泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究

泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究

谭哲武，王均星

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点试验室，武汉 430072)

摘要：采用物理模型试验的方法，在综合考虑燕尾挑坎、窄缝挑坎2种消能工各自特点的基础上，针对长河坝水电站2#泄洪洞挑流水舌所必须达到的挑射效果，进行了窄缝燕尾新型组合挑坎的试验研究。从挑坎内部水流流态、出挑水舌形态以及下游消能防冲效果3个方面进行了燕尾挑坎、窄缝挑坎以及新型组合挑坎之间的对比试验。研究结果表明：新型的组合体型兼有燕尾挑坎与窄缝挑坎的优点，它在改善坎内水流流态、水舌形态、减轻下游河道冲刷方面起到了重要作用，同时也满足2#泄洪洞出挑水舌的限制要求。试验的研究成果可供类似工程参考。

关键词：泄洪洞；燕尾挑坎；窄缝挑坎；组合挑坎；消能

中图分类号：TV653文献标志码：A

收稿日期：2013-11-28；修回日期：2013-12-24

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51479009)

作者简介：金中武(1976-)，男，湖北崇阳人，高级工程师，博士，主要从事河流泥沙动力学方面的研究，(电话)027-82927479(电子信箱)zhongwujin@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.009

1研究背景

针对高水头大流量泄洪洞的消能，常规采用造价经济且施工方便的挑流消能方式[1-2]。挑流消能工里常用的有连续挑坎与窄缝挑坎。窄缝挑坎[3-4]作为一种高效的收缩式消能工，它是利用挑流鼻坎边墙末端的急剧收缩而形成窄而深的缝隙挑坎。其消能方式是借助侧壁的收缩促使水流变形，加剧紊动和掺气促使水流有效碰撞，从而形成竖向和纵向扩散的扫帚状水舌形态。窄缝消能工有助于水舌在空中的拉伸与扩散，减轻了对下游河道的冲刷，且便于控制水流转向，但是挑坎及边墙均会产生强烈的流激振动现象；冲击波较为激烈，所形成的水花飞溅易冲刷部分建筑物；挑坎挑角一般较小，水舌挑距受到抑制[1]。自葡萄牙的Cabril拱坝率先采用窄缝挑坎之后，窄缝挑坎得到迅速的发展，我国目前有数项工程也采用窄缝挑坎，例如龙羊峡电站、水布垭电站等[3]。

燕尾挑坎[5]是在常规连续式挑坎的底板上开一个空腔，使挑坎的底板上形成一个缺口，出挑水流首先从缺口前端射出，缺口周围的水流沿着底板向前流动，对两侧而言中间形成一个临空面，两侧水流不断从缺口处射出。水舌的纵向扩散主要是因为两侧的水流往中间的临空面射出而形成，所以边墙基本不受高速水流的冲击作用；同时缺口一般靠近挑坎的最低点，起挑流量较小也可以适用于较低水头的泄流；挑角一般较大，水舌挑距较大，但是水舌纵向扩散程度不易，通常需要在较大挑角条件下才能达到充分扩散。目前，燕尾挑坎正处于试探性应用阶段，在锦屏一级泄洪洞挑流消能、南椰溢洪道挑流消能中都进行了应用，且效果显著。

燕尾挑坎与窄缝挑坎都促使了水舌的纵向拉伸，加剧了紊动掺气。研究二者的组合特性，其目的在于克服单纯窄缝挑坎严重的流激振动现象和水舌挑距不够的缺点以及单纯燕尾挑坎水舌纵向拉伸不易和水量分布不均的缺点，寻求一种能够兼具上述二者挑坎优点而达到优势互补效果的新型组合挑坎，满足该工程的特殊要求。

2工程概况

长河坝水电站系大渡河干流水电规划22级的第10级，水库正常蓄水位1 690.00 m，总库容10.75×108m3，装机容量2 600 MW，为Ⅰ等大(1)型工程。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m。千年一遇设计洪水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条泄洪洞组成，从左至右编号1#，2#，3#，洞长分别为1 362，1 508，1 540 m。1#洞为短有压进口后接无压洞；2#，3#洞均为敞开式无压隧洞，3条洞出口均采用挑流消能的方式进行联合消能。

由于受到下游两岸地形的限制，前期的研究工作中已经确定了1#泄洪洞采用斜切式扭曲挑坎，3#泄洪洞采用扩散式斜切挑坎。该2种挑坎的出挑水舌在空间上呈非平行分布且未交叉，但是二者之间的剩余空间范围狭窄，而且最远水舌落点相差不大，间距较小。这就要求2#挑坎的水舌有充分的纵向拉伸来避免水舌之间的叠加引起能量集中而加剧河床的冲刷；同时也需要有足够远的挑距避免冲刷本岸。鉴于此，本文在2#泄洪洞已采用挑坎型式的基础上进行组合挑坎的研究。

2#泄洪洞由开敞塔式进口段、无压隧洞段和出口挑流鼻坎段组成。进口塔体长×宽×高为36.5 m×28.0 m×37.5 m，无压城门洞断面尺寸为17.0 m×18.0 m、14.0 m×18.0 m、14.0 m×15.0 m这3种。从桩号1+498.00 m位置起挑，起挑点高程为1 500.00 m，隧洞纵坡i=0.108 48，单洞最大泄量3 138 m3/s。2#泄洪洞纵剖面布置图如图1所示。

图1　2 #泄洪洞纵剖面布置 Fig.1　Longitudinal profile of the layout of flood release tunnel 2 #

3模型制作与挑坎方案

3.1　模型制作

模型采用比尺为50的水工整体正态模型，按重力相似准则设计[6]。模拟的范围包括：放空洞进口上游200 m至放空洞出口下游800 m，上游最高高程为1 697.00 m，下游最高高程为1 500.00 m；下游动床范围为厂房尾水出口上游100 m至放空洞出口下游500 m。其详细布置见图2所示。

图2　长河坝水电站水工模型布置 Fig.2　Layout of physical model of Changheba Hydropower Station

3.2　挑坎方案

基于长河坝2#泄洪洞挑流鼻坎的研究，分别从3种不同类型的挑坎方案中遴选出各自最优的挑坎方案。试验针对最优的燕尾挑坎、窄缝挑坎、组合挑坎方案，分别进行挑坎内部水流流态、水舌形态、下游消能防冲3方面进行研究，并对试验结果进行对比分析。燕尾挑坎、窄缝挑坎、组合挑坎的具体参数如图3和表1所示。

图3　3种挑坎形状及尺寸 Fig.3　Shapes and dimensions of the three flip buckets

表1　燕尾挑坎、窄缝挑坎、组合挑坎参数 Table 1　Parameters of swallow-tail bucket, narrow- slit bucket, and the combined bucket

4模型试验及结果分析

试验在正常运行工况条件下进行研究。该工况为上游来流2 298 m3/s，上、下游水位分别为1 690,1 481 m，闸门状态为全开。

表2　水舌形态参数 Table 2　Parameters of water jets of the three buckets

图4　3种挑坎内部 水流流态 Fig.4　Flow patterns in the three buckets

4.1　挑坎内部水流流态

4.1.1挑坎内部外观流态

在正常运行工况条件下，3种挑坎内部的水流流态如图4所示。

试验结果表明：①燕尾挑坎由于底板缺口的存在，使得水层有偏向于中间临空面的趋势，使得表层水流表现为少量的交汇，但整体流线趋于平行，且无激流冲击波和振动产生；②窄缝挑坎内部高速水流受边墙约束而交汇产生强烈的冲击波流态复杂。受迫水流对边墙产生反作用力引起挑坎振动，同时冲击波也加剧了挑坎的振动，使得挑坎振动最为明显和强烈；③组合挑坎内部水流也受到边界约束而存在激流冲击波的现象，挑坎振动较为明显但是较窄缝挑坎程度低，较燕尾挑坎程度高。

4.1.2水面线分布

3种挑坎坎内水面线分布如图5所示，参考各挑坎底板曲面和空间高程1 500 m同一平面，3种挑坎内部水面线均表现为沿程增高的趋势。由图5可以看出：①燕尾挑坎水流流向不受边壁约束，同时由于缺口的存在使部分水流从挑坎底板下端射出，因此水深较浅在5.20 ～8.70 m变化。但是受到挑坎大挑角的影响，挑坎内部水面线较高，挑流效果明显；②窄缝挑坎两侧边墙急剧收缩，水流迫受边壁约束而偏向轴线流动，内部水深在5.28 ～10.90 m变化，增长幅度最大。由于窄缝挑坎挑角较小，因而挑坎内水面线较低挑流效果不显著；③组合挑坎内部水流受边壁约束水深较深，在5.30 ～9.80 m变化，介于窄缝和燕尾挑坎内水深之间。组合挑坎挑角较大,因此坎内水面线分布较高,水流起挑效果明显。

图5 3种挑坎内部水面线分布Fig.5 Distributionofwatersurfacelineinthethreeflipbuckets

4.2　水舌形态

图6　挑坎水舌外观形态 Fig.6　Visual forms of water jets in the three buckets

水舌形态的参数及外观形态分别如表2和图6所示。

结合图6中所示的实测水舌内外缘轮廓线，通过不同的理论计算方程绘制轮廓线与之拟合，最终得出较为接近的挑距计算公式为：3种挑坎水舌外缘挑距按质点自由抛射理论[7]公式(1)计算，水舌内缘挑距计算中燕尾挑坎依然按自由抛射理论公式计算，窄缝燕尾组合挑坎水舌内缘挑距按平抛理论公式计算，窄缝挑坎水舌内缘挑距按公式(2)计算；水舌的入水角[4]统一按公式(3)计算。

(1)

(2)

(3)

式中：L为挑距；v0为出坎初始流速；θ为挑角；θ下为下缘轮廓线挑角；a为坝高；ht为下游水深；h1为挑坎内部水深；Fr为弗劳德数；β为水舌入水角；φ为流速系数；S为上游水面至挑坎顶部高差。

结合水舌的轨迹曲线和入水角度，最终得水舌的理论计算值与实测值在空间的分布如图7所示。

图7　水舌理论计算与实测轮廓线分布 Fig.7　Contours of water jets by theoretical calculation and model test

由图7可知，理论的外缘挑距和内缘挑距均大于实测值，这是因为理论计算忽略了水舌在空中的分散、掺气以及阻力等因素影响，从而使计算值偏大。燕尾挑坎水舌与组合挑坎的水舌轮廓形状相似，均表现为扫帚状的水舌形态，但是组合挑坎水舌外轮廓面积大于燕尾挑坎水舌的外轮廓面积，窄缝挑坎水舌外轮廓面积最小。综合比较实测值与理论值均在误差允许范围之内，水舌外轮廓也基本相同，说明了试验数据的准确性。

在同样来流条件下，燕尾挑坎水舌厚重，单位体积水量大，挑流扩散不够充分；窄缝挑坎水舌拉伸较燕尾挑坎效果好，但是水舌形状受冲击波影响较大，水冠飞溅流态凌乱，影响了挑坎周边建筑物的安全；组合挑坎水舌拉伸充分均匀，扩散程度最好，整体外观流态达到了良好的视觉效果。

4.3　下游消能防冲

下游河道消能防冲研究可用来评定挑坎体型的优劣。本文以冲坑深度、岸边回流流速、涌浪高程等指标来研究3种挑坎体型的消能特性。在正常工况条件下，试验数据如表3所示，冲坑范围见图8。

由图表数据可知:①在动床模拟范围内燕尾挑坎回流流速最大，对岸坡的冲刷最严重，同时涌浪高较大，水流波动更为剧烈；冲坑较深，冲坑范围较大，地形较平缓，堆丘高程最低，下游河道散粒体石料冲击位移较大；②窄缝挑坎岸边回流流速最小，涌浪高最小，冲坑深度与燕尾相差不大，但是冲坑范围较燕尾小坡度较陡，下游河道散粒体石料冲击位移小于燕尾挑坎；③组合挑坎兼具有上述二者的特点，即岸边回流流速小于燕尾挑坎大于窄缝挑坎，涌浪高小于燕尾挑坎大于窄缝挑坎，冲坑深度最小，冲坑范围较燕尾挑坎小较窄缝挑坎大，堆丘高程与窄缝基本相同，下游河道散粒体石料冲击位移与窄缝相差不大。

表3　下游动床试验数据 Table 3　Test data of downstream movable bed

图8　冲坑地形等高线 分布 Fig.8　Contours of scour pit for the three buckets

分析原因，燕尾挑坎水舌挑角较大，水舌最高点较高，单位体积水量以及入水角较大，水流跌落撞击剧烈，致使岸边回流流速大且涌浪较高。按照入水面积A≈Q/(vsinβ)理论，3种挑坎的入水面积均相差不大，对比燕尾挑坎，窄缝挑坎能够减轻下游河床的冲刷是因为挑流水舌入水之后主要是横向扩散，它改变了水舌入水面积的形状，增大了河床表面的承压面积，减轻了对下游河床的冲刷[3-4]。燕尾挑坎水舌入水之后在水垫层中主要是纵向扩散，通常燕尾挑坎对于河床的承压面积小于窄缝挑坎，同时燕尾挑坎单宽流量较大，单位体积水量较大，能量较集中，从而加剧了对冲坑的冲刷，使得散粒体石料冲击位移较大。组合挑坎纵向拉伸均匀，单位体积水量较小，水舌入水扩散方式与窄缝类似，减轻了对下游河道的冲刷。

5结论

(1) 3种体型的挑坎均能挑射不冲刷岸坡的最小挑距的水舌，满足工程要求。但是就挑坎流激振动强度、坎内水深水面线分布、挑流效果等因素分析组合挑坎要优于窄缝挑坎；相比于燕尾挑坎，组合挑坎的挑流效果更明显。

(2) 组合挑坎水舌可以抛射的最高点和最远挑距均大于燕尾挑坎和远大于窄缝挑坎。水舌在空间纵向平面面积最大，纵向拉伸效果明显优于燕尾挑坎和窄缝挑坎，同时水舌能够达到良好的视觉效果。

(3) 在相同工况条件下，组合挑坎水舌单宽流量最小，单位体积水量最小，空气中摩擦掺气消能最为充分，有助于下游河道的消能。

(4) 对比燕尾挑坎，组合挑坎下游动床区岸边回流流速小、涌浪波高范围小、冲坑深度小、堆丘高程高、散粒体石料冲击位移小，对下游河道的冲刷轻。对比窄缝挑坎，二者堆丘高程以及下游河道散粒体石料冲击位移基本相同，但是窄缝挑坎冲坑深度更大。

(5) 窄缝燕尾组合挑坎，减轻了高速水流产生的激流振动现象，改善了水舌在空间纵向拉伸的效果，减弱了对下游河道的冲刷，弥补了燕尾挑坎和窄缝挑坎单方面的不足，适应了高水头大流量条件下的2#泄洪洞水舌挑射要求和下游消能防冲的要求。

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(编辑：刘运飞)

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