浅谈挑流消能相关研究进展

赵兴龙，韩 雷，王正君，吕春玮，苏国青

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080； 2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

社会经济的不断发展，使得21世纪的水利工程在经历由单一的发展到多方面统一规划的过程。与其他消能方式比较，挑流消能因其具备适用性较强，结构设计较简单，施工与后期维修较方便的优点，得以广泛运用。对泄水建筑物下游河岸冲刷较严重，尾水波动和雾化比较大是它的缺点。挑流消能是指在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，迫使水流向下游挑射，通过射流在空中一系列扩散、紊动和掺气作用下，消除部分能量，而后跌落到离鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑以及一定的尾水深度所形成的水垫中进行消能，消除的能量约为20%。挑流消能设计的主要内容有：首先选择鼻坎形式，其次确定鼻坎高程、反弧半径和挑角，最后计算出挑距和下游冲刷坑深度等。其中最重要的一部分是确定鼻坎形式，根据不同的结构和水流特点，需要采用不同的鼻坎形式。

1 挑流消能的研究意义

挑流消能对我国水利工程的发展意义重大。泄洪建筑物是水利枢纽中江河湖泊重要的组成部分，它的消能方式一旦出现问题，便会对下游城镇居民的日常生活和生命财产安全造成巨大的潜在威胁。在近几年我国西部大开发战略的实施以及水电建设事业向着西南地区转移的背景下，这种情况尤为突出，西南地区的高山峡谷，大流量，高水头等特点非常适合采用挑流消能，这推进了对于挑流消能的研究。连续式鼻坎和差动式鼻坎已经不能满足挑流消能的需要，因此许多水利水电工作者研究出了很多新型的挑坎形式来满足需求。大差动高低坎、窄缝挑坎以及部分异形鼻坎等新型消能工等是我国始创的技术，均处于世界领先水平。这些新的鼻坎形式为世界各地泄水建筑物的挑流消能提供了借鉴方案。

2 挑流消能的国内发展现状

自从挑流消能诞生以来，发展十分迅速。丰满水电站溢流坝作为国内最先使用挑流消能的工程之一，对国内挑流消能技术的发展打下了基础[1]。和其他消能方式相比，挑流消能不需要在下游设置较多的防护工程，减少了成本和工程量，较为经济实惠，因此运用的较为广泛。但是挑流消能至今还存在许多技术性难题。在西部大开发战略的背景下，西南地区在建的水利枢纽大部分都属于高坝，存在着高水头、大流量的特点。目前我国已经比较成熟的连续式鼻坎和差动式挑流鼻坎已经不能完全满足工程需求。一些新的鼻坎形式应运而生，例如：歪扭式鼻坎、窄缝式挑流鼻坎、扩散式挑流鼻坎。

连续式鼻坎射程扩散程度稍差，冲刷坑较深，但射程较远，坎顶水流平顺不易空蚀，体型尺寸简单。差动式挑流鼻坎以高低齿槽将相邻水股分开挑射，扩散和碰撞效果较好，冲坑深度较小，但射程稍近，齿坎两侧易空蚀，高水头情况下采用较多。歪扭式鼻坎可将水流偏向一侧挑射，可用于河岸溢洪道和泄洪隧洞，使射流落入河深水垫。窄缝式挑流鼻坎能适应窄峡谷地形，防止水舌冲刷岸坡，使挑流水舌顺河纵向扩散消能。扩散式挑流鼻坎能使水舌在平面上充分扩散。

傅长峰等[2]进一步改进模型并优化了溢洪道挑坎体型结构,然后对挑坎水流结构特性进行分析,根据鼻坎下游形成的冲刷坑,在拟合冲刷坑计算表达式中通过引入鼻坎体型系数作为挑射角角度的影响参数，拟合了挑坎下游冲刷坑深度计算公式,公式计算值与实测值较吻合。梁尚英[3]采用扭曲式挑坎和适当的掺气减蚀措施，能够确保比较均匀稳定的压力场分布和流场流速，解决了对左岸山体淘刷以及下游的消能防冲的难题。邱勇等[4]把黑石罗水库采用的连续式鼻坎优化成斜鼻坎，迫使出坎水舌在平面上进行转向的同时沿着竖向大幅度拉开，使水流平顺入河，降低了水股对落点的冲刷，达到了保护河岸和相邻建筑物的目的。朱安龙等[5]为了解决周宁抽水蓄能电站下水库大坝边坡高陡、下游河道狭窄、天然水深浅、消能建筑物布置条件比较差，并且大坝紧紧靠着已建的龙溪二级电站地面厂房的技术性难题，采取了底孔扭曲鼻坎、表孔俯角、下游二道坝+预挖冲坑等多种工程措施。王瑞等[6]为保证溢洪道三孔鼻坎水舌在死水位时不冲刷本岸及左右岸坡脚冲刷深度较浅的设计要求，设计舌形挑坎、斜鼻坎、曲面贴角窄缝挑坎和直墙窄缝挑坎四种不同挑坎体型，通过对比这四种挑坎体型的实验结果，得出了曲面贴角窄缝挑坎能够较好地满足设计要求的结论。吴新宇等[7]基于扭曲鼻坎调整射流方向的水力模拟试验研究，发现采用降低挑坎高程的大转角贴坡扭曲鼻坎布置的方法，可以调整水舌方向，理顺下游河道形态，同时消除了边岸淘刷威胁和右岸涌浪，解决了泄洪洞过渡期洞内水跃闷顶的问题。

3 挑流消能的研究方法

挑流消能的研究方法目前主要有四种：一是理论分析，指通过用计算等方法结合定理、定律等理论依据分析实际问题。吴鹏[8]在陈椿庭[9]研究结论的基础上通过引入流速修正系数，修正无能量损失的方法初步得出了差动式挑流消能冲刷坑深度的计算方法。二是数值模拟，指使用电子计算机，运用数值计算以及图像显示的技术，进而对挑流消能研究的目的。常用的有FLUENT、FLOW-3D等。三是模型实验指在人为控制研究对象的条件下进行观察，模仿实验的某些条件进行的实验。四是原型观测，指在现场对施工期及运行期的水工建筑物进行的观测工作。在这四种研究方法中，由于数值模拟的适用性和精确度较其他三种研究方法高，因此在现在的泄水建筑物挑流消能的研究中，多是采用数值模拟的方法，但是这种研究方法需要首先进行与水工模拟实验进行验证其可靠性。郭红民等[10]采用有限体积法，运用VOF追踪自由液面和 RNGκ-ε紊流模型建立了三维数值模型，得到的泄洪消能的水力学参数值与模型试验结果较吻合，得到了数值模拟可以提供比模型试验更为全面的数据的结论。宋发军[11]运用VOF水气界面追踪法、RNG k-ε 紊流模型和Flow-3D流速模拟软件，研究并对比了弯曲溢洪道在差动式尾坎挑流和连续式尾坎挑流2种方式下水流消能的效果，得出了差动式尾坎挑流方式下水流对下游和两岸的影响更小，消能率更高的结论。何志亚等[12]使用挑流鼻坎反弧段半径和出口挑角为体型特征参数，运用 FLUENT软件对优化的体型对比方案进行了数值模拟，分析了各方案下挑流鼻坎挑流消能时得到的水力特性参数，同时进行了推荐体型的物理模型试验，得出了重庆市武隆区沙河水库的最佳挑流方案。

4 挑流消能技术应用前景

(1)国家西部大开发战略的实施，对西部地区的重视程度渐渐提高，因此将会提高对西南地区的水资源的开发利用。在这个大环境下，针对西南地区的泄水建筑物的消能方式，是水利水电工作者以后需要进行深入研究且创新的地方[13-15]。

(2)由于我国国土广阔，泄水建筑物较多，且建设年份跨度较大，因此针对已经建设好的泄水建筑物，由于其建设年限较高和当时技术的不足，对这些泄水建筑物要通过日常检查和修缮是来满足下游的消能要求，防患于未然。而对于这些已建的泄水建筑物的消能方式的修缮是今后一个研究的重点[16-20]。

(3)连续式鼻坎、差动式挑流鼻坎通过研究可以得出对挑距和最大水坑深度的估算理论公式，同理，针对其他相对应的挑流鼻坎也能依照类似的办法得出相应的估计理论公式，有了估计理论公式以后可以和数值模拟、模型试验进行相互验证，提高得出结论的准确性。

总之，虽然现在对于挑流消能的研究取得了一定的进展，但是应当认识到目前的研究只是一个良好的开端，对于挑流消能的鼻坎形式和研究方法仍有很多问题需要解决[21-23]。

5 结 语

挑流消能这种消能方式应用较为广泛，但是每一个泄水建筑物的挑流消能方案因其工程水质、地形地貌、岩石特性、水流速度等因素各不相同，因此在设计挑流消能方案的时候，应该从多个角度思考其在这个泄水建筑物的适用性，应当根据“一泄水建筑物一方案”的原则，对每一个泄水建筑物下泄出来的水量做到充分消能并且不损害建筑物自身。

随着现在计算机软件的普及，数值模拟这种研究方法适用性、精确性和可重复性都比其他三种研究方法较高，因此在以后关于消能方式的研究中，应当优先考虑使用数值模拟的研究方法，突出传统水利与现代计算机软件技术的结合，多学科交叉工作进行研究。