龍門灘四級電站大壩挑流消能改進的探討

摘要：水利工程上，消能樣式各異，通過消能措施達到消除隱患因素，保證水利樞紐正常運行。本文從實際工程背景著手闡述堰面挑流消能，抓住挑流消能中的挑射角和鼻坎，進行理論分析和優化。

關鍵詞：消能 挑流消能 挑射角 鼻坎 滑躍起飛 湯匙效應

0 引言

在水利上，消能是讓水流在運動中因克服各種阻力做功，消耗了一部分機械能量，如動能或勢能，使之轉化為熱能的人為控制的現象。在國內的水利樞紐設計方案中，消能方式分為三種，即：底流消能、挑流消能、面流消能。

底流消能也稱水躍消能，是指依靠消能設施（如消力池） 使下泄急流迅速轉變為緩流，通過水躍產生的表面旋滾及旋滾與底流間的強烈紊動、剪切和摻混作用，以消除動能的消能方式。它具有流態穩定，消能效果較好，對地質條件和尾水變幅適應性強，尾水波動小，維修費用省等優點。底流消能應用很廣，適于高、中、低水頭，大、中、小流量各類泄水建筑物。

挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，通過水體相互撞擊和與空氣摩擦、摻氣、擴散消能，然后落入下游尾水中淹沒紊動擴散的消能方式。挑流消能通過堰面反弧曲面可有效地控制下泄急流落入下游河床的安全位置，有對尾水變幅適應性強，結構簡單，施工、維修方便的優點。但其下游河床沖刷較嚴重，堆積物較多，尾水波動與霧化現象都較大。挑流消能應用較廣，適于中、高水頭，大、中、小流量的各類建筑物。

面流消能是指通過泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，將下泄急流的主流挑至水面，通過主流在表面擴散及底部旋滾和表面旋滾以消除余能的消能方式。面流消能分跌坎面流消能和戽斗面流消能兩類。戽斗面流消能是水流在戽斗內形成水躍后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特點的混合型消能方式。面流消能適用于中、低水頭，下游尾水較深，水位變幅不大及河岸穩定、抗沖能力強的情況。

不管選擇何種方式消能，前提條件就是要確保泄水建（構）筑物安全穩定、合理經濟。本文結合實際工程，單單對挑流消能進行分析和探討。

1 背景概述

偉大導師馬克思曾說過：技術是對生產力的提升，是改造世界和推動世界的力量源泉。人類利用自然、改造自然離不開科技的發展，不斷完善和改進科技水平，是保證人類文明發展、世界歷史前進的重要源泉。

龍門灘四級水電站是龍門灘梯級電站中的第四級，位于福建省永春縣東平鎮湖洋溪河段，距永春縣城約13km，為跨流域引水工程，主要建筑物由攔河壩、引水系統、發電廠房和開關站等組成。壩址位于東平鎮內碧村上游2km的湖洋溪河段，控制流域面積314平方公里，總庫容1625萬立方米，調節庫容806.5萬立方米，為不完全季調節性能，平均年可供水量2986萬立方米。發電廠房和開關站位于東平鎮外碧村胡洋溪河畔，發電廠房共安裝2臺單機容量為14MW的HLA773a-LJ-190型混流式水輪發電機組，總裝機容量達28MW，平均年發電量8884萬kW·h。110kV戶外升壓開關站位于廠房下游側，與河道平行布置，升壓開關室內布置一臺主變壓器。引水系統由進水口（位于壩址上游右岸，臨近管理樓）、引水隧洞、調壓井及高壓引水道等建筑物組成。引水隧洞全長2656.5m，開挖洞徑5.7m。調壓井型采用阻抗式，調壓井總高度為48m，高壓引水道全長193.213m。攔河壩為拋物線雙曲砌石拱壩，最大壩高46.6m，拱壩泄洪采用壩頂開敞式溢洪道、挑流消能的消能型式。溢洪道共設4孔，每孔凈寬11m。本文將以溢流面挑流消能為例，探討對該溢流面反弧挑流的完善。

挑流消能是目前國際上普遍應用的消能措施。根據相關資料分析報道，全球大、中型河岸溢洪道的消能形式大體為挑流消能，我國采用挑流約占85%，國外略低，約為75%。挑流消能在水工建筑中大范圍采用，根本在于施工技術難度不大，成本較低，消能效果也好，倍受設計人員的青睞。設計人員在設計時，追求出閘水流在高速流離溢流壩面后，挑距能最遠，從而確保壩體自身安全。因此，挑流消能的主要任務就在于鼻坎和挑射角的方案敲定。下面，就從這兩個方面進行分析探討。

2 溢流面反弧挑射角的取值

龍門灘四級電站大壩的溢流面采用標準的WES堰流面反弧曲線，為讓出閘室的水流能挑離壩址更遠，設計中運用懸挑梁，使溢流面延伸壩體4.2m，增加水流在離開壩體瞬間的末速度。在學術界上，有關水利科技方面的文章，可以說是百花齊放、百家爭鳴的現象，而論述的知識和新技術也是各有千秋。但是對溢流堰面反弧挑射角θ的學術論文卻不多。經過收集和整理，目前對挑射角θ的取值有兩種說法：一種是與水平面呈6°～20°；另一種就是20°～25°。提出這兩種說法的來源都是根據試驗得出的結論。面對這種大范圍的取值，我們不禁要問：那到底是哪種試驗結論是正確的或者說具體到某個數值更科學呢？以下的論述，將很好地解決這一問題。

2012年9月25日，這是個不平凡的日子，可以說是我國海軍發展史上的一個重大里程碑。因為我國擁有了第一艘可以搭載固定翼飛機的航空母艦“遼寧艦”，他的加入標志著我國擠入了航空母艦的俱樂部。“遼寧艦”跟美式航母的區別就是艦艏采用滑躍式起飛。滑躍式起飛最早是由英國人提出并發明的，這一理論技術運用在航母甲板，其目的是為了提高飛機起飛的速度和減少起飛的滑跑距離，滑躍式甲板在12°左右，可以保證飛機起飛達到最佳動能勢能比。“滑躍式起飛”雖說是用在軍事工程上的技術，對水利工程技術人員講，是個很陌生很模糊的概念，但是在堰流面挑流上，如果我們把高速流離溢流堰面的水流看作是在甲板上起飛的戰機，這兩者卻頗為相似。出閘室的水流（水翼）沿著堰面傾瀉而下，在離壩瞬間，被賦予一定的軌跡傾斜角，在空中擁有水平和向上的分速度。水體拋入空中后，垂直分量不足以克服重力，借助于上翹堰面提供的離壩瞬間速度和挑射角，水流在空中做拋物線滑翔并躍入河中。因此，挑射角的選定成為挑距的重要因素之一，而滑躍式甲板的角度無疑是最好的參照。由于國內對滑躍起飛研究起步較晚，在上世紀九十年代中期才開始，沒有試驗數據，多為理論分析和建模仿真，國外試驗數據很充分，理論研究也很完備，但鑒于科技保密，很少出現在公開發表的刊物上，很難獲得真實、準確的資料。據有關報道，“遼寧艦”的起飛甲板為14°。

3 堰面鼻坎的型式優化

挑流消能中，對鼻坎的型式選擇有多種，經常用的有連續式、差動式、擴散式和窄縫式，還有扭曲和斜切鼻坎等等用何種型式的鼻坎，取決于消能效果和壩體所處的地理環境及位置。比如我國在潘家口水利樞紐中采用的寬尾墩挑流消能，消能效果就很好。龍門灘四級電站大壩工程采用連續式鼻坎，挑流消能效果顯著，但由于壩址下游的河床巖體完整性較差，節理、斷裂層和破碎帶分布較多，長期受到4股泄洪水柱的沖擊，形成較深的沖刷坑，在初建之時，也未在緊接壩趾處修段護坦，易造成對壩基的現實威脅。如果說通過改變堰面反弧挑射角θ，使泄洪水柱落點離壩趾較遠，進而保證壩基穩固是種改進方法，那減弱泄洪水柱的沖擊力，促使沖刷坑不會過深，同樣也是作為保證壩基安全的另種手段。減弱泄洪沖擊力，可以考慮讓泄洪水柱分散變小。

在生活中，我們都有洗碗筷的經歷。當洗陶瓷湯匙時，讓水落在湯匙柄槽，我們會發現水從柄槽快速流向湯匙邊沿坎后，以水幕簾的形狀分散離開，下落中，大的水珠分離出多個小水珠。同時，不斷調整湯匙與水平面的夾角θ，水幕簾也隨著遠和近的變化。這現象是由湯匙沿邊坎挑射水流造成的，暫稱這現象為湯匙效應。如若把堰面鼻坎做出形如湯匙狀，出閘洪水在經過挑射后，就不再會是以水柱的形式，氣勢如虹般沖入河床，而是像水幕簾一樣，分散著飄落河中。這樣就算地質條件差的河床，在無法采用壅水措施的情況下，也是不必擔心因沖刷坑過深而影響壩基的穩固。這種堰面反弧挑流泄洪和湯匙效應有異曲同工之妙。

雖然通過改變挑射角θ和鼻坎性質可以達到優化的目的。但是也帶來了嚴重的泄洪霧化現象，對工程構成了相當大的威脅，處理不好，將直接造成重大經濟損失。針對霧化現象產生的危害，應采取相應的防護措施。①在建筑物周邊強化排水系統，確保排水暢通；②設置必要的護岸和護坡工程，增強巖體的抗滑能力，防止坍滑和泥石流現象；③盡可能將建筑物布置在影響范圍之外。

參考文獻：

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