溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨

黄智敏,付 波,陈卓英,钟勇明

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)



溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨

黄智敏,付 波,陈卓英,钟勇明

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

溢洪道差动式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的扩散、碰撞、掺气和消能率，从而减轻下游河床的冲刷。目前对差动式挑坎水力特性研究成果仍较少，给工程设计带来极为不便。在现有的文献和成果总结和分析的基础上，开展了差动式挑坎下游河床冲刷特性的试验研究，对差动式挑坎段的水面线、挑射水舌挑距及其下游河床冲刷特性和计算方法进行探讨，并进一步补充了差动式挑坎下游冲刷影响系数与其体型和泄流水力参数的关系。研究成果与水力模型试验结果较吻合，可供类似工程设计和运行参考。

溢洪道；差动式挑流鼻坎；水面线；挑距；冲深

1 概述

溢洪道差动式挑坎是在连续的挑坎上设置齿、坎相间的挑坎，促使溢洪道下泄急流挑离鼻坎时上、下分散，增大挑射水流在空中的碰撞、紊动、掺气以及在下游河道水流的淹没扩散，以减轻对下游河床的冲刷[1](见图1)。差动式挑坎已在国内众多的溢洪道工程中得到了应用[2-4]，但目前对其水力特性研究成果仍较少，给工程设计带来极为不便。本文综合现有的有关文献和成果，对差动式挑坎段的水面线、挑射水舌挑距及其下游河床冲刷坑深度等特性和计算方法进行探讨，供相关的工程设计和运行参考。

图1 差动式挑坎挑射水舌示意

2 差动式挑坎段水面线特性和计算

通常，溢洪道沿程水面线计算可以分为溢流堰曲线段、坝面陡坡段和反弧段等3部分，其中反弧段又可以分为上反弧段和下反弧段两部分。溢流堰曲线段、坝面陡坡段沿程水面线的计算方法已较成熟，具体可参见有关的文献[1]；文献[5]对连续式反弧段水面线计算方法进行了分析和探讨，可供工程设计参考。由于溢洪道差动式挑坎一般多设置在反弧段的下反弧段中，因此，可根据已有的文献和成果，在溢洪道泄流落差和单宽流量确定的条件下，计算出溢洪道反弧段底部断面的水深后，再计算出下反弧段的差动式挑坎出口断面水深及流速值，作为差动式挑坎出口下游挑射水舌水力参数计算的依据。

由图2，在反弧段泄流单宽流量和反弧段底部断面水深值已知的条件下，文献[5]提出的溢洪道下反弧段沿程水深的计算公式为：

(1)

(2)

(3)

图2 下反弧段水深计算示意

图3 溢洪道挑射水舌及下游河床冲刷示意

由式(1)～(3)，由已知的差动式挑坎体型参数，可采用分段方法分别计算出差动式挑坎出口断面的高、低坎断面水深和流速值。若溢洪道差动式挑坎从反弧段的上反弧段中开始设置，则可以根据文献[5]等计算出挑坎沿程水深值。

3 差动式挑坎水舌挑距计算探讨

(4)式中L为自挑坎末端算起至下游河床面的挑流水舌外缘挑距,m；θ为挑流水舌水面出射角；h1为挑流鼻坎末端法向水深，m；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m，如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离，该值可采用坎顶至冲刷坑最深点高程差；v1为鼻坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎顶处平均流速v的1.1倍计算。

[7] 等对式(4)的差动式挑坎水舌挑距的计算参数作如下假设：

1) 挑坎出口断面的水深h1取高、低坎出口断面的平均水深，其坎顶水面流速v1取高、低坎出口断面平均流速的1.1倍。

2) 挑坎出口断面高程取高、低坎高程的平均值。

3) 挑坎挑角θ取高、低坎挑角的平均值；根据差动式高、低坎出口断面的宽度，其平均挑角θ可采用式(5)计算：

(5)

式中θ1，b1为高坎挑角和出口断面总宽度，高坎两侧斜坡面的投影宽度按高、低坎平分；θ2，b2为低坎挑角和出口断面总宽度；挑坎平均挑角θ值范围为：θ2≤θ≤θ1。

文献[7] 通过众多水力模型试验资料分析，得出了上述计算的溢洪道差动式挑坎下游河床冲坑底部挑距与水力模型试验冲刷坑底部上、下边缘挑距平均值相近的结论，并建议将计算的下游河床冲坑底部的挑距L值乘以折减系数0.8～0.9(单宽流量q较大者，可取较小值)，作为差动式挑坎下游河床冲坑底部上边缘的挑距。

4 差动式挑坎下游河床冲深计算

4.1 已有的研究成果

溢洪道连续式挑坎下游河床冲刷深度可采用式(6)进行计算：

T1=Kq0.5Z0.25

(6)

式中T1为冲刷坑深度，由下游水位与冲坑底高程之差计算；q为挑坎出口单宽流量；Z为泄流上、下游水位差；K为下游河床基岩冲刷系数。

文献[7～8]对差动式挑坎的下游河床冲刷深度计算方法进行了探讨，提出的计算公式为：

T2=βKq0.5Z0.25

(7)

(8)

式中T2为差动式挑坎下游河床冲刷深度；β为差动式挑坎冲刷影响系数，β≤1；q为挑坎出口单宽流量；H为挑坎进口断面总水头；a为高、低坎的高程差；g为重力加速度；其他参数意义见式(6)。

表1 白盆珠溢流坝运行水力参数和下游河床冲刷特性

2) 参考文献[10]的溢流坝，其堰顶高程292.0 m，下游反弧段曲率半径R=10 m，反弧底高程270.9 m，陡坡段和反弧段断面宽度为34 m，反弧段挑坎体型为：①连续性挑坎挑角25°，出口断面高程271.84m；②差动式高坎挑角为30°、出口断面高程272.24 m，低坎挑角为0°、出口断面高程为270.9 m。溢流坝下游河床基岩面高程约258.0 m，河床基岩抗冲流速v=6～7 m/s。

表2 溢流坝运行水力参数和下游河床冲刷特性

(9)

5 算例

5.1 工程概况

七礤水库溢洪道堰顶高程78.1 m，堰后接1∶5的陡槽段，陡槽段净宽为22 m；陡槽段下游出口采用挑流消能。挑坎下游河床面高程约48.0 m，下游河床的基岩为强风化细沙岩、粉沙岩，岩石破碎严重，裂隙发育。

经水力模型试验得到的溢洪道下游差动式挑坎布置方案为[11-12]：挑坎设置3个高坎、4个低坎，反弧段底部断面高程为59.56 m(桩号0+093.34)。差动式高坎的上游端起始断面桩号0+093.34、末端断面桩号0+102.68，其反弧曲率半径R1=15 m，挑射角θ1=25°，出口断面高程60.97 m，高坎两侧坡坡度为1∶0.5；低坎的起始断面桩号0+099.76、末端断面桩号0+103.74，其反弧曲率半径R2=22.38 m，挑射角θ2=10°，出口断面高程为59.9 m(见图5)。

对溢洪道100年一遇洪水流量(P=1%、Q=700.2 m3/s、库水位Z=84.98 m、下游河道水位Zd=53.8 m)运行情况的差动式挑坎水力参数和下游河床冲刷状况进行计算，并与水力模型试验结果进行对比分析。

图5 溢洪道挑坎布置示意(单位：m)

5.2 挑坎出口断面水深计算

以水力模型测试的反弧段底部断面平均水深h=1.62 m、平均流速v=19.65 m/s[12]，由式(1)～(3)计算出下游差动式高、低挑坎沿程水深值。

1) 差动式高坎挑角θ1=25°，将高坎沿程水深分为3段计算(每段△θ=8.33°)，计算中令式(1)等号左侧为A、右侧为B，计算过程见表3；计算得高坎下游出口断面水深为1.69 m。

表3 高坎沿程水深计算过程和结果

2) 差动式低坎的挑角θ2=10°，将低坎沿程水深分为3段计算(其中桩号0+096.34至0+99.76为水平段，反弧段分为2段、每段Δθ=5°)，参照表1的计算过程，由式(1)～(3)计算出低坎下游出口断面水深为1.65 m。

因此，可计算出高、低挑坎出口断面平均水深为1.67 m、平均流速为19.06 m/s。

5.3 下游河床冲深计算

5.4 下游冲坑底部挑距计算

由差动式高、低坎出口断面高程和挑角等，计算差动式挑坎出口断面平均高程为60.44 m和平均挑角为19.2°，见式(5)。因此，根据差动式挑坎出口断面水力参数(挑坎末端平均水深h1=1.67 m、鼻坎顶水面流速v1=1.1×19.06=20.97 m/s)和冲坑底部高程(31.27 m)等，由式(4)计算出下游河床冲坑底部挑距L=65.47 m。

参照文献[7]，将计算的挑距L值乘以折减系数0.86，得出差动式挑坎下游河床冲坑底上边缘的挑距为56.3 m。本文计算的下游河床冲坑底高程、冲坑底上边缘挑距等与水力模型试验成果较吻合(见表4)。

表4 下游河床冲坑底高程及其上边缘挑距的试验值与计算值比较

6 结语

本文对溢洪道差动式挑坎水力特性、下游河床冲坑深度和挑射水舌挑距等计算方法进行研究，取得的主要成果有：

2) 在溢洪道反弧段泄流单宽流量和反弧段底部断面水深(或反弧段进口断面水深)已知的条件下，可采用反弧段沿程水深计算公式计算出差动式挑坎的高、低坎沿程水面线，再采用差动式挑坎的平均挑角、出口断面平均高程、挑坎出口断面平均水深和流速、冲坑底高程等，计算出挑坎下游河床冲坑底部的挑距。

参考文献：

[1] 华东水利学院.水工设计手册(第6卷 泄水与过坝建筑物)[M].北京：水利电力出版社，1982．

[2] 雷川华， 田士豪 ，费文才.峡口水电站泄水建筑物体型优化试验研究[J].中国农村水利水电，2005(2)：109-111．

[3] 张 挺，刘延琼，刘艳如，等. 高扩散低收缩差动式挑坎不同体型参数水力特性研究[J].水利科技，2010(4)：36-40．

[4] 吴鹏，夏新利，侍克斌.差动式挑流消能挑距分析[J].人民黄河，2010，32(4)：100-101．

[5] 黄智敏，钟勇明，陈焕新. 溢流坝反弧段水面线简化计算探讨[J].广东水利水电，2011(9)：1-3．

[6] 溢洪道设计规范：SL 253 — 2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000．

[7] 黄智敏，付波，陈卓英，等.溢洪道差动式挑流鼻坎挑距和冲深特性探讨[J].水利科技与经济，2012，18(10)：79-81，85．

[8] 黄智敏，何小惠，钟勇明，等.乐昌峡水利枢纽工程溢流坝泄洪消能研究[J].长江科学院院报，2011， 28(5)：18-22．

[9] 广东省水利水电科学研究所.西枝江水利枢纽工程整体模型水工试验报告[R].广州：广东省水利水电科学研究所，1979．

[10] 广东省水利水电科学研究院.连山壮族瑶族自治县德建水库溢流坝水工模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院，2013．

[11] 姚锦玉.七礤水库溢洪道重建工程挑坎设计优化[J]. 广东水利水电，2013(6)：68-70．

[12] 广东省水利水电科学研究院.河源市源城区七礤水库除险加固工程溢洪道水工模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院，2008．

(本文责任编辑 马克俊)

Calculation Discussion and Analysis on Hydraulic Characteristics of Spillway Differential Flip Bucket

HUANG Zhimin，FU Bo，CHEN Zhuoying，ZHONG Yongming

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangzhou 510635,China)

Differential flip bucket of spillway can increase collision，turbulence，aeration and energy dissipation rate of nappe，thus greatly reduce scour depth of the downstream river bed. At present, the study results of the hydraulic characteristics of differential flip bucket are still less, which is very inconvenient for the engineering design. Based on the summary and analysis of existing literatures and results, and the experimental study of the downstream river bed scour depth of differential flip bucket has been carried out，the hydraulic characteristics and calculation method of water surface profile, nappe distance and scour depth of the river bed of the differential flip bucket are discussed, and the relationship between the influence coefficient of the downstream scour and its body size and the discharge hydraulic parameters is further added. The results are in good agreement with the results of hydraulic model test, which can provide reference for similar engineering design and operation.

spillway； differential flip bucket； water surface profile； flip nappe distance； scour depth

2016-04-29;

2016-08-25

黄智敏(1957)，男，硕士，教授级高级工程师，主要从事水工水力学及河流动力学研究。

TV651.1

A

1008-0112(2016)09-0001-05