挑坎水舌运动轨迹控导措施研究

侯冬梅，占桂泉，王才欢，杜 兰

(1.长江科学院水力学研究所，武汉 430010;2.浙江省衢州市水利水电勘测设计有限公司，浙江衢州 324002)

1 研究背景

挑流消能是应用最广泛的一种消能方式，它利用挑坎将水流尽量挑离建筑物，利用水舌在空中扩散掺气和下游水垫中消能，减轻下泄水流对河床的冲刷，确保相关建筑物的泄洪安全。挑流消能虽然是一种比较经济且施工方便的消能方式，但缺点是:挑射水流对下游河床冲刷较为严重，故其泄洪消能冲刷要准确估计和妥善处理，以免影响水工建筑物的安全;泄洪时下游流速和波浪较大，对岸坡、导墙有回流淘刷和冲刷作用;挑射水舌大量掺气造成的水雾以及因水舌跌落引起的下游水面波动和冲坑堆渣影响发电和通航。近年来，随着挑流鼻坎工程应用和科学研究的逐步发展，提出了一些新型挑流鼻坎消能工形式，比如采用大差动挑坎、宽尾墩、掺气分流墩、窄缝挑坎或是扩散鼻坎等能起到拉伸水舌，分散落点的作用，降低了射流入水的单位面积流量(能量)，大大减轻了下泄水流对河床的冲刷作用［1－8］。大差动挑坎和扩散挑坎可起到较好的水舌扩散效果，从而减轻局部冲刷，而窄缝挑坎除具有较好的水舌纵向拉伸效果外，还具有很强的水舌导向功能，在高坝建设中较有发展前途，尤其适用于狭窄河谷岸边泄洪建筑物工程。比如西班牙的阿尔曼德拉拱坝岸边溢洪道出口采用窄缝式消能工，能使水舌纵向拉开，左右扩散，减轻冲刷，其导向作用使水流顺河床而不冲刷对岸窄谷山坡。龙羊峡工程右岸3孔泄槽溢洪道采用分层对称曲面贴角窄缝挑坎，坎底有梯形平面倒坡，两侧曲面贴角对称，与直墙式对比，窄缝挑坎水舌纵向拉开宽度增大40%，冲深减小36%，边墙高亦降低72%;中孔泄水道采用导向凹边墙一侧曲面贴角挑坎，凸边墙的一侧收缩直墙体型挑坎，水舌入水纵向拉长达120 m，消能防冲效果良好。东江双曲拱坝两侧对称潜孔滑雪道采用左右位置错开的窄缝挑坎，冲深较常规挑坎减小80%;李家峡水电站底孔泄水道采用立墙转弯窄缝挑坎，其体型由2条非同心、不等长半径的圆弧与之相切的2条直线组成，挑坎水舌形态除具有一般窄缝挑坎沿纵向充分拉开的优点外，还受侧墙转弯及导向的影响，使水舌在空中稍稍倾斜，加大了入水面积，减少了单位能量，使高速水流通过弯道控制，有目的地改变出流方向，从而使其顺应河势达到消能转向的目的。水布垭溢洪道采用台阶分区非对称窄缝挑坎，5个溢洪道水舌错落有致地落入下游河床，尤其是右边5#孔，采用偏右2 m方案，入水点避开了正对电厂尾水平台，右偏后水舌截断岸边回流，这对于减轻临近消能区的电厂尾水淤积起到关键作用。

本研究成果依托某工程泄洪洞出口消能工体型优化试验［9］，对常规挑坎、平面扩散型和纵向扩散型消能工(窄缝挑坎)方案的挑坎水舌特性进行了系统研究，其中重点对窄缝挑坎消能工的鼻坎体型对水舌运动轨迹、水舌形态、入水范围的控导作用进行了初步探讨。

2 依托工程概况

该工程主要泄水建筑物为表孔溢流坝和岸边泄洪洞，最大坝高为91.4 m。岸边泄洪洞全长336 m，为有压圆形隧洞，洞径5.5 m，包括进口段、洞身段以及出口段。进口段包括喇叭口、闸室，采用竖井式进水口，闸底板高程1 056.0 m。洞身段由斜洞段、平洞段、转弯段和渐变段组成，斜坡段的纵坡为0.002 8，转弯段半径为16.5 m，中心角为40.4°，出口洞线与河道岸坡走向大致呈50°交角。泄洪洞出口段由工作闸室及出口消能工组成。出口尺寸为5.5 m(宽)×5.0 m(高);工作门为弧形闸门，半径为8.0 m，底板高程为1 042.0 m;出口采用挑流消能工，位于溢流坝鼻坎下游150 m。平面布置及泄洪洞纵剖面如图1和图2所示。

图1 总平面布置图Fig.1 Plan of general layout

图2 泄洪洞纵剖面图Fig.2 Profile of flood discharge tunnel

该工程下游河道基岩为抗冲流速较低的灰岩，泄洪洞出口轴线方向与下游河床呈50°斜角，不利于水流归槽，出口河道狭窄，最小宽度约30 m，泄洪对狭窄河道的对岸顶冲的消能防冲问题较为突出。因此，针对上述水力问题开展了1∶70水工整体模型试验研究，采用动床模拟河床基岩的方法研究消能防冲问题，按模型砂石散粒体抗冲流速与原型河床基岩的抗冲流速相似选取相应散粒体，模拟基岩顶高程1 030 m，模拟原型泄洪25 h。

3 常规挑流出口消能工试验成果

该泄洪洞设计方案挑流消能工为常规挑流消能工，见图3。弧形工作门后为10 m长平直段(底高程1 042.0 m)，后接半径25 m的反弧，鼻坎出口高程1 044.0 m，鼻坎进出口宽度均为5.5 m，平面上以90m半径偏向上游。

图3 设计方案挑流消能工布置图Fig.3 Layout of energy dissipator in the design scheme

经整体模型试验验证，常规挑流消能工挑射水舌内缘距出口45 m，外缘落点距出口60 m，入水宽度为10 m左右，挑坎水流入水集中，水流潜入下游水面以后，沿着水流出口方向直冲狭窄河谷的对岸山坡，形成较大岸边涌浪，右岸存在较大回流。集中下泄的水舌对下游河床产生严重局部冲刷，在校核流量430 m3/s条件下的最大冲坑深度达30 m，在设计流量390 m3/s条件下的最大冲坑深度达27 m，最低冲坑均位于外缘落点处的河道左岸边，岸坡冲刷严重，危及岸坡稳定。典型泄洪流态和下游河床冲淤形态如图4、图5所示。

图4 设计方案挑流消能工水舌形态Fig.4 Nappe shape of bucket dissipator in the design scheme

图5 设计方案挑流消能工下游河床冲刷形态Fig.5 Riverbed erosion patterns in the downstream of the energy dissipator in the design scheme

4 平面扩散型出口消能工试验成果

针对设计方案存在水舌在空间未能得到充分扩散，集中落入下游河床，造成涌浪高、回流大、冲刷深的问题，结合本工程实际，要改善下游流态，必须使水舌在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能，增大水舌出坎宽度，使水舌横向、纵向充分扩散，减轻对河床冲刷，减小水舌入水角度，降低涌浪对岸坡冲刷。因此，对挑坎消能工体型进行了优化研究，拟采用平面扩散挑坎分散水舌，综合考虑施工工艺、空化特性等因素，研究对比了挑坎出口左低右高直线型、中间高两侧低折线型的大挑角平面扩散消能工，两侧墙均为直线型，扩散角为8°。试验研究发现，平面扩散型鼻坎挑射水流平面充分扩散，水舌形态如图6所示。

当出口挑坎末端断面为左低右高直线型时，左岸挑角为0°，右岸挑角为30°，挑坎水舌沿斜出口横向扩散，右侧高坎水体挑向高处，左侧低坎水体挑向远处，水舌入水落点由常规挑坎的一点扩散为一条折线，范围几乎覆盖整个河床宽度，入水曲线长度约60 m，平面扩散后水舌水体单薄，外内缘最远处离出口约55 m，左岸落点离出口约35 m，距离左岸边约10 m，右岸落点离出口约30 m，紧贴右岸山体边坡;当出口挑坎末端断面为中间高两边低的折线型时，两边挑角为0°，中间高坎挑角为30°，挑坎水舌中间水体挑高，横向充分扩散，入水落点呈一条弯曲的曲线，散落至整个河槽断面，平面扩散后水舌水体单薄，外内缘最远处离出口约50 m，左岸落点离出口约40 m，距离左岸边约5 m，右岸落点离出口约35 m，距离右岸山体边坡约5 m。总的来说，上述2种平面扩散型挑坎均能将水舌横向充分扩散，水舌入水单宽能量大大减少，但该消能工对水舌入水后主流方向的控导作用不明显，由于河道狭窄，出坎流速较大，挑坎水舌入水后主流仍将直冲对岸，危及对岸山体边坡安全;横向扩散水舌离两岸山体边坡的安全裕度不够，因此，该平面扩散型挑坎消能工不适宜于河谷狭窄工程。

图6 平面扩散型出口消能工水舌形态Fig.6 Nappe shape of bucket dissipator in the planar-diffusion energy dissipation scheme

5 纵向扩散型出口消能工试验成果

由于该工程下游河道横向扩散空间有限，为减小水舌主流与主河床的夹角，避免水舌直冲对岸，需将挑坎水舌出流后运动轨迹导向右侧，才能使水舌入水方向尽可能顺应河道水流方向，避免冲刷河岸。因此，试验研究了具有较好导向作用的窄缝消能工方案，使出口水流沿河道方向纵向充分拉伸。

由于泄洪洞出口偏离河道方向左50°夹角，试验研究了鼻坎边墙右偏的非对称窄缝挑坎消能工方案，即左侧边墙收缩角大于右侧边墙收缩角，且两侧边墙采用非齐平出口(即左侧边墙末端超出右侧边墙2 m)，挑坎出口挑角为0°。试验研究表明:利用左右导墙非对称收缩，收缩段左侧水体动量增加，鼻坎出口水舌被左侧导墙成功导向右侧，水舌入水方向与河道夹角明显减小，但由于泄洪洞出口与河道夹角较大，为实现出口水流顺应河道方向，左侧导墙偏转角度需要很大;而且，鼻坎内形成较大的水流表面冲击波，存在水翅溅落鼻坎出口右侧山体现象。偏转角度较小时仍存在水舌入水后主流冲向远处对岸边坡现象。为此，对窄缝鼻坎消能工进行了进一步优化研究。

为避免产生泄洪降雨对近岸山坡的冲刷，利用两侧边墙非对称收缩(左边墙收缩角小于右边墙收缩角)，使窄缝消能工产生的冲击波水翅落向河心。同时通过出口局部措施对水舌运动方向进行控导，利用两侧边墙非齐平出口(左长右短)以及左边墙末端急剧右偏25°实现鼻坎水流导向右侧，水舌入水后主流顺应河道方向，水舌落点位于河槽中间1/3范围，避免泄洪水流对狭窄河谷两岸山坡造成冲刷。并且，为进一步增大水舌入水范围，对出口边墙形式和出口底部长度进行细部优化。通过出口底板长度短于侧墙的措施缩短水舌内缘挑距，增大水舌入水范围;右侧边墙出口采用底部伸长3 m将窄缝水舌底部水体偏向左侧的上游河谷中央;左侧边墙出口采用顶部伸长2 m的牛腿将上部水体偏向右侧的下游河道中央。优化后窄缝挑坎水舌纵向拉伸充分，水舌入水落点形态呈s形曲线，入水落点曲线长度约80 m，内缘落点距出口约20 m，外缘落点距出口约90 m。优化窄缝挑坎消能工结构布置如图7所示。

图7 窄缝鼻坎消能工结构布置示意图Fig.7 Layout of narrow-slot bucket dissipator

经模型动床冲刷试验验证，当采用优化窄缝挑坎消能工时，该泄洪洞泄洪校核流量时的河床最大冲刷深度为15 m，设计流量泄洪时的河床最大冲刷深度为14 m，冲刷深度及冲刷范围均较常规挑坎消能工大大减小，并且最低冲坑位置由常规挑坎的紧邻岸边移至河道中间，岸边淘刷现象明显减轻。优化窄缝挑坎消能工方案时的挑坎水舌形态和下游河床冲淤形态见图8和图9。

图8 窄缝鼻坎消能工水舌形态Fig.8 Nappe shape of the narrow-slot bucket dissipator

图9 窄缝消能工方案河床冲刷形态Fig.9 Erosion patterns in the downstream of the narrow-slot energy dissipator

6 结论

(1)挑流消能方式是应用最为广泛的泄洪消能方式，鼻坎体型是决定效果的控制因素之一。相对于常规挑坎，平面扩散型或是纵向扩散型消能工均能实现挑坎水舌拉伸扩散，有效减小泄洪水流对下游河床造成的局部冲刷，但平面扩散型消能工需要一定横向空间，且不易实现对水舌入水主流方向的控导作用，而纵向扩散型消能工，通过两侧边墙体型可较好实现挑坎水舌运动方向的控导效果。

(2)本研究依托某工程泄洪洞出口挑流消能工的优化试验研究，对常规挑坎、平面扩散挑坎和窄缝挑坎进行了对比研究，提出了适宜该狭窄河谷的优化窄缝挑坎消能工，可以有效控制主体水舌落人河床的位置、范围，对窄缝挑坎收缩产生的水翅，通过侧墙非对称收缩或贴角等措施，实现了水翅的形成或溅落区域的可控性，较好地解决了工程消能难题，可为同类型工程提供参考。但是鼻坎体型、尺寸等参数与水舌运动轨迹的量化关系仍有待进一步深入系统研究。

［1］柯 剑，沈孟玲.高水头水电站泄洪洞出口挑流鼻坎体型研究［J］.四川水利，2004，(6):38 －39，45.(KE Jian，SHEN Meng-ling.Shape of Flip Bucket at the Outlet of Flood-Discharge Tunnel of High Water-head Station［J］.Sichuan Water Conservancy，2004，(6):38 － 39，45.(in Chinese))

［2］袁玲玲，肖兴斌.鼻坎挑流消能工的新发展述评［J］.水电工程研究，1997，(9):33 －39.(YUAN Ling-ling，XIAO Xing-bin.Review of New Development on the Skijump Energy Dissipater［J］.Researches on Hydroprojects，1997，(9):33 －39.(in Chinese))

［3］杨亚斌，李 新.洞巴水电站高陡槽溢洪道挑流鼻坎体型优化试验研究［J］.广东水利水电，2009，(2):28－30.(YANG Ya-bin，LI Xin.Study on Trajectory Bucket Figure of High Chute Spillway of Dongba Station［J］.Guangdong Water Resources and Hydropower，2009，(2):28 －30.(in Chinese))

［4］宋晓红，孙智一，谢昆亮.溢洪道挑流鼻坎几何尺寸的确定［J］.水利科技与经济，2004，10(6):340 －341.(SONG Xiao-hong，SUN Zhi-yi，XIE Kun-liang.Trajectory Determination of Geometrical Dimensions on Bucket of Spillway［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2004，10(6):340 － 341.(in Chinese))

［5］朱雅琴，张法星，许唯临.舌形挑流鼻坎水力特性研究［J］.科学技术与工程，2004，4(5):397 － 402，408.(ZHU Ya-qin，ZHANG Fa-xing，XU Wei-lin.Research on Hydraulic Characteristics of Flip Bucket with Tonguetype［J］.Science Technology and Engineering，2004，4(5):397 －402，408.(in Chinese))

［6］焦爱萍，刘 艳.溪洛渡水电站泄洪洞出口挑流鼻坎体型优化研究［J］.水利水电技术，2007，38(3):40－43.(JIAO Ai-ping，LIU Yan.Research on Shape Optimization for Flip Bucket of Spillway Tunnel for Xiluodu Hydropower Station［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2007，38(3):40 －43.(in Chinese))

［7］倪汉根，刘韩生，梁 川.兼使水流转向的非对称窄缝挑坎［J］.水利学报，2001，(8):85 －89.(NI Han-gen，LIU Han-sheng，LIANG Chuan.Asymmetric Slit Buckets with Function of Changing Flow Direction［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2001，(8):85 － 89.(in Chinese))

［8］王才欢，黄国兵，侯冬梅.水布垭水电站泄洪消能防冲试验研究［J］.人民长江，2007，38(4):15 －17.(WANG Cai-huan，HUANG Guo-bing，HOU Dong-mei.Experimental Study of Flood Discharge and Energy Dissipation for Shuibuya Hydropower Project［J］.Yangtze River，2007，38(4):15 －17.(in Chinese))

［9］侯冬梅，李 利.磨坝峡水源(水库)工程1∶70水工整体模型试验研究报告［R］.武汉:长江科学院，2011.(HOU Dong-mei，LI Li.Report of 1∶70 Hydraulic Model Test on Mobaxia Reservoir Project［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2011.(in Chinese))