高重力壩挑坎體型及水力特性對比

馬 斌，王宇航，緱文娟，葉星宇，杜 濤

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

改革開放以來，我國水利水電建設事業(yè)迅猛發(fā)展并取得一系列輝煌成就，在建或已建了一批世界級高水平水利樞紐工程，如：三峽、向家壩、黃登等重力壩式水利樞紐工程，這些工程大多呈現高水頭、大泄洪功率及大單寬流量等特點[1-2]，因此高壩泄洪消能成為水利水電工程建設需要解決的關鍵技術[3]。挑流消能常應用于高壩泄洪消能，下游設二道壩或圍堰形成水墊塘進行消能[4]。影響挑流消能的重要因素為挑坎體型，挑坎體型對高速水流的水舌形態(tài)和水墊塘消能率有極大的影響，挑坎體型的選擇直接關乎水利樞紐工程安全等級指標和泄洪消能率。

眾多學者對挑坎體型進行了優(yōu)化研究并提出了一系列新型挑坎，如：差動式挑坎[5-7]、窄縫式挑坎[8-10]、扭曲式挑坎[11-12]、燕尾式挑坎[13-15]、窄縫燕尾式挑坎[16-17]等。張挺等[5]研究了高擴散低收縮差動式挑坎，發(fā)現挑流水舌縱向和橫向充分擴散，形成兩股水舌碰撞區(qū)，水股更分散。孫紅娟等[6]發(fā)現差動式挑坎水舌明顯分為上下兩股，中間形成水簾。蔣俏芬等[7]發(fā)現高差動式挑坎相比窄縫式及低差動式挑坎，水舌縱向拉伸更明顯，并有一定橫向擴散，落點分布均勻，對河床的沖擊壓力較小且分散。王瑞等[8-9]發(fā)現曲面貼角與直墻窄縫式挑坎對水舌縱向、豎向拉伸充分，加劇水流紊動和摻氣，降低水流紊動系數，但曲面貼角窄縫式挑坎水舌內緣挑距穩(wěn)定，結構穩(wěn)定性好，消能率高，對下游消能防沖要求高的工程更為適用。張曉哲等[10]發(fā)現高拱壩深孔采用窄縫式挑坎可使水墊塘底板時均沖擊動壓分布更加平坦且可大大減小底板動壓差。吳新宇等[11]、劉昉等[12]研究了扭曲式挑坎，發(fā)現采用扭曲式挑坎可合理調整水舌方向，改善下游河道流態(tài)、岸坡涌浪及邊岸沖刷。王晶等[13]在燕尾式挑坎的基礎上提出陣列式燕尾坎，利用其不同挑角的挑坎將水流充分拉伸、分散，增加各股水舌空間碰撞，增加消能率；程文磊等[14]發(fā)現燕尾式挑坎可有效減小水舌入水單寬流量及其橫向擴散，加強水舌順水流向拉伸，降低對水墊塘底板及岸坡的沖刷；毛棟平等[15]發(fā)現燕尾式挑坎出口水深較小，能大幅降低側邊墻壓力及適當降低邊墻高度，提高挑流水舌穩(wěn)定性。彭誠[16]和譚哲武等[17]均對窄縫燕尾式挑坎進行了研究，發(fā)現窄縫燕尾式挑坎相對燕尾式挑坎水舌在空間縱向拉伸效果更好，可減弱下游河道沖刷。

本文依托黃河古賢水利樞紐水工模型，進行了表孔挑坎體型單體試驗，重點對比分析了連續(xù)式、窄縫式、差動式、燕尾式、直邊窄縫燕尾式及曲面窄縫燕尾式挑坎的水舌特性及水墊塘底板的壓強特性，以期為挑流消能的高重力壩挑坎體型的選擇提供多元化參考。

1 試驗設計

依托黃河古賢水利樞紐工程中間泄流壩段中表孔，古賢重力壩壩踵高程428 m，表孔堰頂高程612 m，表孔挑坎為等寬式，寬度14 m，挑角30°，出口高程480 m，水墊塘底板高程450 m，二道壩高程470 m、水墊塘長度300 m，水墊塘靜水位470 m。模型依據重力相似準則，壓強比尺與幾何比尺均為60。試驗研究在百年一遇洪水位為625.50 m、設計洪水位為627.52 m、校核洪水位為628.75 m，即上游水頭Hu為197.50 m、199.52 m、200.75 m時的中表孔單獨泄洪時進行。水工模型整體布置和中間泄流壩段俯視圖如圖1 所示。試驗所用的挑坎體型結構如圖2所示。

圖1 古賢重力壩水工模型

2 試驗結果與分析

2.1 水舌特性

各挑坎體型在上游水頭為199.52 m時的挑流水舌形態(tài)特征如圖3所示。

為了更直觀地反映各挑坎體型之間的差異，對各挑坎體型在不同上游水頭下的水舌參數，即內緣挑距、外緣挑距、入水寬度及挑高進行測量，挑流水舌參數如圖4所示。試驗所測水舌參數如表1所示。

從表1可知，各挑坎體型水舌內緣挑距、外緣挑距及挑高均隨上游水頭的增加而逐漸增大。結合圖3可知，連續(xù)式挑坎水舌連續(xù)，入水寬度小，水舌能量集中，最大外緣挑距為229 m，最小內緣挑距為160 m，即水墊塘前160 m水墊未充分參與消能。窄縫式挑坎水舌連續(xù)且伴有大量噴濺式小水珠，與連續(xù)式挑坎相比，水舌挑高增大，挑高最大值為64 m，內外緣挑距均變短，水舌能量更為集中，水舌并沒出現縱向拉伸現象，究其原因，試驗中挑坎挑角為30°，而一般利用窄縫式挑坎形成縱向拉伸水舌的挑角較小，在-10°～0°左右，可降低起挑水頭，增大水舌擴散和入水寬度[18]。差動式挑坎由于坎口存在挑角差，水舌在空中及落點處呈現分層分股的形態(tài)特征，入水寬度相對連續(xù)式、窄縫式挑坎有所增大，分股落水可使水舌能量相對分散，減小水舌對水墊的沖擊，而外緣挑距增大，最大值為242 m，外緣挑距過大對二道壩及下游防沖不利。當高速水流挑射時，由于燕尾式挑坎存在內外緣挑角差的獨特結構，水流首先從燕尾坎內緣挑角挑出，然后沿兩側燕尾從燕尾式挑坎外緣挑角挑出，水舌整體明顯分成內外兩股分開落入水墊，水舌縱向拉伸充分，形成類似“扇形”“水簾”“掃帚”狀的水舌形態(tài)(下文稱“掃帚狀水舌”)，在空中大大增加了水舌的擴散、摻氣及摩擦程度，入水寬度也大大增加，與水墊接觸面積更大，更能充分利用水墊塘近壩區(qū)水墊進行消能，提高水墊消能率。當Hu=200.75 m時，燕尾式挑坎與連續(xù)式、窄縫式、差動式挑坎相比，其水舌內緣挑距分別下降83.7%、83.3%和83.6%，外緣挑距分別下降16.6%、15.5%和21.1%，入水寬度分別增加258%、250%和173%，挑高分別下降17.8%、42.2%和31.5%。燕尾式挑坎的水舌形態(tài)特征可使水舌在沖擊水墊時攜帶的動能大大減小，進而減小對水墊塘底板的沖擊破壞及下游岸坡沖刷；直邊窄縫與曲面窄縫燕尾式挑坎增加對稱直邊、曲面貼角后，水舌除具有燕尾式挑坎縱向拉伸的特性，同時也具有窄縫式挑坎橫向收縮的特性，直邊窄縫燕尾式挑坎水舌上產生大量噴濺式小水珠，相比燕尾式挑坎，其內外緣挑距減小、挑高降低；曲面窄縫燕尾式挑坎水舌上產生少量的小水珠，相比燕尾式挑坎，其內外緣挑距略有減小，但挑高增大，上下兩股水舌間的掃帚處水量有所增加，擴散更充分、均勻，可見，曲面窄縫對水流橫向收縮比直邊窄縫更佳。

表1 水舌挑距、入水寬度與挑高

圖2 挑坎體型結構(單位：m)

圖3 水舌形態(tài)特征

圖4 挑流水舌參數(單位：m)

2.2 水墊塘底板壓強特性

通過水舌形態(tài)和水舌參數可以直觀地對比各挑坎體型間的差異，而挑流水舌沖擊下游水墊時水墊塘底板壓強的大小及其沿程分布也是研究挑流消能效果和水舌沖擊特性的關鍵[19-21]，重點對水墊塘底板中軸線測點的時均壓強、沖擊壓強及脈動壓強進行分析。

2.2.1時均壓強

根據塘內有無水墊,挑流水舌對下游水墊塘沖擊射流分為自由沖擊射流與淹沒沖擊射流，試驗中水墊塘內有初始靜水，水深20 m，沖擊射流為淹沒沖擊射流，在水墊塘內形成自由射流區(qū)(Ⅰ區(qū))、壁面沖擊區(qū)(Ⅱ區(qū))和壁面射流區(qū)(Ⅲ區(qū))3個區(qū)域，如圖5所示。

圖5 淹沒沖擊射流

高速射流沖擊水墊，在Ⅰ區(qū)經過擴散作用，動能迅速消散，主流兩側形成漩流區(qū)，由于水舌斜射入水墊，兩側漩流區(qū)并不對稱分布；主流經Ⅰ區(qū)進入Ⅱ區(qū)，若主流動能較小，經Ⅰ區(qū)擴散后，其流速變小，未觸及水墊塘底板已開始向下游發(fā)生偏轉，此時下泄主流未觸及底板，底板沖擊壓強基本為零[22]；若下泄主流攜帶動能較大，主流會沖透水墊，在沖擊區(qū)內，高速射流攜帶的巨大動能迅速減小并轉化為動水沖擊壓能，會對水墊塘底板產生強大的沖擊[23]，沖擊區(qū)具有最大壓強Pm的點稱為滯點，滯點與相鄰最低谷值點的差值為沖擊壓強，沖擊壓強過大會對底板造成沖透破壞；高速射流到達底板后會貼壁射出，由沖擊壓能轉化為動能，射流主流貼壁擴散進入Ⅲ區(qū)，并在Ⅲ區(qū)形成較大的漩流區(qū)，向下游擴散形成淹沒水躍的流態(tài)。

6種體型挑坎在不同上游水頭下的時均壓強沿水墊塘中軸線的沿程分布如圖6所示，以測點相對位置x=l/L來表示水墊塘底板壓強沿程分布，其中l(wèi)為壓強測點距水墊塘首端長度，L為水墊塘長度[24]。

圖6 各體型挑坎下游水墊塘底板時均壓強沿程分布

從圖6可知，連續(xù)式、窄縫式、差動式挑坎時均壓強沿程基本呈先減小后增大再減小再增大的分布趨勢。隨著上游水頭的增大，各挑坎時均壓強沿程整體呈減小趨勢，在不同上游水頭下，燕尾式挑坎時均壓強沿程明顯高于連續(xù)式、窄縫式及差動式挑坎，且燕尾式挑坎沿程均未出現沖擊壓強，表明其挑流水舌未沖透水墊觸及水墊塘底板時其主流已發(fā)生偏轉，向下游擴散，燕尾式挑坎水舌在空中面積更大，擴散、摻氣、摩擦更充分，利用內外兩股主流縱向拉伸水舌，沖擊水墊時攜帶動能較小，余動能轉化為勢能，時均壓強整體沿程逐漸增大，出現一個谷值區(qū)，該區(qū)域為水舌主流沖擊區(qū)，隨著上游水頭的增大，水舌攜帶動能越大，谷值區(qū)也越大，谷值點為水舌主流偏轉點，隨后在下游形成巨大旋滾，攜帶大量空氣進入水體，水體中產生大量氣泡，下游水體壅高，勢能增大，動能減小，因此，水舌沖擊水墊下游段會出現時均壓強大于靜水壓強的區(qū)域。連續(xù)式、窄縫式及差動式挑坎均產生沖擊壓強，表明其水舌攜帶動能巨大，在空中擴散不充分，水舌能量集中，在自由射流區(qū)，動能并未充分消除，下泄主流沖透底板，產生沖擊壓強，其最大沖擊壓強分別為 20.8 kPa、40.8 kPa、8.3 kPa，窄縫式與差動式挑坎沖擊壓強最大值較連續(xù)式挑坎分別增大96.2%、降低60.1%。

從圖6可知，燕尾式、直邊窄縫燕尾式挑坎沿程基本呈先增大后減小再增大的分布趨勢且均出現谷值區(qū)，直邊窄縫燕尾式挑坎谷值區(qū)較大，而曲面窄縫燕尾式挑坎時均壓強沿程基本呈逐漸增大的分布趨勢且沒有出現明顯的谷值區(qū)。可見，曲面窄縫燕尾式挑坎對水流橫向收縮縱向拉伸后，水舌擴散充分、均勻，沖擊水墊時，其攜帶動能減小；而直邊窄縫燕尾式挑坎水舌能量更加集中，擴散不充分，沖擊水墊時，其攜帶動能增大。

2.2.2脈動壓強

水墊塘作為防護下游河床的結構，其自身穩(wěn)定性是實現消能和防沖的關鍵所在。但對于底流消能及挑流水舌未沖透底板等情況時，未出現沖擊壓強，此時脈動壓強也是一個極為關鍵的參數控制指標。脈動壓強主要由主射流在分離或擴散過程形成的大尺度漩渦所控制，由水體紊動能轉化而來。脈動壓強的均方根值直接反應了脈動壓強的強度，也稱為脈動強度[25]。因此，對各挑坎在不同上游水頭下脈動強度的沿程分布進行對比分析，結果如圖7所示。

圖7 各體型挑坎下游水墊塘底板脈動強度沿程分布

從圖7可以看出，連續(xù)式、窄縫式挑坎脈動強度沿程基本呈先增大后減小的分布趨勢；差動式、燕尾式、直邊窄縫燕尾式與曲面窄縫燕尾式挑坎沿程基本呈先增大后減小再增大再減小的分布趨勢；脈動強度在沖擊區(qū)內基本呈對稱分布，且在峰值點兩側逐漸遞減，沖擊區(qū)內的主流向上下游旋滾、擴散。各挑坎脈動強度隨上游水頭的增大呈增大的趨勢。燕尾式挑坎脈動強度明顯低于其余3種挑坎，當Hu=200.75 m時，連續(xù)式、窄縫式、差動式、燕尾式挑坎脈動強度峰值點分別位于x=0.75、0.75、0.78、0.67，相應的值分別為49.4 kPa、66.3 kPa、33.0 kPa、20.0 kPa。可見，差動式挑坎與燕尾式挑坎可有效降低水舌對下游水墊的沖擊，其中差動式挑坎水舌挑距更遠，脈動強度峰值點相對位置最大，其水舌對水墊塘內二道壩及下游岸坡沖刷不利，但燕尾式挑坎脈動強度峰值及相對位置最小，相對于連續(xù)式、窄縫式、差動式挑坎，其峰值分別降低59.5%、69.8%和39.4%，相對位置分別降低10.7%、10.7%和14.1%。因此，燕尾式挑坎可有效降低脈動強度峰值及峰值點位置，且沿程未出現沖擊壓強，對水墊塘底板穩(wěn)定及下游岸坡防護更為有利。

比較兩種不同的窄縫燕尾式挑坎，曲面窄縫燕尾式挑坎脈動強度最大值較小，而直邊窄縫燕尾式挑坎脈動強度最大值較大，可見，曲面窄縫燕尾式挑坎對于水流的橫向收縮性及過渡性比直邊窄縫燕尾式挑坎要好。整體來看，窄縫燕尾式挑坎可加強水體橫向收縮，脈動強度峰值點之前的值整體高于燕尾式挑坎，而峰值點之后的值整體低于燕尾式挑坎，因此，窄縫燕尾式挑坎有利于加強近壩區(qū)水體紊動，可同時減弱二道壩區(qū)附近水體的紊動，有助于減小水墊塘合適的保護長度，可節(jié)省工程造價。

3 結 論

a.連續(xù)式與窄縫式挑坎均呈連續(xù)且密實的水舌，水舌能量較為集中，內外緣挑距較大;差動式挑坎水舌呈分層分股的形態(tài)特征，內外緣挑距較大，對二道壩及下游沖刷不利，且近壩區(qū)水體未能充分參與消能。對于重力壩挑角為30°的挑坎，窄縫式挑坎未能呈現縱向拉伸的水舌形態(tài)，燕尾式挑坎水舌在空中呈掃帚狀，水舌面積增大且在空中擴散、摻氣、摩擦更充分，入水寬度大大增加，有助于水墊摩擦消能，水舌攜帶動能小且消散充分。

b.連續(xù)式、窄縫式與差動式挑坎時均壓強沿程分布均出現沖擊壓強且脈動強度最大值較大，而燕尾式挑坎時均壓強沿程分布未出現沖擊壓強且脈動強度最大值較小，相比于上述3種挑坎最大值分別降低59.5%、69.8%和39.4%。可見，燕尾式挑坎應用于高重力壩對于水墊塘底板穩(wěn)定性及下游消能防沖更為有利。

c.曲面貼角燕尾式挑坎脈動強度最大值為 14.5 kPa，較燕尾式和直邊窄縫燕尾式挑坎分別降低 5.5 kPa和9.5 kPa，但總體量級均較小，曲面窄縫燕尾式挑坎對于水流的橫向收縮與過渡比直邊窄縫燕尾式挑坎更佳，窄縫燕尾式挑坎可加強水流的橫向收縮與縱向拉伸，有利于加強近壩區(qū)水體的紊動及削弱二道壩區(qū)附近水體的紊動。