挑流消能工研究現狀及其應用

2017-03-09 01:48:02閆路明

四川水力發(fā)電 2017年1期

閆路明

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

挑流消能工研究現狀及其應用

閆路明

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

挑流消能在我國水利工程建設中具有廣泛的應用，尤其是近年隨著我國水電建設事業(yè)向西南地區(qū)轉移，結合當地高山峽谷、大流量、高水頭等突出特點，水電工作者們對挑流消能工體型進行了大量的研究工作，已經由傳統的連續(xù)式挑坎、差動式挑坎發(fā)展出了寬尾墩、窄縫、扭曲斜切坎以及燕尾坎等多種表現優(yōu)異的新型挑坎，其中尤以燕尾坎的出現大幅提升了我國挑流消能工的研究水平，為我國挑流消能領域的發(fā)展以及工程建設做出了不可多得的貢獻。

挑流消能；連續(xù)坎；收縮坎；擴散坎；差動坎；燕尾坎

1 概述

改革開放以來，我國的水利水電建設事業(yè)飛速發(fā)展，建成和在建一大批具有世界頂尖水平的大型樞紐工程，如二灘、三峽、小浪底、溪洛渡、向家壩、糯扎渡、錦屏一級、白鶴灘等等。這些工程基本都具有水頭高、流量大、河谷狹窄等特點，為了適應工程建設的需要，研發(fā)了一系列泄洪消能的新技術，這些技術使我國在泄洪消能領域方面的研究處于世界領先水平。

挑流消能作為一種傳統的消能工形式，由于其結構簡單、消能效果突出以及與下游河道易銜接等突出特點在水利工程上得到了廣泛的應用。它借助泄水口末端設置的挑坎，使水流在空中擴散、摻氣或者碰撞，通過增大進入下游河道的入水面積實現單位水體能量的分散，減小其對于下游河床的沖刷破壞。近年來，隨著我國水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，水利水電工作者們在傳統的挑流消能工基礎上，研究了許多新型的挑坎形式。

2 挑坎的形式及應用

2.1 續(xù)式挑坎

連續(xù)式挑坎是最傳統、最基本的挑流消能工形式，它是通過在泄槽底板末端設置具有一定反弧半徑的圓弧曲面使得水流在挑坎末端具有一定的挑射角，從而將水體挑離建筑物，實現與下游河道的銜接。由于連續(xù)式挑坎出口挑角單一，水流入水集中[1]，目前工程上已經較少使用，典型連續(xù)坎見圖1。

圖1 連續(xù)挑坎

2.2 收縮式挑坎

收縮式挑坎是在連續(xù)式挑坎的基礎上，利用邊墻的側向收縮實現水流橫向束窄，水流受邊墻擠壓將在立向上大幅拉伸從而在挑坎末斷面由于流速的差異形成不同挑角，最終進入下游河道形成一條狹長連續(xù)的呈“一”字型的帶狀入水區(qū)域。

傳統的收縮式挑坎包括窄縫挑坎(圖2(a))以及寬尾墩挑坎(圖2(b))。窄縫挑坎國外應用較早，葡萄牙、法國、伊朗、西班牙等國都有應用，我國首先采用則是在東江水電站，原型觀測表明效果良好，該挑坎適宜于應用在河谷比較狹窄的岸邊泄水建筑物；寬尾墩是將壩身墩體延長并逐漸在橫向收縮，上世紀70年代，我國創(chuàng)造性地將寬尾墩應用于潘家口水電站[2]并取得了良好的效果。

然而，由于傳統收縮式挑坎使流道水體在立向上大幅拉伸，挑坎側墻的動水壓強勢必變得非常大，錦屏一級岸邊溢洪道初設方案采用窄縫挑坎其邊墻動水壓強達到了40×9.81kPa，這對挑坎的結構設計造成了很大的困擾；而寬尾墩由于靠近泄水孔進口，其流道水深的增高將增大弧形工作閘門的設計難度，嚴重的甚至影響閘孔的泄流能力；另外，由于挑坎的側墻收縮引起的水舌上部不穩(wěn)定，水翅也成了常規(guī)收縮式挑坎的一個問題。

針對常規(guī)收縮式挑坎的上述問題，鄧軍、段鴻鋒[3]提出了一種在孔口側壁貼楔形三角形的挑坎形式(圖2(c))，該挑坎部分保留了常規(guī)窄縫挑坎的橫向收縮功能，流道水深增加不顯著，并且由于邊壁收縮平緩，水舌穩(wěn)定，基本沒有水翅產生，該挑坎主要應用于高拱壩壩身表孔。后來有研究者針對貼角楔形體挑坎的特點，將其底板部分鏤空，實現了水舌的進一步拉伸，并且也使水舌近端落點向壩身靠近以減弱對下游水墊塘尾坎的沖擊(圖2(d))。受鏤空型楔形體挑坎的啟發(fā)，有研究者將常規(guī)窄縫挑坎底板進行部分鏤空，從而也同樣實現了水舌的縱向拉伸(圖2(e))。這幾種新型的收縮式挑坎結構簡單，水舌拉伸效果良好，并且解決了常規(guī)收縮式挑坎側墻動水壓強過大以及水翅強烈的相關問題，具有很廣的應用前景。

圖2 收縮式消能工

2.3 擴散式挑坎

擴散式挑坎是將挑坎邊墻橫向拓寬，利用水流自身的擴散作用實現水流入水面積的大幅增加。目前水電工程界出現的擴散式挑坎包括：斜切坎(圖3(a))、扭曲坎(圖3(b))、舌形坎(圖3(c))、短邊墻擴散挑坎(圖3(d))。

斜切坎坎頂與水流流向斜交，挑距沿程變化，適用于寬度相對較小的岸邊泄水建筑物；扭曲坎在斜挑坎基礎上發(fā)展而來，將底板設置成長邊墻側高、短邊墻側低的連續(xù)扭面，使水舌在空中翻轉變形并落在河床中心線附近，適用于河谷狹窄的岸邊泄水建筑物[4]，國內的瀑布溝水電站岸邊溢洪道即采用了扭曲挑坎[5]；舌形坎因其往前伸出一段舌形底板而得名，水舌一部分在離開側墻后即開始向空中擴散而另一部分受舌形底板頂托，直至底板末端才開始向空中拋射，該挑坎主要應用于高壩表孔或者深孔；短邊墻坎也稱不對稱邊墻鼻坎，鼻坎左右兩側的邊墻長短不同，目的是對挑流水舌產生一個導向作用，按著預定的方向拋射并在縱向和橫向上拉開。

圖3 擴散式消能工

2.4 差動式挑坎、高低坎

差動坎(圖4(a))運用齒、槽相間使齒的挑角大于槽的挑角，水舌挑射時上下層錯開，但是由于齒的凸體結構，具有較高的空化空蝕破壞風險。國內漫灣水電站、白山水電站均采用了大差動挑坎，烏江渡水電站泄水建筑物局部采用了大差動布置[6]。高低坎(圖4(b))與差動坎類似，只是把差動坎的坎槽進行了分離錯置，常用于重力壩的表孔，如白山電站；利用坎的高程差，當各坎射流同時挑射出去時，在空中互相沖擊而抵消大量能量，對改善下游河床沖刷有明顯效果。鄧軍[7]提出了一種底板局部鏤空的挑坎，因形似燕尾而取名燕尾挑坎(圖4(c))，該挑坎創(chuàng)新性突出，雖然挑射原理依然類似于差動坎，但是克服了差動坎易發(fā)生空蝕破壞的缺點。燕尾挑坎能夠適應不同流量的起挑，并且具有非常優(yōu)異的消能防沖表現，錦屏一級泄洪洞設置該挑坎并泄水，效果非常理想。