适用于高水头窄河谷的燕尾斜切组合挑坎试验研究

2017-03-09王川，潘露，蒲云娟，叶茂，吕海艳

四川水力发电 2017年1期

关键词：水舌挑流燕尾

王川，潘露，蒲云娟，叶茂，吕海艳

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川水利职业技术学院，四川崇州 611231)

适用于高水头窄河谷的燕尾斜切组合挑坎试验研究

王川1，潘露2，蒲云娟1，叶茂1，吕海艳1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川水利职业技术学院，四川崇州 611231)

窄缝挑坎和燕尾挑坎是高水头、窄河谷泄水洞挑流消能常采用的挑坎型式，通过纵向拉伸水流形成片状水舌，达到水流顺利入槽、下游河道水流充分消能的目的。由于挑坎自身具有的特点，窄缝挑坎和燕尾挑坎的出射水流沿泄槽轴线纵向拉伸，下游河道落水区域呈平面一字型。为了避免挑坎内缘水流落砸本岸，需控制水舌的纵向拉伸长度；而对于下游河道地质条件较差的工程，水流消能难以达到满意的效果。结合两河口水电站溢洪道1∶40水工物理模型，通过窄缝挑坎、燕尾挑坎和新型燕尾斜切组合挑坎的对比试验研究，所提出的新型燕尾斜切组合挑坎在适应河型和充分利用水舌纵向拉伸长度方面具有一定的优势，能更好地满足工程下游河道的消能防冲要求。试验研究成果可供类似工程参考。

高水头；窄河谷；窄缝挑坎；燕尾挑坎；燕尾斜切组合挑坎；消能；两河口水电站

1 概述

针对高水头、大单宽流量、窄河谷泄水洞的挑流消能，常用的挑流消能工有窄缝挑坎及燕尾挑坎。窄缝挑坎自1975年引入我国，其应用时间已达三十多年，是一种高效的收缩式消能工。其通过借助泄水洞末端挑流鼻坎边墙的急剧收缩形成窄而深的缝隙挑坎，迫使水流横向收缩，出挑的水舌纵向拉伸成片状扫帚型水舌形态以适应下游狭窄的河道宽度；但由于挑坎边墙急剧收缩，会产生强烈的水流冲击波；挑坎边墙上动水压力较大，冲击波所形成的水花飞溅也会对附近的建筑物造成不利影响。自葡萄牙的Cabril 拱坝率先采用窄缝挑坎之后，窄缝挑坎得到了迅速的发展，我国目前已有数项工程采用窄缝挑坎，例如龙羊峡电站、水布垭电站等。燕尾挑坎由四川大学邓军、刘善军等人首先提出，它是在常规连续式挑坎的底板中间开口，出挑水流首先从缺口前端射出，缺口两侧底板上没有出射的水流沿着挑坎底板继续向前流动，缺口前端处水流射出后，对两侧的水流而言在其中间形成一个临空面，因此，两侧水流在前进的过程中不断从缺口处射出，从而形成与窄缝挑坎类似的纵向拉伸片状水舌。相比于窄缝挑坎，燕尾挑坎水舌的纵向扩散主要是因为其两侧的水流往中间的临空面射出而形成，故其边墙基本不受高速水流的冲击作用，同时其缺口一般靠近挑坎的最低点，起挑流量较小；但为了纵向拉伸水舌，通常需要在较大的挑角条件下才能达到水流纵向充分扩散的效果。目前，燕尾挑坎在锦屏一级水电站泄洪洞挑流消能、老挝南椰水电站溢洪道挑流消能和黄登水电站溢流表孔中都进行了应用，且效果显著。

由于自身具有的挑坎特点，窄缝挑坎和燕尾挑坎出射的水流横向基本不扩散，出挑水舌沿泄槽轴线纵向拉伸，下游河道落水区域呈平面一字型；而对于某些下游河道地质条件较差的工程，挑射水流内缘往往需要足够远的挑距来避免水流落砸本岸，但内缘挑距较远则会限制水舌的纵向拉伸长度，减小水流的分散程度，造成下游河道水流消能难以达到满意的效果。笔者结合两河口水电站溢洪道1∶40水工模型试验，提出了一种新型燕尾斜切组合型挑坎，在一定程度上解决了水舌内缘落点距本岸较近的问题，挑坎出射水流纵向拉伸长度相比于燕尾挑坎有了明显增长，从而改善了下游河道水流消能效果，满足了工程的需要。

2 工程概况及模型设计

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内，为雅砻江中、下游的“龙头”水库，对其下游的雅砻江梯级电站以及金沙江、长江干流电站的梯级补偿作用显著。电站岸边溢洪道为主要泄水建筑物，由进口引渠段、控制闸段、无压洞段、明槽段和出口段组成，全长940 m。溢洪道无压洞段全长403.5 m，断面型式为城门洞型，断面尺寸为16 m×22 m(宽×高)，底坡为i=0.015，明槽段水平投影长度为449.2 m，起始段底坡i=0.015经抛物线段连接过渡至底坡i=0.323 3，明槽断面为矩形，槽宽16 m。溢洪道出口位于河道弯段顶点附近的左岸，最大单宽流量为253 m3/s，挑坎以上水头超过180 m，出口水流流速达到50 ～60 m/s，下游河道狭窄，基岩为抗冲流速3～4 m/s的弱风化变质砂、板岩。溢洪道泄洪具有“水头高、单宽泄量大、河谷窄、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。

模型采用比尺为1∶40 的水工单体正态模型，按重力相似准则设计。模拟的范围为溢洪道进口上游100 m至出口下游700 m，溢洪道出口下游600 m河道地形模拟成动床(图1)。

3 试验结果对比分析

图1 两河口水电站溢洪道水工模型布置图

试验对溢洪道出口较优的窄缝挑坎、燕尾挑坎、燕尾斜切组合挑坎方案分别进行了水舌形态、水舌落点分布、下游河道冲刷三个方面的研究，并对试验结果进行了对比分析。燕尾挑坎、窄缝挑坎、燕尾斜切组合挑坎的具体参数见表1和图2。

3.1 水舌形态

正常蓄水位高程2 865 m、闸门全开工况下，三种挑坎方案挑射水舌形态如图3所示，挑坎及水舌的水力特性见表2。

通过试验观测发现：

表1 三种挑坎方案体型参数表

表2 三种挑坎方案挑坎及水舌水力特性表

(1)三种挑坎方案水舌空中形态舒展，水量分布均匀，入水宽度基本相当。窄缝挑坎方案挑射水流纵向拉伸长度最长，为238 m，优于燕尾挑坎和燕尾斜切组合挑坎，其原因为：窄缝挑坎通过边墙的急剧收缩纵向拉伸水舌，挑坎出口收缩比越大，挑射水流初速度也越大，水舌的纵向拉伸作用越明显；而燕尾挑坎和燕尾斜切组合挑坎是由于水流受惯性力作用从挑坎中间或一侧临空面沿程跌落分散形成的纵向拉伸片状水舌，因此，在同一工况、挑坎水流外缘出射角差别不大的情况下，窄缝挑坎方案挑射水流初速度较大，水舌的纵向拉伸长度明显大于燕尾挑坎和燕尾斜切组合挑坎。

(A)窄缝挑坎

(B)燕尾挑坎

(C)燕尾斜切组合挑坎图2 三种挑坎方案体型布置图

(2)窄缝挑坎两侧边墙急剧收缩，导致挑坎内左右侧两股水流对撞形成冲击波，在挑坎内外形成较明显的水翅现象，同时，边墙收缩挤压水流，边墙上产生较大的动水压力，其值可达38.7×9.81 kPa；燕尾挑坎和燕尾斜切组合挑坎边墙未收缩，水流由中间或一侧临空面射出，两侧边墙基本不受高速水流冲击力，边墙上的动水压力远低于窄缝挑坎方案且挑坎内水流平顺，没有产生明显的水翅现象。

(A)窄缝挑坎

(B)燕尾挑坎

(C)燕尾斜切组合挑坎图3 三种挑坎方案水舌形态示意图

3.2 水舌落点分布

正常蓄水位高程2 865 m、闸门全开工况下三种挑坎方案挑射水舌下游河道落水区域分布情况见图4。三种挑坎方案水流均能顺利入槽，窄缝挑坎和燕尾挑坎下游河道落水区域平面上呈一字型，水舌外缘落点位于河心偏左岸，内缘落点距本岸较近，仅为3～5 m。由于电站泄洪建筑物出口集中布置在左岸，故溢洪道泄洪水舌落水点距左岸过近可能会影响岸坡和岸边其他建筑物安全；而燕尾斜切组合挑坎下游河道落水区域在平面上呈L型，水舌内外缘落点基本位于河心，不会对左岸岸坡及建筑物产生不利影响，同时，落水点位于河心更有利于水流分散消能。

对挑坎体型布置进行分析得知：窄缝挑坎和燕尾挑坎出口水流受两侧边墙约束，挑坎水流沿泄槽轴线出射，下游河道落水区域平面上呈一字型。由于溢洪道布置在岸边，泄槽轴线与河道天然成夹角，一字型水舌落水区域对于河型适应性较差，为使挑射水流落点距岸坡有足够的安全距离，需控制挑坎水流的纵向拉伸长度，从而有可能会对下游河道消能防冲产生影响。而燕尾斜切组合挑坎的一侧具有燕尾挑坎特点，挑坎沿程有较长的临空面、较大的末端挑角，有利于水流的纵向拉伸分散；另一侧具有斜切挑坎的特点，挑坎边墙扭曲，横向扩散水流，可将内缘水流挑离岸坡。燕尾斜切组合挑坎可以通过调整出口底板折线段数及挑角在一定程度上控制挑射水流的落水点，灵活适应下游河道走势，因此，燕尾斜切组合挑坎可在保证水舌落点距岸坡有足够安全距离的前提下获得比燕尾挑坎更大的水流纵向拉伸长度，下游河道水流的消能效果更好。

图4 三种挑坎方案下游河道水舌落水区域示意图

图5 三种挑坎方案下游河道冲坑横剖面图

3.3 下游河道冲刷

正常蓄水位高程2 865 m、闸门全开工况下三种挑坎方案下游河道冲坑横剖面见图5。窄缝挑坎水流纵向拉伸作用明显，河道单位面积入水量最小，下游河道冲深最浅，冲刷最深点高程为2 586 m，燕尾挑坎为了保证水流落点距岸边有足够的安全距离，水流纵向拉伸长度最短，下游河道冲刷最深，冲刷最深点高程为2 779.2 m，燕尾斜切组合挑坎水舌内缘落点远离左岸，水流纵向拉伸长度较燕尾挑坎增加，下游河道冲刷深度较燕尾挑坎方案浅，冲刷最深点为高程2 783.5 m。

从河道冲坑位置看，窄缝挑坎和燕尾挑坎水流沿泄槽轴线出射，水流落点偏左岸，冲坑位置也偏左岸，水舌内缘落点附近冲坑位于左岸坡脚，燕尾斜切组合挑坎右侧不受边墙约束，水流出射后略向右岸偏移，内缘水流被挑离左岸，水舌内外缘落点基本位于河心偏右岸位置，下游河道冲坑亦位于河心偏右岸位置，不会对两岸岸坡及左岸建筑物造成不利影响。

4 结语

(1)窄缝挑坎和燕尾挑坎是高水头、窄河谷挑流消能常采用的挑坎型式。由于挑坎自身具有的特点，窄缝挑坎和燕尾挑坎的出射水流沿泄槽轴线纵向拉伸，下游河道落水区域呈平面一字型，对下游河道走势适应性较差。为保证水舌内外缘落点距岸坡有足够的安全距离，需限制水流的纵向拉伸长度，“牺牲”下游河道水流的消能效果。燕尾斜切组合挑坎具有燕尾挑坎和斜切挑坎的特征，既可以使水流沿挑坎方向纵向分散、充分消能，又可以将落点距岸坡较近的水流挑离岸坡以适应河道走势，在保证水舌落点距岸坡有足够的安全距离条件下，获得比燕尾挑坎更好的水流纵向拉伸效果；同时，相比于窄缝挑坎，燕尾斜切组合挑坎也具有边墙动水压力小、无水翅产生的优点。

(2)燕尾斜切组合挑坎可通过调整出口底板折线段数和挑角控制挑射水舌落点，灵活适应下游河道走势，但随着下泄流量的变化，下游河道水舌的落水区域整体左右移动，因此，在实际工程设计时，应根据泄水建筑物的运行方式和下游河道特性，合理选择挑坎体型，设计控制工况。

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(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7;TV32;TV31

1001-2184(2017)01-0008-05

王川(1986-)，男，河南新乡人，工程师，硕士，从事水力学研究；

潘露(1984-)，女，重庆江北人，讲师，硕士，从事水力学研究；