折線大斜切挑坎水力特性研究

摘要：斜切挑坎多被用于泄水建筑物軸線與天然河道互成夾角的工程。然而，當下游河道過于狹窄時，斜切挑坎無法滿足水流歸槽及消能防沖的要求。為此，在斜切挑坎的基礎上提出折線大斜切挑坎。通過模型試驗的方法，測量不同折線大斜切挑坎體型在不同來流條件下，挑射水流的擴散情況和下游水墊塘內的底板壓力分布，以研究折線大斜切挑坎的水力特性。結果表明：相較于傳統斜切挑坎，折線大斜切挑坎既可以實現對挑流水舌水量和入水范圍的靈活調整，也可以緩解水墊塘壓力分布的不均勻現象。研究結果可為折線大斜切挑坎的工程設計和應用提供一定的參考。

關 鍵 詞：折線大斜切挑坎；空中擴散；水墊塘壓力；挑流消能；兩河口水電站

中圖法分類號：TV135.2

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.026

0 引 言

挑流消能具有工程設施簡易、挑坎體型設計靈活的優點，被廣泛應用在水利工程中^［1-2］。挑流鼻坎的合理選擇是水利工程安全運行的重要基礎，在解決實際工程需要的過程中出現了連續坎、差動坎、斜切坎、扭曲坎、舌型坎、擴散坎、窄縫坎、燕尾坎等多種型式的挑坎^［3-6］。其中斜切坎主要用于岸邊泄水建筑物，以解決溢洪道與河槽有夾角時挑射水流的歸槽問題，例如邱春等為解決由于某溢洪道與河道夾角較大而提出了斜切坎，并進行數值模擬，為確定水舌入水范圍與采取防護措施提供了參考^［7］；Li等通過數值模擬優化的斜切坎使得出挑水流順利回歸下游主河道^［8］；楊首龍通過系列模型試驗提出了計算斜切坎流速系數、出挑流速和出挑水深等參數的經驗公式，并推薦了下游最大沖深和底板反弧半徑的計算公式^［9］；薛宏程等采用數值計算的方法得到了斜切坎水舌挑距、水舌入水角和入水流速等參數，并結合下游地質條件計算了沖坑深度^［10］；莫海春等根據實際工程獲得了斜切坎出挑水流入水寬度與切角的定量關系^［11］；曾貝佳證明了利用數值模擬計算出的斜切坎入水長度計算下游沖坑的深度是可行的^［12］；張守磊等通過水力計算給出了斜切坎切角與水舌挑距的關系^［13］；Ran等通過數值模擬分析了斜切坎出口斷面流速的分布特征，并計算了挑坎體型參數和來流條件對擴散角的影響規律^［14］。此外，潘露等還基于斜切坎提出了內凹折線型斜切坎，良好地控制了主流的入水點^［15］。

下游河道地質條件較好時，為減小工程量，可以考慮護岸不護底的消能對策，例如雙學珍等通過優化挑坎使得出挑水舌滿足了河道的沖刷要求^［16］，而工程中在布置水墊塘時常對水墊塘內動水壓力做出一定的限制^［17］。因此確定水墊塘內的壓力分布情況對于工程設計有著重要意義，黃種為等根據二元淹沒射流擴散理論推導，認為最大沖擊壓力與射流沖量成正比，與水墊厚度成反比^［18］；練繼建提出了入水角處于60°～65°范圍內淹沒射流的水墊塘底板時均沖擊動壓計算式^［19］；許多嗚等給出了入水角度在40°～50°范圍內水墊塘底板時均沖擊動壓計算式^［20］；鄧軍等通過試驗發現，射流摻氣會明顯增加平底水墊塘底板上的脈動壓強^［21］。

兩河口水電站的洞式溢洪道在模型試驗階段采用斜切挑坎時，水舌落點靠近岸坡，且對下游沖刷嚴重，基于斜切挑坎提出的折線大斜切挑坎能比較理想地解決以上問題。但折線大斜切挑坎由于底板缺失，使得出挑水流的空中形態、水量分配都與傳統斜切坎有所不同，水墊塘內壓力分布規律也尚不清楚，因此本文擬通過模型試驗的方法研究折線大斜切挑坎出挑水流的空中擴散情況，以及水墊塘內的壓力分布規律。

1 研究方法

1.1 模型布置與測量

圖1（a）為兩河口水電站的明流泄洪洞布置圖，洞式溢洪道初設挑坎為窄縫坎，挑坎中心高程2 685.15 m，下游天然河道未防護，由于溢洪道出口與下游河道存在夾角，根據工程經驗宜設置斜切挑坎。不考慮摻氣坎，將無壓洞段適當縮短后按照重力相似準則搭建比尺為1∶80的溢洪道單體正態模型，具體布置如圖1（b）、圖1（c）所示。模型主要由上游水庫、進口段（喇叭型進口、進口溢流堰）、無壓洞段、明渠斜槽段和出口挑坎組成，下游布置平板水墊塘和薄壁堰。進口喇叭口型式為工程實際的不對稱體型；進口溢流堰為WES型實用堰，堰頂標高為60.00 cm；無壓洞段長2.00 m，斷面為城門洞形，頂拱為一圓孤，半徑為11.13 cm，圓心角為128°，邊墻高度為21.25 cm，底板寬度為20 cm，底坡i₀=0.015；明渠斜槽段全長4.80 m，斷面為矩形，尺寸20.00 cm×16.00 cm（寬×高），底坡i=0.323 3，通過拋物線與無壓洞段連接；挑坎最低點與水墊塘底板的垂直高度為1.20 m，下游水墊塘尺寸為5.00 m×1.20m ×0.70 m（長×寬×高）。

本次試驗主要測量內容為不同來流水位及不同挑坎體型下，出挑水流空中擴散軌跡線及下游水墊塘底板壓力。測量裝置如圖2所示，其中軌跡線利用平面投影的方法測量，即在水墊塘右側布置3根矩形立柱，配合水平布置在立柱上的縱梁，從而確定空中水舌在不同高程時的縱向坐標，進而通過系列實測的數據點來描繪出挑水流的軌跡線。內緣水舌橫向挑距指內緣水舌入水點與挑坎左岸邊墻的間距。采用數字壓力傳感器測量水墊塘內壓力變化，壓力傳感器量程20 kPa，精度為0.1%。基于傳感器測量的實時壓力過程線提取壓力平均值作為壓力分析數據，具體的壓力測點布置如圖3所示。

1.2 研究方案

試驗研究了7種挑流鼻坎的水力特性，挑坎體型如圖4所示。其中體型1為典型的斜切挑坎型式，左岸邊墻長80.75 cm；右岸邊墻平面形狀為一半徑為62.50 cm的圓弧，沿水流方向長度為19.25 cm；底板由兩段反弧半徑分別為62.50 cm和93.75 cm的底板在最低處相切組成，最大寬度為23.00 cm。在體型1的基礎上，長邊墻上游22.13 cm處保留寬度為3.63 cm的底板，形成兩折線型底板的體型2，其余保持不變。體型3～6均為在挑坎底板不同位置保留不同寬度，形成的三折線型底板，其中體型5、體型6左邊墻長77.00 cm。體型7左邊墻長83.13 cm，右邊墻平面形態為一段半徑為93.75 cm的圓弧，沿水流方向長度為17.88 cm；底板反弧半徑為87.50 cm，最寬21.88 cm，在其左邊墻上游31.25 cm和59.00 cm處分別保留5.00 cm和15.00 cm寬的底板，形成三折線型底板。

1.3 試驗工況

試驗的具體工況見表1，工況1～6為試驗水頭為0.36 m時體型1～6的試驗工況，體型7的試驗工況按照上游水位從高到低的順序排列為7-1、7-2等。

2 結果與分析

2.1 水舌空中形態

在試驗中發現，7個挑坎體型在Z向（垂向）擴散效果均比較好，不同挑坎體型水舌空中形態的差異主要在于其入水范圍和水量分配的不同。圖5為上游水位為0.96 m時，不同體型下出挑水流的空中擴散情況。可以看出，工況1水舌整體的縱向入水范圍較大；在靠近水舌外緣的區域存在水量集中分布的現象，該區水舌的入水位置非常靠近水墊塘右邊墻，會導致右岸發生較為嚴重的沖刷破壞。工況2修改挑坎遠端的底板型式后，外緣水舌的入水范圍明顯向水墊塘中軸線移動，但水量集中分布現象仍然存在；內緣水舌基本不受影響。工況3調整挑坎近端底板型式后，內緣水舌的入水邊界與水墊塘中軸線的夾角明顯增加，外緣水舌水量集中現象有一定程度的減弱。工況4、工況5的內緣水舌空中形態基本不變，外緣水舌水量集中現象較工況3變化小。工況6內緣水舌入水邊界與水墊塘中軸線的夾角進一步增加，內緣橫向挑距也明顯減小；水量集中現象較工況3未發生明顯變化。工況7-1空中水舌入水時基本呈現出“一”字形樣式，未見明顯的水量集中現象，水量分布均勻，內緣水舌橫向挑距進一步減小。

相較于以往的用單位寬度流量q來衡量水舌的擴散情況，定義單位折線長度流量q_p以更好地表征折線大斜切挑坎的擴散情況：

q_p=Q/p

式中：q_p為單位折線長度流量，m²/s；Q為來水流量，m³/s；p為挑坎折線長度，m。

從上式可以發現，在挑坎長度相同時，單位折線長度流量在體型1時取值最大，在體型4時取值最小。

基于以上分析可知，挑坎體型對出挑水流的橫縱向擴散具有顯著影響，具體表現為以下3點：

（1）挑坎短邊墻附近底板的折線大斜切主要對內緣水流產生影響，折線斜切越大即切角越大和切線越長，內緣水流入水邊界與水墊塘中軸線夾角就越大，橫向挑距就越小。

（2）挑坎長邊墻附近底板的折線大斜切主要對外緣水流產生影響，折線斜切可以將外緣水舌的入水邊界向水墊塘中心偏移。

（3）底板折線大斜切線長增加對于水量的均勻擴散具有積極作用，當來流條件、挑坎長度一定，折線長度增加時，單位折線長度流量減小。

2.2 軌跡線和挑距

縱向軌跡線表征水舌的入水范圍，影響下游水墊塘布置范圍。來流條件相同時，不同體型出挑水流的軌跡線分布情況如圖6所示，其中不同體型下X向（縱向）和Z向（垂向）的計算起點均為體型1時挑坎末端短邊墻與底板交點。不同體型短邊墻沿水流方向長度不同，在體型6時取最小值13.00 cm，在體型7時取最大值23.00 cm，其他體型時取值為16.00 cm。故而其余工況下的內緣軌跡線基本都分布在工況6和工況7-1的內緣軌跡線之間，且分布相對集中。

工況1的外緣水舌軌跡線與其余工況存在明顯差異，其出挑水流挑射最高且最遠，而其余工況的外緣水舌軌跡線分布相對集中，即使工況7-1的長邊墻最長，但其外緣輪廓線也比工況1更低更近。

基于前文分析可知，挑坎體型7出挑水流形態最為理想，該體型下不同來流條件時出挑水流挑距見圖7。當試驗水頭在0.28～0.36 m范圍內變化時，水舌內緣挑距基本穩定在1.73 m附近，表明上游水頭在此范圍內變化時對水舌內緣挑距影響較小；當試驗水頭從0.24 m逐漸降低到0.12 m時，水舌內緣挑距逐漸從1.67 m減小至1.31 m，表明上游水頭在此范圍內變化時，水舌內緣挑距隨著試驗水頭的降低而減小。水舌內緣橫向擴散距離隨著試驗水頭的降低而減小。例如：當試驗水頭為0.36 m時，水舌內緣橫向擴散距離為0.67 m；上游水頭為0.12 m時，內緣橫向擴散距離為0.40 m。水舌外緣挑距與內緣橫向擴散距離變化相同，亦隨上游水頭的降低而減小；當試驗水頭從0.36 m降低到0.12 m時，外緣挑距從3.13 m減小至2.25 m。

綜合分析，相較于典型斜切坎，折線大斜切挑坎對出挑水流的縱向擴散軌跡線影響較小，體型7的外緣水舌挑距隨著上游水位的增大而增大，而內緣水舌挑距隨著上游水位的增大而增大，但達到某一臨界值后逐漸穩定。

2.3 水墊塘底板壓力

工況1到工況7-1的水墊塘底板壓力分布如圖8所示，其中橫坐標為沿水流方向的縱向距離，縱坐標為水墊塘底板壓力水頭，Y為橫向距離，水墊塘右岸邊墻處Y=-95.00 cm。工況1水舌外緣入水區域產生了較大的壓力，壓力水頭為29.79 cm，此區域與2.1節中水量集中區入水的位置一致。工況2壓力最大位置靠近水墊塘中軸線，但最大壓力水頭P較大，為35.22 cm。相較于工況2，工況3出挑水流水量集中現象得到一定程度的緩解，水墊塘底板最大壓力水頭減小至30.11 cm。工況4水墊塘底板壓力在橫向分布的不均勻程度相較于工況3有所增加，但最大壓力水頭減小到28.93 cm。工況5水墊塘底板壓力整體減小，壓力分布較工況4比較均勻。工況6的最大壓力水頭降低到24.77 cm，但在測量區中心區出現了局部壓力減低區，其最小壓力水頭為7.28 cm。體型7水墊塘底板依然存在局部壓力降低現象，最小壓力水頭僅為1.21 cm，其整體的壓力水頭更小，沿水流方向的壓力變化梯度相對較小。圖9揭示了在該區壓力降低的原因為該區的水墊在射流的作用下被推離射流入水邊界，使得該區的水墊深度迅速降低，從而在此區域出現局部壓力降低現象。

圖10的壓力云圖揭示了相較于斜切挑坎，設計合理的折線大斜切挑坎水墊塘內整體的壓力更小，也更加均勻。

在上游不同水頭時，體型7水墊塘底板壓力分布如圖11所示，當上游水位降低時，由于水舌對水墊塘底板的沖擊壓力減小，水墊可以在沖擊區穩定存在，因此水墊塘底板中心處壓力降低的現象會有明顯的改善。可以發現上游水頭為0.32 m時，雖然出現局部的壓力降低，但最小壓力水頭為8.39 cm，較0.36 m時已明顯改善。而當上游水頭降低到0.28 m時，局部壓力降低的現象基本不存在，水墊塘底板整體的壓力分布較0.36 m時更加均勻，最大壓力水頭為21.11 cm。當上游水頭介于0.12～0.24 m之間時，水墊塘底板壓力分布較為均勻，隨著上游水位逐漸降低，水墊塘底板壓力也不斷減小。

體型7部分試驗水頭時水墊塘壓力云圖見圖12，可以發現，當試驗水頭減小到0.28 m以下低壓區消失時，水墊塘內壓力分布均勻。

基于以上對水墊塘底板壓力變化的分析，發現折線大斜切挑坎可實現出挑水流大偏轉及強剪切消能，水墊塘壓力分布情況表明其水流歸槽和剪切消能效果較好。

3 結 論

本文通過研究折線大斜切坎的水力特性發現，折線大斜切挑坎可以實現對出挑水流水量和挑距的靈活調整。在短邊墻底板，折線大斜切可以增加內緣水流入水時與水墊塘中軸線的夾角，也可以減小內緣水流的橫向擴散，但對內緣縱向軌跡線的影響較小；在長邊墻底板，折線大斜切可以拉近和拉低外緣水流空中軌跡，并減小外緣挑距；折線線長的增加對水舌水量的均勻分配產生積極影響。內緣縱向挑距隨試驗水頭的增加呈現出先增加后穩定的變化趨勢，外緣縱向挑距則是隨試驗水頭的增加而增加。折線大斜切挑坎可以通過改變水舌主流的擴散情況和分布位置來調整水墊塘內底板壓力的分布情況，設計合理的體型較斜切坎可以減小水墊塘內壓力分布的不均勻程度和壓力梯度。

參考文獻：

［1］趙興龍，韓雷，王正君，等.淺談挑流消能相關研究進展 ［J］.水利科學與寒區工程，2022，5（4）：51-53.

［2］劉強，朱安龍.某工程消能建筑物設計與優化 ［J］.人民長江，2016，47（增2）：64-67.

［3］陳華勇，許唯臨，鄧軍，等.窄縫消能工水力特性的數值模擬與試驗研究 ［J］.水利學報，2012，43（4）：445-451.

［4］陳日東，劉順東，周曉泉，等.扭曲型挑坎挑流的數值模擬 ［J］.水利水電科技進展，2008（2）：8-12.

［5］朱雅琴，張法星，許唯臨.舌形挑流鼻坎水力特性研究 ［J］.科學技術與工程，2004（5）：397-402，408.

［6］DENG J，YANG Z L，TIAN Z，et al.A new type of leak-floor flip bucket［J］.Science China Technological Sciences，2016，59：565-572.

［7］邱春，劉承蘭，趙彤.帶斜切型挑坎的溢洪道水力特性三維數值模擬 ［J］.東北水利水電，2015，33（7）：45-48，72.

［8］LI G D，LI P F，LI X G，et al.Numerical optimization of oblique cut bucket and its application in ski jump of Shiziya Dam［J］.ISH Journal of Hydraulic Engineering，2022，28（1）：380-389.

［9］楊首龍.單圓弧斜切雙擴散坎消能工的水力設計 ［J］.人民長江，2004，35（9）：20-21.

［10］薛宏程，刁明軍，岳書波，等.溢洪道出口斜切型挑坎挑射水舌三維數值模擬 ［J］.水利學報，2013，44（6）：703-709.

［11］莫海春，陳和春，羅倫，等.斜切挑坎水舌入水寬度隨切角變化規律研究 ［J］.水電能源科學，2013，31（11）：124-126，254.

［12］曾貝佳.計算斜切挑坎沖坑深度的方法探討［J］.四川水力發電，2016，35（5）：104-107.

［13］張守磊，陳和春，張坤.斜切挑流鼻坎水舌挑距水力計算研究 ［J］.中國水運（下半月），2008（12）：160-161.

［14］RAN Y B，LIU C，DENG J，et al.Numerical simulation study on spread angle in oblique cut flip bucket［J］.Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2023，17（1）：2236673.

［15］潘露，王川.溢洪道出口挑流鼻坎體型優化試驗研究 ［J］.人民長江，2018，49（增2）：128-130，153.

［16］雙學珍，于廣斌，張婧鎂，等.基于挑坎優化的護岸不護底水墊塘底板沖刷試驗 ［J］.人民長江，2020，51（7）：162-167.

［17］黃國強.水墊塘內動水壓力允許值的探討 ［J］.湖北水力發電，2009（5）：23-27.

［18］黃種為，陳瑾.高拱壩泄洪與水墊塘底板動水壓力問題的試驗研究 ［J］.水利學報，1992（11）：50-56.

［19］練繼建.二元射流作用下邊壁動水荷載及其應用 ［D］.天津：天津大學，1987.

［20］許多嗚，余常昭.平面水射流對槽底的沖擊壓強及其脈動特性 ［J］.水利學報，1983（5）：52-58.

［21］鄧軍，許唯臨，劉善均，等.射流摻氣對水墊塘及坑底壓強影響的實驗研究 ［J］.水科學進展，2009，20（3）：373-378.

（編輯：郭甜甜）

Hydraulic characteristics of folding-line large oblique cutting bucket

MA Zhi，DENG Jun，WEI Wangru，LONG Qiang

（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract：Oblique cutting trajectory buckets are used in water conservancy projects whose axis of discharge structure intersects with the natural channel at an angle.However，if the downstream channel is too narrow，the oblique cutting bucket can not meet the requirements of the water flow returning to the channel and the energy dissipation and erosion prevention tasks.For this reason，based on the traditional oblique cutting bucket，a folding-line large oblique cutting bucket was proposed.This article used model experiments to measure the diffusion of water jets and the pressure distribution on the bottom plate in the downstream plunge pool under different inflow conditions for different types of folding-line large oblique cutting buckets，and the hydraulic characteristics of the folding-line large oblique cutting bucket are obtained.The results showed that compared to traditional oblique cutting buckets，the folding-line large oblique cutting bucket can not only flexibly adjust the volume and water-falling position of the jet flow，but also alleviate the uneven distribution of pressure in the plunge pool.The research results can provide a certain reference for the engineering design and application of the folding-line large oblique cutting buckets.

Key words：folding-line large oblique cutting bucket; aerial diffusion; pressure of plunge pool；trajectory bucket type energy dissipation; Lianghekou Hydropower Station