關于窄縫式挑坎發展的研究

蔣秋實

摘 要：隨著國民經濟的不斷增長，人們對能源的需求日益增加，在高山峽谷地區的高壩建設迅速發展。近年為了解決泄洪消能技術難題，國內外專家提出了多種挑流鼻坎的型式，其中將出口末端收縮很窄的窄縫式挑坎就是其中的一種新型型式。文章主要從窄縫式挑坎的體型參數及其在國內外的研究進展加以闡述，并指出了有關窄縫式挑坎體型結構方面值得進一步研究的問題。

關鍵詞：泄洪效能；窄縫式挑坎；體型參數；研究進展

1 概述

我國是世界上水能資源豐富的國家，現在已開發量僅為總可開發量的20%左右，尤其是在西部地區蘊藏著極其豐富的水能資源，由于交通及地形地質等條件的制約，高土石壩優勢極其明顯，未來西部地區將建設近二十座高土石壩[1]。這些水利工程的主要特點是水頭高、流量大、河谷狹窄、以及水流流速高，如果泄流消能的問題得不到妥善解決，不僅會對樞紐中水工建筑物的安全運行造成影響，還會使下游河床受到高速水流的嚴重沖刷，影響船只的正常通航，以及影響發電效應，更甚至會危及大壩的安全。因此，泄流消能技術在水利工程中至關重要，由溢流壩下泄的水流必須妥善進行處理[2]。窄縫挑坎消能工是利用變窄的泄槽邊墻迫使水流急劇橫向收縮，水深沿挑坎豎向擴散，縱向拉開，充分摻氣，出坎水舌增高，從而加大水舌入水長度和面積，減小單位面積入水能量從而達到泄洪消能目的。解決了高流速、大流量和河谷窄等消能難題，并應用在三峽、隔閡巖、龍羊峽、二灘、溪洛渡和水布埡電站等大型工程，取得了很好的消能效果[3]。

2 窄縫式消能工概述

2.1 窄縫式消能工的體型參數

窄縫挑坎的體型選擇，主要包括挑坎出口挑角、側向收縮比（或側收縮角）、收縮段長度、出口斷面形式、邊墻高度、挑坎反弧段半徑等參數[4]。

（1）挑角：等寬挑坎的挑角一般為20°～40°。而窄縫式挑坎與其不同，其挑流目的是為了讓水舌在空中充分擴散，使其水舌的外邊緣射程L1盡量大，水舌內邊緣射程L2適當小，也就是使水舌沿射流方向盡量拉長。研究表明，水舌外邊緣射程L1可以通過調整挑坎收縮段進出口寬度比值（即收縮比）來控制，水舌內邊緣射程L2則是受出口挑角的影響。因此，窄縫挑坎挑角一般很小，一般取0°。

（2）收縮段長度：初步分析，收縮段長度越長時，側墻壓力分布就越均勻，最大壓力值將會減小，但是工程量會相應加大。目前已建工程的收縮段長度取值為：龍羊峽25m，東江30m，水布埡25m。

（3）收縮比β：收縮比β是指挑坎出口斷面寬度b與收縮起始斷面寬度B的比值。它是決定窄縫式消能工消能效果的重要參數。國內已建的水利工程的收縮比取值為：龍羊峽β=0.38；巖灘β=0.368；安康β=0.40；水布埡β=0.25。

（4）出口斷面形式：窄縫式挑坎出口斷面形式可以是矩形、體型、Y型及V型，也可以是不對稱的其他形式。出口斷面形式的選擇可以根據不同工程條件選取合適的形式[5][6]。

2.2 窄縫式消能工的消能效果

消能效果的評判最終歸結為對下游河床的沖刷程度。窄縫式挑坎與等寬挑坎不同，它利用側墻的收縮，將出口過流寬度縮窄為原寬度的（1/3～1/5），鼻坎的挑角很小，甚至可以為負角。使得通過挑坎的水流兩側向中間匯集，發生碰撞。形成的射流橫向收縮，縱向拉長，使得水流的紊動作用更加劇烈，水舌與空氣的接觸空間也加大。在摻氣和空氣阻力的作用下，射流會消耗大量能量，從而減輕對下游河床的沖刷作用[7]。窄縫消能工既是消能結構，又可以改變射流方向，使水流與下游河床主流方向一致，大大地提高了消能效果。

3 國內外研究現狀

窄縫式消能工在國內外已經進行了大量的研究，早在20世紀50年代，窄縫式消能工就開始應用于水利工程中。1954年，葡萄牙人首先將窄縫挑坎應用于卡勃利爾（Cabril）樞紐中的泄洪洞出口末端。之后的10多年中，西班牙、法國、伊朗和南斯拉夫的許多工程也相繼采用了這種消能型式[8][9]。這是在水利工程中的一個重大創新與突破。20世紀70年代末，我國效仿其他國家的工程開始對一些擬建工程進行窄縫式挑坎挑流消能的試驗研究。1978年中國水利水電科學院李桂芬、高季章，首次系統的研究了窄縫挑坎的水流特性。80年代初期，窄縫式挑坎首次被推薦到湖南東江水電站的右岸溢洪道上采用。1981年董顯武、蘇祥林等通過實驗模型確定了窄縫挑坎的一些具體參數，并已經運用到實際工程。到1995年，通過對原型進行觀測分析，證實了這一新型收縮式消能工還具有更多的應用前景。

4 結束語

目前，在我國先后已有東江、龍羊峽、東風、李家峽、天生橋一級、隔河巖、漫灣、水布埡、三峽等大型水電站泄洪建筑物采用了窄縫挑坎挑流消能，取得了良好的消能效果。國內很多知名學者和教授對窄縫挑坎挑流消能進行了大量的研究，取得了很大的技術成果。對于窄縫挑坎的研究，其中包括對稱曲線窄縫挑坎輻射收縮角的計算方法；水舌的挑距計算；邊墻曲線的計算；邊墻水深的計算；邊墻的動水壓強特性的研究；窄縫內急流沖擊波的分析計算；水面線的計算以及挑坎內的水力特性三維數值的模擬研究等等，取得的研究成果對工程建設有很大的幫助。但是對窄縫挑坎挑流消能的研究還未結束，還存在一些問題尚未解決。例如：窄縫挑坎挑流的挑距的精確算法；影響窄縫挑坎挑流消能的參數間的關系；窄縫挑坎內水流的紊動特性以及在工程設計伊始各個體型參數的設計等等，這都需要我們對窄縫挑坎挑流消能進行進一步的研究。

參考文獻

[1]顧圣平，田富強，徐得潛.水資源規劃及利用[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]許學問.對稱曲面貼角窄縫挑坎水力特性數值分析[D].2011.

[3]黃秋君，吳建華.收縮式消能工的研究現狀及進展[J].河海大學學報（自然科學版），2008，36（02）：219-223.

[4]趙欣.窄縫挑坎體型選擇[J].水利科技與經濟，2010（02）.

[5]王治祥.窄縫式挑坎強化消能與體型問題研究[J].紅水河，1994（02）.

[6]陳忠儒，陳義動.窄縫式消能工的水力特性及其體型研究[J].水利水電科技進展，2003，23（02）：25-29.

[7]吳文平.窄縫挑流的沖刷特性[J].陜西水力發電，1996，12（02）：11-13.

[8]周石權.淺談窄縫式消能工在泄水建筑物中的應用[J].人民長江，1989（11）.

[9]肖興斌.窄縫式消能工在高壩消能中的應用與發展綜述[J].水電站設計，2004，20（3）：76-81.