關(guān)于窄縫式挑坎發(fā)展的研究

蔣秋實(shí)

摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，人們對能源的需求日益增加，在高山峽谷地區(qū)的高壩建設(shè)迅速發(fā)展。近年為了解決泄洪消能技術(shù)難題，國內(nèi)外專家提出了多種挑流鼻坎的型式，其中將出口末端收縮很窄的窄縫式挑坎就是其中的一種新型型式。文章主要從窄縫式挑坎的體型參數(shù)及其在國內(nèi)外的研究進(jìn)展加以闡述，并指出了有關(guān)窄縫式挑坎體型結(jié)構(gòu)方面值得進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：泄洪效能；窄縫式挑坎；體型參數(shù)；研究進(jìn)展

1 概述

我國是世界上水能資源豐富的國家，現(xiàn)在已開發(fā)量僅為總可開發(fā)量的20%左右，尤其是在西部地區(qū)蘊(yùn)藏著極其豐富的水能資源，由于交通及地形地質(zhì)等條件的制約，高土石壩優(yōu)勢極其明顯，未來西部地區(qū)將建設(shè)近二十座高土石壩[1]。這些水利工程的主要特點(diǎn)是水頭高、流量大、河谷狹窄、以及水流流速高，如果泄流消能的問題得不到妥善解決，不僅會對樞紐中水工建筑物的安全運(yùn)行造成影響，還會使下游河床受到高速水流的嚴(yán)重沖刷，影響船只的正常通航，以及影響發(fā)電效應(yīng)，更甚至?xí)＜按髩蔚陌踩Ｒ虼耍沽飨芗夹g(shù)在水利工程中至關(guān)重要，由溢流壩下泄的水流必須妥善進(jìn)行處理[2]。窄縫挑坎消能工是利用變窄的泄槽邊墻迫使水流急劇橫向收縮，水深沿挑坎豎向擴(kuò)散，縱向拉開，充分摻氣，出坎水舌增高，從而加大水舌入水長度和面積，減小單位面積入水能量從而達(dá)到泄洪消能目的。解決了高流速、大流量和河谷窄等消能難題，并應(yīng)用在三峽、隔閡巖、龍羊峽、二灘、溪洛渡和水布埡電站等大型工程，取得了很好的消能效果[3]。

2 窄縫式消能工概述

2.1 窄縫式消能工的體型參數(shù)

窄縫挑坎的體型選擇，主要包括挑坎出口挑角、側(cè)向收縮比（或側(cè)收縮角）、收縮段長度、出口斷面形式、邊墻高度、挑坎反弧段半徑等參數(shù)[4]。

（1）挑角：等寬挑坎的挑角一般為20°～40°。而窄縫式挑坎與其不同，其挑流目的是為了讓水舌在空中充分?jǐn)U散，使其水舌的外邊緣射程L1盡量大，水舌內(nèi)邊緣射程L2適當(dāng)小，也就是使水舌沿射流方向盡量拉長。研究表明，水舌外邊緣射程L1可以通過調(diào)整挑坎收縮段進(jìn)出口寬度比值（即收縮比）來控制，水舌內(nèi)邊緣射程L2則是受出口挑角的影響。因此，窄縫挑坎挑角一般很小，一般取0°。

（2）收縮段長度：初步分析，收縮段長度越長時，側(cè)墻壓力分布就越均勻，最大壓力值將會減小，但是工程量會相應(yīng)加大。目前已建工程的收縮段長度取值為：龍羊峽25m，東江30m，水布埡25m。

（3）收縮比β：收縮比β是指挑坎出口斷面寬度b與收縮起始斷面寬度B的比值。它是決定窄縫式消能工消能效果的重要參數(shù)。國內(nèi)已建的水利工程的收縮比取值為：龍羊峽β=0.38；巖灘β=0.368；安康β=0.40；水布埡β=0.25。

（4）出口斷面形式：窄縫式挑坎出口斷面形式可以是矩形、體型、Y型及V型，也可以是不對稱的其他形式。出口斷面形式的選擇可以根據(jù)不同工程條件選取合適的形式[5][6]。

2.2 窄縫式消能工的消能效果

消能效果的評判最終歸結(jié)為對下游河床的沖刷程度。窄縫式挑坎與等寬挑坎不同，它利用側(cè)墻的收縮，將出口過流寬度縮窄為原寬度的（1/3～1/5），鼻坎的挑角很小，甚至可以為負(fù)角。使得通過挑坎的水流兩側(cè)向中間匯集，發(fā)生碰撞。形成的射流橫向收縮，縱向拉長，使得水流的紊動作用更加劇烈，水舌與空氣的接觸空間也加大。在摻氣和空氣阻力的作用下，射流會消耗大量能量，從而減輕對下游河床的沖刷作用[7]。窄縫消能工既是消能結(jié)構(gòu)，又可以改變射流方向，使水流與下游河床主流方向一致，大大地提高了消能效果。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

窄縫式消能工在國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，早在20世紀(jì)50年代，窄縫式消能工就開始應(yīng)用于水利工程中。1954年，葡萄牙人首先將窄縫挑坎應(yīng)用于卡勃利爾（Cabril）樞紐中的泄洪洞出口末端。之后的10多年中，西班牙、法國、伊朗和南斯拉夫的許多工程也相繼采用了這種消能型式[8][9]。這是在水利工程中的一個重大創(chuàng)新與突破。20世紀(jì)70年代末，我國效仿其他國家的工程開始對一些擬建工程進(jìn)行窄縫式挑坎挑流消能的試驗(yàn)研究。1978年中國水利水電科學(xué)院李桂芬、高季章，首次系統(tǒng)的研究了窄縫挑坎的水流特性。80年代初期，窄縫式挑坎首次被推薦到湖南東江水電站的右岸溢洪道上采用。1981年董顯武、蘇祥林等通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定了窄縫挑坎的一些具體參數(shù)，并已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際工程。到1995年，通過對原型進(jìn)行觀測分析，證實(shí)了這一新型收縮式消能工還具有更多的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

目前，在我國先后已有東江、龍羊峽、東風(fēng)、李家峽、天生橋一級、隔河巖、漫灣、水布埡、三峽等大型水電站泄洪建筑物采用了窄縫挑坎挑流消能，取得了良好的消能效果。國內(nèi)很多知名學(xué)者和教授對窄縫挑坎挑流消能進(jìn)行了大量的研究，取得了很大的技術(shù)成果。對于窄縫挑坎的研究，其中包括對稱曲線窄縫挑坎輻射收縮角的計算方法；水舌的挑距計算；邊墻曲線的計算；邊墻水深的計算；邊墻的動水壓強(qiáng)特性的研究；窄縫內(nèi)急流沖擊波的分析計算；水面線的計算以及挑坎內(nèi)的水力特性三維數(shù)值的模擬研究等等，取得的研究成果對工程建設(shè)有很大的幫助。但是對窄縫挑坎挑流消能的研究還未結(jié)束，還存在一些問題尚未解決。例如：窄縫挑坎挑流的挑距的精確算法；影響窄縫挑坎挑流消能的參數(shù)間的關(guān)系；窄縫挑坎內(nèi)水流的紊動特性以及在工程設(shè)計伊始各個體型參數(shù)的設(shè)計等等，這都需要我們對窄縫挑坎挑流消能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]顧圣平，田富強(qiáng)，徐得潛.水資源規(guī)劃及利用[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]許學(xué)問.對稱曲面貼角窄縫挑坎水力特性數(shù)值分析[D].2011.

[3]黃秋君，吳建華.收縮式消能工的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，36（02）：219-223.

[4]趙欣.窄縫挑坎體型選擇[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010（02）.

[5]王治祥.窄縫式挑坎強(qiáng)化消能與體型問題研究[J].紅水河，1994（02）.

[6]陳忠儒，陳義動.窄縫式消能工的水力特性及其體型研究[J].水利水電科技進(jìn)展，2003，23（02）：25-29.

[7]吳文平.窄縫挑流的沖刷特性[J].陜西水力發(fā)電，1996，12（02）：11-13.

[8]周石權(quán).淺談?wù)p式消能工在泄水建筑物中的應(yīng)用[J].人民長江，1989（11）.

[9]肖興斌.窄縫式消能工在高壩消能中的應(yīng)用與發(fā)展綜述[J].水電站設(shè)計，2004，20（3）：76-81.