淺談挑流消能相關研究進展

趙興龍，韓 雷，王正君，呂春瑋，蘇國青

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

社會經濟的不斷發展，使得21世紀的水利工程在經歷由單一的發展到多方面統一規劃的過程。與其他消能方式比較，挑流消能因其具備適用性較強，結構設計較簡單，施工與后期維修較方便的優點，得以廣泛運用。對泄水建筑物下游河岸沖刷較嚴重，尾水波動和霧化比較大是它的缺點。挑流消能是指在泄水建筑物末端設挑流鼻坎，迫使水流向下游挑射，通過射流在空中一系列擴散、紊動和摻氣作用下，消除部分能量，而后跌落到離鼻坎較遠的河槽中，在沖刷坑以及一定的尾水深度所形成的水墊中進行消能，消除的能量約為20%。挑流消能設計的主要內容有：首先選擇鼻坎形式，其次確定鼻坎高程、反弧半徑和挑角，最后計算出挑距和下游沖刷坑深度等。其中最重要的一部分是確定鼻坎形式，根據不同的結構和水流特點，需要采用不同的鼻坎形式。

1 挑流消能的研究意義

挑流消能對我國水利工程的發展意義重大。泄洪建筑物是水利樞紐中江河湖泊重要的組成部分，它的消能方式一旦出現問題，便會對下游城鎮居民的日常生活和生命財產安全造成巨大的潛在威脅。在近幾年我國西部大開發戰略的實施以及水電建設事業向著西南地區轉移的背景下，這種情況尤為突出，西南地區的高山峽谷，大流量，高水頭等特點非常適合采用挑流消能，這推進了對于挑流消能的研究。連續式鼻坎和差動式鼻坎已經不能滿足挑流消能的需要，因此許多水利水電工作者研究出了很多新型的挑坎形式來滿足需求。大差動高低坎、窄縫挑坎以及部分異形鼻坎等新型消能工等是我國始創的技術，均處于世界領先水平。這些新的鼻坎形式為世界各地泄水建筑物的挑流消能提供了借鑒方案。

2 挑流消能的國內發展現狀

自從挑流消能誕生以來，發展十分迅速。豐滿水電站溢流壩作為國內最先使用挑流消能的工程之一，對國內挑流消能技術的發展打下了基礎[1]。和其他消能方式相比，挑流消能不需要在下游設置較多的防護工程，減少了成本和工程量，較為經濟實惠，因此運用的較為廣泛。但是挑流消能至今還存在許多技術性難題。在西部大開發戰略的背景下，西南地區在建的水利樞紐大部分都屬于高壩，存在著高水頭、大流量的特點。目前我國已經比較成熟的連續式鼻坎和差動式挑流鼻坎已經不能完全滿足工程需求。一些新的鼻坎形式應運而生，例如：歪扭式鼻坎、窄縫式挑流鼻坎、擴散式挑流鼻坎。

連續式鼻坎射程擴散程度稍差，沖刷坑較深，但射程較遠，坎頂水流平順不易空蝕，體型尺寸簡單。差動式挑流鼻坎以高低齒槽將相鄰水股分開挑射，擴散和碰撞效果較好，沖坑深度較小，但射程稍近，齒坎兩側易空蝕，高水頭情況下采用較多。歪扭式鼻坎可將水流偏向一側挑射，可用于河岸溢洪道和泄洪隧洞，使射流落入河深水墊。窄縫式挑流鼻坎能適應窄峽谷地形，防止水舌沖刷岸坡，使挑流水舌順河縱向擴散消能。擴散式挑流鼻坎能使水舌在平面上充分擴散。

傅長峰等[2]進一步改進模型并優化了溢洪道挑坎體型結構,然后對挑坎水流結構特性進行分析,根據鼻坎下游形成的沖刷坑,在擬合沖刷坑計算表達式中通過引入鼻坎體型系數作為挑射角角度的影響參數，擬合了挑坎下游沖刷坑深度計算公式,公式計算值與實測值較吻合。梁尚英[3]采用扭曲式挑坎和適當的摻氣減蝕措施，能夠確保比較均勻穩定的壓力場分布和流場流速，解決了對左岸山體淘刷以及下游的消能防沖的難題。邱勇等[4]把黑石羅水庫采用的連續式鼻坎優化成斜鼻坎，迫使出坎水舌在平面上進行轉向的同時沿著豎向大幅度拉開，使水流平順入河，降低了水股對落點的沖刷，達到了保護河岸和相鄰建筑物的目的。朱安龍等[5]為了解決周寧抽水蓄能電站下水庫大壩邊坡高陡、下游河道狹窄、天然水深淺、消能建筑物布置條件比較差，并且大壩緊緊靠著已建的龍溪二級電站地面廠房的技術性難題，采取了底孔扭曲鼻坎、表孔俯角、下游二道壩+預挖沖坑等多種工程措施。王瑞等[6]為保證溢洪道三孔鼻坎水舌在死水位時不沖刷本岸及左右岸坡腳沖刷深度較淺的設計要求，設計舌形挑坎、斜鼻坎、曲面貼角窄縫挑坎和直墻窄縫挑坎四種不同挑坎體型，通過對比這四種挑坎體型的實驗結果，得出了曲面貼角窄縫挑坎能夠較好地滿足設計要求的結論。吳新宇等[7]基于扭曲鼻坎調整射流方向的水力模擬試驗研究，發現采用降低挑坎高程的大轉角貼坡扭曲鼻坎布置的方法，可以調整水舌方向，理順下游河道形態，同時消除了邊岸淘刷威脅和右岸涌浪，解決了泄洪洞過渡期洞內水躍悶頂的問題。

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種：一是理論分析，指通過用計算等方法結合定理、定律等理論依據分析實際問題。吳鵬[8]在陳椿庭[9]研究結論的基礎上通過引入流速修正系數，修正無能量損失的方法初步得出了差動式挑流消能沖刷坑深度的計算方法。二是數值模擬，指使用電子計算機，運用數值計算以及圖像顯示的技術，進而對挑流消能研究的目的。常用的有FLUENT、FLOW-3D等。三是模型實驗指在人為控制研究對象的條件下進行觀察，模仿實驗的某些條件進行的實驗。四是原型觀測，指在現場對施工期及運行期的水工建筑物進行的觀測工作。在這四種研究方法中，由于數值模擬的適用性和精確度較其他三種研究方法高，因此在現在的泄水建筑物挑流消能的研究中，多是采用數值模擬的方法，但是這種研究方法需要首先進行與水工模擬實驗進行驗證其可靠性。郭紅民等[10]采用有限體積法，運用VOF追蹤自由液面和 RNGκ-ε紊流模型建立了三維數值模型，得到的泄洪消能的水力學參數值與模型試驗結果較吻合，得到了數值模擬可以提供比模型試驗更為全面的數據的結論。宋發軍[11]運用VOF水氣界面追蹤法、RNG k-ε 紊流模型和Flow-3D流速模擬軟件，研究并對比了彎曲溢洪道在差動式尾坎挑流和連續式尾坎挑流2種方式下水流消能的效果，得出了差動式尾坎挑流方式下水流對下游和兩岸的影響更小，消能率更高的結論。何志亞等[12]使用挑流鼻坎反弧段半徑和出口挑角為體型特征參數，運用 FLUENT軟件對優化的體型對比方案進行了數值模擬，分析了各方案下挑流鼻坎挑流消能時得到的水力特性參數，同時進行了推薦體型的物理模型試驗，得出了重慶市武隆區沙河水庫的最佳挑流方案。

4 挑流消能技術應用前景

(1)國家西部大開發戰略的實施，對西部地區的重視程度漸漸提高，因此將會提高對西南地區的水資源的開發利用。在這個大環境下，針對西南地區的泄水建筑物的消能方式，是水利水電工作者以后需要進行深入研究且創新的地方[13-15]。

(2)由于我國國土廣闊，泄水建筑物較多，且建設年份跨度較大，因此針對已經建設好的泄水建筑物，由于其建設年限較高和當時技術的不足，對這些泄水建筑物要通過日常檢查和修繕是來滿足下游的消能要求，防患于未然。而對于這些已建的泄水建筑物的消能方式的修繕是今后一個研究的重點[16-20]。

(3)連續式鼻坎、差動式挑流鼻坎通過研究可以得出對挑距和最大水坑深度的估算理論公式，同理，針對其他相對應的挑流鼻坎也能依照類似的辦法得出相應的估計理論公式，有了估計理論公式以后可以和數值模擬、模型試驗進行相互驗證，提高得出結論的準確性。

總之，雖然現在對于挑流消能的研究取得了一定的進展，但是應當認識到目前的研究只是一個良好的開端，對于挑流消能的鼻坎形式和研究方法仍有很多問題需要解決[21-23]。

5 結 語

挑流消能這種消能方式應用較為廣泛，但是每一個泄水建筑物的挑流消能方案因其工程水質、地形地貌、巖石特性、水流速度等因素各不相同，因此在設計挑流消能方案的時候，應該從多個角度思考其在這個泄水建筑物的適用性，應當根據“一泄水建筑物一方案”的原則，對每一個泄水建筑物下泄出來的水量做到充分消能并且不損害建筑物自身。

隨著現在計算機軟件的普及，數值模擬這種研究方法適用性、精確性和可重復性都比其他三種研究方法較高，因此在以后關于消能方式的研究中，應當優先考慮使用數值模擬的研究方法，突出傳統水利與現代計算機軟件技術的結合，多學科交叉工作進行研究。