那棱格勒泄洪洞挑坎水力特性試驗研究

李 雙，王均星，周 招，李輝成

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

我國西部地區水能資源蘊藏豐富，建成了一大批具有世界頂尖水平的大型水利水電工程，這些水利工程往往具有“高水頭、大流量”的特點[1]。由于來流能量巨大，這些水利樞紐需要設置消能工，以保護下游建筑物及河道免受高速水流的沖刷破壞。為保證樞紐的正常運行，有必要對這些水利工程的消能工設計進行深入研究。

挑流消能作為一種傳統消能方式，主要利用在泄水建筑物末端設置挑流鼻坎，使水流在空中拋射、擴散或碰撞，將水流挑射至下游河床較遠處，并在空中和入水過程中盡量分散，消殺大量能量[2,3]。

關于泄洪洞挑坎體型對相關水力特性的影響，國內學者針對不同挑坎體型、挑坎角度、挑坎擴散角等相關方面做了大量研究，取得了可觀的成果。譚哲武[4]、劉達[5]、張瑩瑩[6]等人基于多條泄洪洞聯合挑射泄流，針對窄縫式、斜切式、燕尾式等新型挑坎的水力特性進行了試驗研究，研究發現窄縫與燕尾的組合挑坎較常規挑坎可以將水舌縱向拉開，橫向擴散，減小單寬流量，從而減輕下游沖刷。王英奎等[1]針對挑坎挑角對消能效果的影響做了深入探究，發現不同挑角使泄洪水舌挑距不同，從而使泄洪水舌縱向分散入水，增強消能效果。余挺等[7]通過對下游沖刷效果的試驗量測，研究不同扭曲角度對扭曲式挑坎的消能效果的影響，結果表明扭曲式挑坎主要增大了入水寬度，從而增大擴散面積，減輕下游沖刷。

那棱格勒水利樞紐工程泄水建筑物由表孔溢洪道和底孔泄洪洞組成，在下游同一斷面均采用挑流消能形式，斜切式挑坎會使兩股水流碰撞產生霧化等不利影響，窄縫式挑坎單寬流量較大，對于下游沖刷較大。本文基于那棱格勒水利工程泄洪洞挑坎出口，結合各挑坎特點及當地挑流鼻坎出口下游地形寬度有限，不易向兩側拓寬的地質條件，提出了擴散式與等寬式兩種連續式挑坎方案，分析兩種出流方案的水力特性，尋求一種能夠滿足下游地質條件同時又滿足消能效果的挑坎方案。

1 工程概況

那棱格勒河位于青海柴達木盆地，水利樞紐工程開發任務以防洪、供水為主，兼顧發電等綜合利用。水庫正常蓄水位為3 297.00 m，設計洪水位3 303.30 m，校核洪水位3 305.46 m。泄洪洞正常洪水位泄量1 018 m3/s，設計洪水位泄量為1 090 m3/s，校核洪水位泄量為1 114 m3/s。采用表孔溢洪道和底孔泄洪洞聯合挑流消能。

主要泄水建筑物中，泄洪洞由進口塔架段(樁號0+000～0+034)、漸變段(樁號0+034～0+054)明流洞段(樁號0+054～0+447)、出口泄槽段(樁號0+447～0+467)和挑流鼻坎段(樁號0+467～0+482)組成。進口塔架段底板高程為3 250.00 m，寬7 m；漸變段及明流洞段底板縱坡為0.02；明流洞段采用城門洞形明流洞，斷面尺寸為7 m×9.2 m(寬×高)；出口泄槽長20 m，采用矩形槽型式，縱坡為0.02；泄槽末端設挑流鼻坎，反弧半徑25 m，挑射角為25°，鼻坎頂高程為3 244.00 m，挑坎下游護坦高程為3 238.00 m。下游挑坎出口為40 m寬開挖段，與下游河道斜交，自表面向下30 m深均為洪積物與坡積物覆蓋層，開挖段兩側均有堅硬基巖，進一步開挖難度較大，在施工過程中不宜向兩側進一步開挖拓寬。泄洪洞剖面圖如圖1所示。

圖1 泄洪洞布置圖(單位:m)Fig.1 Layout of the spillway tunnel

2 模型制作與挑坎方案

2.1 模型制作

為保證來流及下游出流與原型的相似性，模擬范圍上游至泄洪洞進口上游180 m，下游模擬至挑坎出口下游200 m處，在下游河道和挑坎出口下游用散粒體石料做動床以模擬天然河床，并在模型下游河道末端設置尾水調節裝置，調節下游河道在相應來流下的河道水位。模型上游庫區和下游河道采用斷面板法制作，水泥砂漿抹面，泄洪洞采用有機玻璃制作。

2.2 挑坎方案

基于那棱格勒水利樞紐工程泄洪洞連續式挑坎的研究，針對連續式挑坎的出口擴散與否，設計了連續式擴散出口挑坎和連續式等寬出口挑坎兩種方案，分別對挑坎內部流態、水面線、出流水舌形態、下游沖刷等相關水力學特性進行了試驗研究。兩種挑坎方案的反弧半徑均為25 m、挑角均為25°，兩種方案的具體參數如圖所示。

圖2 挑坎縱剖面圖(單位:m)Fig.2 Longitudinal profile of the flip bucket

圖3 挑坎平面尺寸(單位:m)Fig.3 Plane dimension of the two flip buckets

3 試驗成果分析

本次試驗在泄洪洞閘門完全開啟的條件下，分為正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3個不同水位工況進行。3個工況對應水位流量關系如表1所示。

表1 試驗工況Tab.1 Test Conditions

3.1 挑坎內水流流態

在正常蓄水位運行工況條件下，兩種試驗方案挑坎內部流態如圖4所示。在擴散式挑坎方案中，水流自無壓泄洪洞段進入明渠擴散段，由于明渠擴散段寬度增加，高速縱向下泄水流急劇橫向擴散，兩側水面明顯降低，軸線處水面依然較高，形成反“V”型出流繼續下泄。但由于明渠挑坎段與擴散段存在173°夾角。致使擴散段側向下泄水流急劇沖擊縱向挑坎兩側邊墻、形成明顯折沖水流，經邊墻反射后挑坎出口縱向下泄水流呈“V”型出流，邊墻側水面明顯雍高，高速下泄水流持續性沖擊兩側邊墻，致使邊墻受力較大，存在安全震動隱患[8,9]。根據厲良輔[8]、胡晗[9]、紀偉[10]等學者的研究發現，在斷面突擴的渠道流動中，容易產生折沖水流，在收縮段中，甚至可能產生水翅現象，給建筑物帶來危害。

在等寬式挑坎方案中，明渠段以及挑坎段寬度與無壓泄洪洞段寬度一致、均為7 m，高速縱向水流平滑下泄、基本不產生橫向擴散、流態平穩，不再存在橫向水位差，明渠挑坎內“V”型折沖水流明顯消除。

圖4 正常蓄水位挑坎內部水流流態Fig.4 Flow patterns in the flip bucket in normal pool level

3.2 挑坎內水面線

從上文的流態中觀測到在擴散式挑坎內部，明渠中間與兩側水面存在明顯的水位差，對兩種挑坎軸線處及兩側的水面線進行量測，在明渠段和挑坎段各取前中后三個斷面，每個斷面從左至右等分取5個點，各工況下得到的試驗成果如圖5所示。

圖5 挑坎各斷面水面線分布Fig.5 Distribution of water surface line of every section in the two flip buckets

在擴散式挑坎方案中，由于明渠擴散段寬度增加，兩側水面急劇下降，明顯較軸線處水面低，在校核工況下最大水位差達到了2 m，同時由于挑坎段與擴散段存在173°夾角，使得下泄水流在挑坎段沖擊邊墻并反射，雍高兩側水面，在泄槽兩側水面逐漸高于軸線處水面，在挑坎出口處最大水面差達3.2 m，形成V形出流，挑射水流橫向擴散較大，而出口軸線處水深也只有3m，水面差甚至超過了水深，挑坎內流態較差。在等寬式挑坎方案中，由于泄槽寬度沒有發生變化，同一斷面水面基本一致，沒有較大水位差產生，高速縱向水流急速下泄，水面沿程逐漸降低，在挑坎出口處軸線處水位略低于兩側水位，水面差最大只有0.6 m，挑坎內整體沒有明顯的橫向水位差。

3.3 沿程流速

流速是水體動能的重要衡量指標，對兩種挑坎縱向軸線處的流速進行量測，由于水深較大，在每個測點處均測量表面、中部、底部3個位置的流速。

兩種挑坎的流速分布規律基本一致，在垂向上從表面到底部流速逐漸減小，在挑坎末端前沿程流速變化不大，挑坎末端位置流速明顯較其他位置小。擴散式挑坎水面產生橫向擴散，水面相對較淺，故流速較等寬挑坎稍大。

3.4 時均壓力

壓力作為反映挑坎局部能量變化的重要指標，對于結構的穩定和正常運行有著重要意義。

從測量結果可以發現，兩種挑坎壓力均沿程逐漸增大，在挑坎末端由于水深減小，壓力明顯減小。擴散式挑坎由于橫向擴散，水面較淺，壓力較等寬式挑坎小。

表2 各斷面流速分布 m/s

3.5 空蝕空化分析

高速水流往往伴隨著低壓和漩渦，水流在低壓區容易產生大量空泡，在高壓區空泡潰滅，從而在泄水建筑物的過流壁面發生空蝕破壞，破壞的部位大多出現在反弧段末端。由流速和時均壓力的測量結果可以看出，挑坎處流速較大，而部分位置壓力較小，有可能會產生空化現象，發生空蝕破壞。

表3 各斷面時均壓力分布 m

挑坎沿程空化數K按下式進行計算[11]：

(1)

式中：ha為當地大氣壓力，根據工程資料當地高程取3 250 m，根據《水工隧洞設計規范》計算得ha=6.77 m；hv為水的氣化壓強，在此取20 ℃對應氣化壓強0.24 m，h為斷面平均壓強水頭，v取底部流速。

表4 空化數計算 m

從計算結果看，等寬式挑坎沿程空化數都在0.3以上，發生空蝕破壞的可能性較小。擴散式挑坎在挑坎反弧段末端空化數急劇減小，在三種特征水位下空化數均在0.3以下。根據《水工隧洞設計規范》[11]，水工隧洞及出口消能防沖建筑物水流空化數小于0.3時，應設置摻氣減蝕設施。在擴散式挑坎末端發生空化破壞的可能性較大，會影響泄水建筑物的正常運行。

3.6 水舌形態

兩種挑坎起挑位置處的寬度不同，對挑射水流的形態有較大影響，水舌相關參數示意如圖6所示。

注：L1為內緣；L2為外緣；L為挑距；H為挑高圖6 水舌形態要素示意Fig.6 Schematic diagrams of water jets

Tab.5 Parameter of water jets

圖7 挑坎水舌形態Fig.7 Forms of the water jets in two buckets

由試驗數據可以看出，在擴散式挑坎方案中，在挑坎內水流隨泄槽寬度增加產生橫向擴散，挑流水舌相對較薄，水舌縱向拉伸較遠，挑射距離較大，挑距達90 m，在校核工況下挑距達到103 m，水舌覆蓋面積較大。水舌入水時橫向擴散明顯，入水寬度較大，達22 m,在校核工況下甚至達到了24 m,使得高速挑射水流直接沖擊下游右岸開挖邊坡，影響了邊坡穩定性，對邊坡支護提出了較高要求。

在等寬式挑坎方案中，在挑坎內水流沒有產生橫向寬度變化，挑流水舌較為厚重，單位體積水量較大，水舌擴散程度較擴散式方案小，挑距、入水寬度均較擴散式挑坎方案明顯減小，入水寬度減小至15.2 m，校核工況下這一數據最大為16.8 m，挑射水流入流較正，均以射流形式落入下游河道，只有水舌入水后形成的水冠邊緣少部分水體飛濺至右岸邊坡，減小了對邊坡的沖刷，有效保護了邊坡的穩定性。

3.7 下游沖刷試驗研究

下游河道的沖刷可以反映挑坎的消能效果，在模型試驗中對下游的沖坑深度、沖坑地形進行了量測，以研究不同挑坎的消能特性。

對于泄水建筑物下游河道沖刷主要通過在模型試驗中沖刷模擬基巖進行研究。在模型試驗中對基巖的模擬主要采用散粒體模擬，原理是以模型散粒體沖料啟動流速與原型基巖的抗沖流速相似的條件確定模型沖料的粒徑[12]。

在此常用以下經驗公式計算模型散粒體粒徑。

(2)

式中：vk為抗沖流速，根據工程實際資料取2.4 m/s，K常取5～7，λL為模型長度比尺，在該模型試驗中為40。

計算得散粒體粒徑在3～5 mm。模擬范圍為下游河道及挑坎出口混凝土護坦后,模擬動床表面海拔為3 238 m。兩種挑坎方案下下游沖刷等高線如圖8所示。

圖8 正常蓄水位兩種挑坎沖刷地形等高線分布(單位:m)Fig.8 Contours of scour topography in normal pool level注：等高線上負值表示沖坑深度

從圖8所示試驗結果可以觀測得，在擴散式挑坎方案中，水舌擴散較充分，入水寬度較寬，挑距較長，使得下游沖刷范圍較大，整體沖坑靠近右岸坡腳，在靠近右岸坡腳形成較長的沖溝，沖坑最深處距挑坎末端約90 m，沖坑最深達21.2 m；在校核工況下，最深沖坑距挑坎末端約103 m，最深達20.5 m。

在等寬式挑坎方案中，水舌入水寬度較窄，挑距較短，單位體積水量較大，能量較為集中，對散粒體沖擊力較強，使得下游沖坑較深，沖坑最深達23.24 m，最深處距挑坎末端約70 m，靠近右岸的條帶狀沖溝明顯減小。在校核工況下，沖坑最深處距挑坎末端約80 m，沖坑最深達18.3 m。

3.8 消能效果分析

水流經挑坎挑至空中，通過在空中的擴散及下游河床內漩滾、碰撞，消剎水流能量。選取挑坎起始0+447斷面為初始1-1斷面和下游河道與挑坎動床相接斷面為消能后2-2斷面(如圖7所示)計算消能率，消能率計算公式如下:

(3)

水流經過挑坎出流后，兩種挑坎消能效果均在80%以上，消能效果均較好，等寬式挑坎的消能效果相對更充分。

4 結 論

本文結合那棱格勒水利樞紐工程實際特點及地質情況，針對泄洪洞提出兩種不同形式挑坎，并對其水力特性進行了對比研究，研究發現：

(1)等寬式挑坎消除了在擴散式挑坎方案中存在的“V”型水流現象，橫向水位差基本消除，挑坎內不利流態基本消失。

(2)等寬式挑坎水舌入水點較為集中，入水寬度小，減輕了對右岸邊坡的沖擊，改善了擴散式挑坎方案中由于水舌入水寬度大，對邊坡沖刷劇烈而帶來的不利影響，有效滿足了消能效果和當地地質地形的要求。

表6 消能率計算Tab.6 Calculation of energy dissipation ratio

(3)擴散式挑坎在反弧段末端時均壓力較小，空化數在0.3以下，有發生空蝕破壞的可能，等寬式挑坎發生空蝕破壞的可能性較小。

(4)兩種挑坎均能達到較好的消能效果，等寬式挑坎的消能效果更為充分。

綜合上述研究，等寬式挑坎更滿足實際地形和工程運行需要，建議在工程中采用等寬式挑坎。

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