泄洪洞挑坎对比研究

徐 敏

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120)



泄洪洞挑坎对比研究

徐 敏

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120)

挑流消能是中高水头泄水建筑物采用比较多的一种消能方式，具有构造简单，便于维护以及可以节省下游护坦修建成本等优点。挑流消能有燕尾坎、窄缝坎、斜切坎等型式，通过优化比对，由于燕尾坎侧墙动水压强较小，入水长度相对于窄缝坎有所减小，但是没有明显加剧河床的冲刷，是一种实践表现优异的挑坎形式，该挑坎尤其对泄洪洞轴线与主河槽中心线交角相对不大且河槽宽度较小的情况具有非常好的适应性。事实上，在多种挑坎均能够实现水舌与主河槽良好衔接的前提下，燕尾坎是综合表现最优的一种挑流消能工形式，故而选型时可以优先考虑燕尾坎。

泄洪洞；挑流消能；窄缝坎；斜切坎；燕尾坎

0 引 言

所谓挑流消能[1]，即是在泄水建筑物的末端修建一挑流坎，利用顺势下泄水流所具有的巨大动能将水体挑入空中，然后使水舌分散进入下游而远离建筑物的河道当中进行消能。由于水舌进入下游河道后与河道内水体发生剧烈碰撞，水舌继续扩散，其流速逐渐降低。入水位置前后分别形成两个巨大的旋滚，从空中入射的主流与两侧旋滚间发生强烈的动量交换以及剪切混渗作用；而河道水体不足以消除的部分余能则潜入河底冲刷河床进而形成冲刷坑。挑流消能虽然具有泄洪雾化较大以及下游河道尾水波动较强等缺点，但由于其具有结构简单、便于维护以及可以节省下游河床护坦修建成本等突出优点，在工程界得到了广泛的应用。

本文结合某大型水利水电工程岸边泄洪洞，对工程界应用较为广泛的三种类型的出口挑坎进行了模型试验，对比分析了各项水力学参数，对各挑坎形式的优劣进行了评价，可以为挑流消能工的工程运用提供一定的参考价值。

本文所述泄洪洞位于河道右岸，洞宽12 m，采用有压接无压、洞内“龙落尾”型式。泄洪洞进水口为深水岸塔式进口，经工作闸门室后接明流隧洞，利用“龙落尾”的形式与出口挑流鼻坎连接。泄洪洞出口采用挑流消能，总长约1 400 m，库区正常水位至挑坎最低点最大水位落差近200m。试验选取泄洪洞工作水头为60 m的正常工况对不同类型挑坎进行对比试验，对应泄洪洞泄流量为3 190 m3/s。

1 体型参数

本文分别对燕尾坎、窄缝坎以及两个斜切坎的泄洪洞出口体型进行了物理模型试验，不同挑坎体型具体布置如图1所示。

1.1 燕尾坎

燕尾坎[2]是在常规连续挑坎基础上，在挑坎出口段底板上中间开口，缺口前端开口宽度小，后端及挑坎末端处开口宽度大，使挑坎在平面上成“燕尾”形状的一种挑坎型式；燕尾坎的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中间形成一个临空面，因此，两侧水流在前进过程中，不断从缺口处射出，从而形成与窄缝坎类似的纵向拉伸片状水舌；同时，燕尾坎由于内部缺口靠近挑坎最低点，挑坎的起挑流量较小，可适应低水头情况下挑流泄洪。

1.2 窄缝坎

窄缝坎作用机理是利用侧墙的急剧收缩使两侧水流向中心运动，从而改变了水流质点间的相互作用和水流结构，加剧了水流的紊动，并且使水舌在纵向大幅拉伸，减小其入水单宽流量，从而提高消能效率。窄缝坎可以运用于一些河道狭窄的地段，从而避免常规挑坎平面扩散水舌面积过大，冲击岸坡的情形[3]。

图1 挑坎体型

1.3 斜切坎

斜切坎是将传统等宽挑坎沿某一角度斜切，使之前单一挑角的挑流鼻坎变成具有一系列连续挑角的挑坎。斜切坎两侧导墙长度不一，运用长的一侧导墙将水舌导入主河槽，同时增加水舌的横向和纵向扩散。鼻坎经斜切后，由于出坎流速和出坎高程的差异使得挑流水舌的挑射距离各不相同，水舌就在横向上发生了明显的扩散。所以斜切坎不仅是一种挑流结构，同时还是一种散流结构[4]。

2 挑坎压强及流态对比

试验测得燕尾坎侧墙最大动水压强为8.82×9.81 kPa，窄缝坎为34.33×9.81 kPa，斜切坎Ⅰ为15.64×9.81 kPa，斜切坎Ⅱ为14.32×9.81 kPa。从数据可以看到，燕尾坎侧墙受力是最小的，分析认为，虽然燕尾坎的水舌类似于窄缝的水舌形态，但其形成原理不同：窄缝水舌是由两侧墙的约束作用下强迫形成的，此时水流会对边墙造成冲击作用，因此，侧墙上的受力较大；燕尾坎的水舌从缺口处出射，缺口两侧没有出射的水流沿着底板继续向前流动，缺口处水流出射后，对两侧的水流而言在中间形成临空面，从而，两侧的水流在继续向前运动的过程中会略偏向中心移动，加上缺口本身逐渐变宽，致使水流在前进过程中，两侧边墙基本不受高速水流的冲击作用，水流对其作用主要是静水压力以及离心力，在缺口以后，离心力的影响减小，因此，其压力很小。

图2是不同挑坎水舌空中形态及下游河道中的波浪情况，由于泄洪洞位于右岸，试验所述所有挑坎左岸的涌浪均明显高于右岸，窄缝坎水舌在纵向拉伸最为明显。表1列出了四个挑坎体形对应的水舌挑距和入水角等参数，从表中可见，窄缝坎的入水范围最长，约为155 m，两个斜切坎的水舌入水范围约为120 m，燕尾坎的水舌入水范围约为115 m。从水舌分散程度来看，窄缝挑坎的水舌分散程度最大，其余三个体形基本相当。

3 岸边流速及波浪对比

图3为四个不同出口挑坎，下游岸边流速试验结果。从最大岸边流速来看，燕尾坎与窄缝坎相差不大，结合流态图片，斜切坎左岸的波浪明显大于窄缝坎和燕尾坎。

图2 流态

参数燕尾坎窄缝坎斜切坎Ⅰ斜切坎Ⅱ內缘挑距/m9567160127外缘挑距/m210222385246(内/外)入水角30°/45°38°/45°40°/36°34°/37°

图4为四个不同出口挑坎，下游两岸的实测水面高程，可以看到燕尾坎和斜切坎II的岸边水面波动相对较弱。试验测得燕尾坎、窄缝坎、斜切坎Ⅰ及斜切坎Ⅱ左岸最大浪高分别为3.30 m、4.17 m、4.83 m及2.59 m，四个挑坎差异相对不大，燕尾坎与斜切坎II右岸最大浪高相对较低。

图3 下游河道流场分布

4 河床冲刷情况对比

表2列出了四个挑坎体形对应的下游冲坑最深点高程和冲坑所处位置，从表中可见，窄缝坎和斜切坎I产生的冲坑较浅，冲坑最深点高程约为1 614 m～1 616 m，两者的差别较小，燕尾坎和斜切坎II的冲坑基本相同，冲坑最深点高程约为1 610 m。仅从冲坑深度来看，窄缝坎和斜切坎I体型相对较优，但是燕尾坎和斜切坎II相较于前两种挑坎的最大冲深来说也相差不大。

图4 岸边水面线

从冲坑最深点的位置来看，窄缝坎和斜切坎Ⅰ的冲坑最深点均比较靠近左岸，可能会对左岸岸坡造成较大冲刷；而燕尾坎和斜切坎Ⅱ的冲坑最深点约位于河道中心略偏右侧，这对于两岸岸坡的防冲有积极作用。因此，同时考虑河床冲坑深度以及最深点位置，以燕尾坎和斜切坎Ⅱ略优。

表2 挑坎体形对应表

5 结 语

本文对工程界应用较广的几种不同挑坎体形进行了物理模型试验，结论如下：

(1)窄缝坎水舌拉伸最明显，故而下游河床的冲刷也最轻，其余挑坎差异不大，但是窄缝坎水翅明显，将加剧泄洪雾化；另外挑坎动水压强也很大，对结构强度提出了比较高的要求。该挑坎适

用于泄洪区距离城镇较远且挑坎基础的基岩强度较高的情况。

(2)不同挑坎对岸流速及波浪差异不大，挑坎体型的差异不会对河道流场造成显著的差异性影响。

(3)通过优化调整，斜切坎可以实现良好的分散入水，进而减弱河床的冲刷破坏，同时该挑坎能够较大角度地实现出挑水舌的偏转；但是斜切坎体形相对复杂，在高流速情况下，存在空化空蚀风险。理论上来讲，斜切坎几乎能够适应各种地形条件的泄水建筑物与河道的衔接，但是需要注意的是挑坎本身的体型切忌过于复杂，以免形成空化源。

(4)燕尾坎侧墙动水压强较小，入水长度相对于窄缝坎有所减小，但是没有明显加剧河床的冲刷，是一种实践表现优异的挑坎形式，该挑坎尤其对泄洪洞轴线与主河槽中心线交角相对不大且河槽宽度较小的情况具有非常好的适应性。事实上，在多种挑坎均能够实现水舌与主河槽良好衔接的前提下，燕尾坎是综合表现最优的一种挑流消能工形式，故而选型时可以优先考虑燕尾坎。

[1] 吴持恭．水力学(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] DENG Jun, etc. A new type of leak-floor flip bucket[J]. SCIENCE CHINA, 2016, 59(4).

[3] 陈华勇等．窄缝消能工水力特性的数值模拟与试验研究[J]．水利学报，2012，43(9).

[4] 杨首龙．单圆弧斜切双扩散坎消能工的水力设计[J]．人民长江，2004，35(9).

(责任编辑：卓政昌)

成都院获全国示范院士专家工作站授牌

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2017-05-09

TV6；U449.86；TV135

B

1001-2184(2017)03-0120-04

徐 敏(1989-)，女，湖北宣恩人，助理工程师，毕业于三峡大学水利水电工程专业，从事水利水电结构工程设计工作.