新疆某水利枢纽表孔出口挑坎水力学试验分析

陈 铭

(新疆水利水电勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水利工程泄水建筑物的末端往往因为水流流速过大，会设置一些消能装置[1]，例如挑流鼻坎[2]。当下泄急流被抛向空中，水流与空气发生碰撞可以消耗大部分势能[3]，然后落入距出水口较远的河床之后与下游水流相衔接[4]。通过调整挑流鼻坎体型，能有效地控制水流落入下游河床的位置、范围及流量分布[5]，对下游水位变幅产生适应性效果，减少对下游冲刷破坏，减少堆积物的阻流影响[6]，保证下游水流通道顺畅，减少雾化对挑坎下游两侧边坡的侵蚀破坏[7]是设计的关键。但是，设计难点在于，如何选择合适的挑坎体型来获得最大的挑距，形成较小的冲坑，产生尽可能小的不利影响[8]，其次挑流鼻坎能承受高速水流的冲击下的自身稳定，抵御抗冲破坏的能力等[9，10]。本文通过水力学缩尺模型，验证不同工况下，在鼻坎末端设置与不设置差动坎时水流模态等水流要素，最终确定是否需要设置挑坎以及合适的挑坎体型，为工程设计提供技术借鉴[11，12]。

1 工程概况

新疆某水利枢纽工程为大(1)型Ⅰ等工程。工程利用河段落差和下泄某干流生态水、灌溉下泄水、冬闲水发电，电站装机容量730 MW，多年平均输送电量22.34亿kW·h。工程由拦河坝、1#表孔溢洪洞、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#深孔放空排沙洞、2#深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流引水洞及其厂房等主要建筑物组成。1#、2#表孔和中孔出口由挑坎挑入共用的水垫塘中消能。

2 基本方案布置

溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段和出口挑流消能段组成。出口采用挑流消能方式，挑流鼻坎反弧半径为50.00 m，挑角为17.975°，最大挑射距离169.14 m，冲刷坑深度52.87 m(黄海高程，下同)。挑坎后为护坡段，后接水垫塘，水垫塘后接退水渠，将洪水引向原河道[19]，表孔出口挑坎剖面图详见图1。

3 水力学模型基本工况

依照水工(常规)模型试验规程DL/T 5244-2010[12]，模型按重力相似准则进行设计，采用正态模型。确定模型几何比尺为50。

各个物理量的比尺：流速比尺7.07；流量比尺17 677.70；糙率比尺1.92。混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率为nm=0.006 2～0.007 3，有机玻璃糙率为0.007，采用有机玻璃做模型材料制作泄水建筑物满足要求。

图1 表孔出口挑坎剖面图/挑坎测压管布置图

4 试验工况说明

根据模型测试程序及试验测试内容，制定了本模型实验的试验工况、运行工况、观察内容等，模型试验工况见表1。

表1 模型试验泄洪工况表

在以上6种泄洪工况条件下，通过对表孔溢洪洞的起挑水位、终挑水位、出口流态、消能效果情况进行测试，并改进、优化挑流鼻坎体型。方案五运行建筑物为P=0.01%：1#表孔+2#表孔+中孔；方案六运行建筑物为P=0.1%：1#表孔+2#表孔。

5 试验成果分析

对于挑坎的沿程压力分布，挑坎段安装测压管，测压管布置见图1，时均动水压强实测记录数据列于表2，以及水垫塘时均压力等值线图见图2。

表2 时均动水压强实测结果 9.8 kPa

6 成果分析及结论

从图2分析表明：在表孔末端的挑坎设置差动坎与不设差动坎的水舌形态稍有差异，去掉差动坎后水舌扩散不如有差动坎充分。从水垫塘底板时均压强的分布看并无显著差异，或者说，挑坎的修改未对水垫塘带来不良影响。减小表孔挑坎的空蚀破坏，差动坎本身容易受到高速水流的空蚀破坏，尽管模型实测无负压。因此，本次试验证明本工程可以不设置表孔挑坎的差动坎。依此，为本工程设计提供依据。

图2 水垫塘原设计有差动与无差动坎的时均压力及等值线图

[1] 李颖，陶永霞，刘子祺，等.吉布洛电站上游调蓄水库泄水建筑物水工模型试验研究[J].电网与清洁能源，2016，32(7)：149～154.

[2] 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.

[3] 张先起，梁川.紫坪铺水利枢纽工程溢洪道挑坎体形研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2002，34(3)：28～30.

[4] 侯冬梅，占桂泉，王才欢，等.挑坎水舌运动轨迹控导措施研究[J].长江科学院院报，2013，30(3)：16～20.

[5] 邱春，岳书波，刘承兰.带差动挑坎的溢洪道流场三维数值模拟[J].广西水利水电，2014(6)：3～7.

[6] 赵，荥，杨敏，齐春风.阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择[J].南水北调与水利科技，2016，14(5)：124～129.

[7] 韩守都，刘韩生，倪汉根.直线边墙窄缝挑坎的水力计算[J].水利水电科技进展，2012，32(2)：54～56.

[8] 向蕾.某水电站溢洪道水工模型试验研究[J].黑龙江水利科技，2015(7)：53～54，139.

[9] 胡建春，陈鸿宇.水电站泄水建筑物消能方案试验研究[J].湘潭大学自然科学学报，2013，35(3)：119～121.

[10] 卞全，马晓华.新疆柳树沟水电站工程的泄水建筑物设计[J].水利与建筑工程学报，2014，12(4)：116～119.

[11] 张鲁鲁.新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究[J].西北水电，2016(1)：80～82.

[12] DL/T 5244-2010水工(常规)模型试验规程.