游岸坡沖刷不利，但燕尾式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度峰值及相對(duì)位置最小，相對(duì)于連續(xù)式、窄縫式、差動(dòng)式挑坎，其峰值分別降低59.5%、69.8%和39.4%，相對(duì)位置分別降低10.7%、10.7%和14.1%。因此，燕尾式挑坎可有效降低脈動(dòng)強(qiáng)度峰值及峰值點(diǎn)位置，且沿程未出現(xiàn)沖擊壓強(qiáng)，對(duì)水墊塘底板穩(wěn)定及下游岸坡防護(hù)更為有利。

比較兩種不同的窄縫燕尾式挑坎，曲面窄縫燕尾式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度最大值較小，而直邊窄縫燕尾式挑坎脈動(dòng)強(qiáng)度最大值較大，可見，曲面窄縫燕尾式挑坎對(duì)于水流的橫向收縮性及過渡性比直邊窄縫燕尾式挑坎要好。整體來看，窄縫燕尾式挑坎可加強(qiáng)水體橫向收縮，脈動(dòng)強(qiáng)度峰值點(diǎn)之前的值整體高于燕尾式挑坎，而峰值點(diǎn)之后的值整體低于燕尾式挑坎，因此，窄縫燕尾式挑坎有利于加強(qiáng)近壩區(qū)水體紊動(dòng)，可同時(shí)減弱二道壩區(qū)附近水體的紊動(dòng)，有助于減小水墊塘合適的保護(hù)長(zhǎng)度，可節(jié)省工程造價(jià)。

3 結(jié) 論

a.連續(xù)式與窄縫式挑坎均呈連續(xù)且密實(shí)的水舌，水舌能量較為集中，內(nèi)外緣挑距較大;差動(dòng)式挑坎水舌呈分層分股的形態(tài)特征，內(nèi)外緣挑距較大，對(duì)二道壩及下游沖刷不利，且近壩區(qū)水體未能充分參與消能。對(duì)于重力壩挑角為30°的挑坎，窄縫式挑坎未能呈現(xiàn)縱向拉伸的水舌形態(tài)，燕尾式挑坎水舌在空中呈掃帚狀，水舌面積增大且在空中擴(kuò)散、摻氣、摩擦更充分，入水寬度大大增加，有助于水墊摩擦消能，水舌攜帶動(dòng)能小且消散充分。

b.連續(xù)式、窄縫式與差動(dòng)式挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布均出現(xiàn)沖擊壓強(qiáng)且脈動(dòng)強(qiáng)度最大值較大，而燕尾式挑坎時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布未出現(xiàn)沖擊壓強(qiáng)且脈動(dòng)強(qiáng)度最大值較小，相比于上述3種挑坎最大值分別降低59.5%、69.8%和39.4%。可見，燕尾式挑坎應(yīng)用于高重力壩對(duì)于水墊塘底板穩(wěn)定性及下游消能防沖更為有利。