那棱格勒泄洪洞挑坎水力特性试验研究

李 双，王均星，周 招，李辉成

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

我国西部地区水能资源蕴藏丰富，建成了一大批具有世界顶尖水平的大型水利水电工程，这些水利工程往往具有“高水头、大流量”的特点[1]。由于来流能量巨大，这些水利枢纽需要设置消能工，以保护下游建筑物及河道免受高速水流的冲刷破坏。为保证枢纽的正常运行，有必要对这些水利工程的消能工设计进行深入研究。

挑流消能作为一种传统消能方式，主要利用在泄水建筑物末端设置挑流鼻坎，使水流在空中抛射、扩散或碰撞，将水流挑射至下游河床较远处，并在空中和入水过程中尽量分散，消杀大量能量[2,3]。

关于泄洪洞挑坎体型对相关水力特性的影响，国内学者针对不同挑坎体型、挑坎角度、挑坎扩散角等相关方面做了大量研究，取得了可观的成果。谭哲武[4]、刘达[5]、张莹莹[6]等人基于多条泄洪洞联合挑射泄流，针对窄缝式、斜切式、燕尾式等新型挑坎的水力特性进行了试验研究，研究发现窄缝与燕尾的组合挑坎较常规挑坎可以将水舌纵向拉开，横向扩散，减小单宽流量，从而减轻下游冲刷。王英奎等[1]针对挑坎挑角对消能效果的影响做了深入探究，发现不同挑角使泄洪水舌挑距不同，从而使泄洪水舌纵向分散入水，增强消能效果。余挺等[7]通过对下游冲刷效果的试验量测，研究不同扭曲角度对扭曲式挑坎的消能效果的影响，结果表明扭曲式挑坎主要增大了入水宽度，从而增大扩散面积，减轻下游冲刷。

那棱格勒水利枢纽工程泄水建筑物由表孔溢洪道和底孔泄洪洞组成，在下游同一断面均采用挑流消能形式，斜切式挑坎会使两股水流碰撞产生雾化等不利影响，窄缝式挑坎单宽流量较大，对于下游冲刷较大。本文基于那棱格勒水利工程泄洪洞挑坎出口，结合各挑坎特点及当地挑流鼻坎出口下游地形宽度有限，不易向两侧拓宽的地质条件，提出了扩散式与等宽式两种连续式挑坎方案，分析两种出流方案的水力特性，寻求一种能够满足下游地质条件同时又满足消能效果的挑坎方案。

1 工程概况

那棱格勒河位于青海柴达木盆地，水利枢纽工程开发任务以防洪、供水为主，兼顾发电等综合利用。水库正常蓄水位为3 297.00 m，设计洪水位3 303.30 m，校核洪水位3 305.46 m。泄洪洞正常洪水位泄量1 018 m3/s，设计洪水位泄量为1 090 m3/s，校核洪水位泄量为1 114 m3/s。采用表孔溢洪道和底孔泄洪洞联合挑流消能。

主要泄水建筑物中，泄洪洞由进口塔架段(桩号0+000～0+034)、渐变段(桩号0+034～0+054)明流洞段(桩号0+054～0+447)、出口泄槽段(桩号0+447～0+467)和挑流鼻坎段(桩号0+467～0+482)组成。进口塔架段底板高程为3 250.00 m，宽7 m；渐变段及明流洞段底板纵坡为0.02；明流洞段采用城门洞形明流洞，断面尺寸为7 m×9.2 m(宽×高)；出口泄槽长20 m，采用矩形槽型式，纵坡为0.02；泄槽末端设挑流鼻坎，反弧半径25 m，挑射角为25°，鼻坎顶高程为3 244.00 m，挑坎下游护坦高程为3 238.00 m。下游挑坎出口为40 m宽开挖段，与下游河道斜交，自表面向下30 m深均为洪积物与坡积物覆盖层，开挖段两侧均有坚硬基岩，进一步开挖难度较大，在施工过程中不宜向两侧进一步开挖拓宽。泄洪洞剖面图如图1所示。

图1 泄洪洞布置图(单位:m)Fig.1 Layout of the spillway tunnel

2 模型制作与挑坎方案

2.1 模型制作

为保证来流及下游出流与原型的相似性，模拟范围上游至泄洪洞进口上游180 m，下游模拟至挑坎出口下游200 m处，在下游河道和挑坎出口下游用散粒体石料做动床以模拟天然河床，并在模型下游河道末端设置尾水调节装置，调节下游河道在相应来流下的河道水位。模型上游库区和下游河道采用断面板法制作，水泥砂浆抹面，泄洪洞采用有机玻璃制作。

2.2 挑坎方案

基于那棱格勒水利枢纽工程泄洪洞连续式挑坎的研究，针对连续式挑坎的出口扩散与否，设计了连续式扩散出口挑坎和连续式等宽出口挑坎两种方案，分别对挑坎内部流态、水面线、出流水舌形态、下游冲刷等相关水力学特性进行了试验研究。两种挑坎方案的反弧半径均为25 m、挑角均为25°，两种方案的具体参数如图所示。

图2 挑坎纵剖面图(单位:m)Fig.2 Longitudinal profile of the flip bucket

图3 挑坎平面尺寸(单位:m)Fig.3 Plane dimension of the two flip buckets

3 试验成果分析

本次试验在泄洪洞闸门完全开启的条件下，分为正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3个不同水位工况进行。3个工况对应水位流量关系如表1所示。

表1 试验工况Tab.1 Test Conditions

3.1 挑坎内水流流态

在正常蓄水位运行工况条件下，两种试验方案挑坎内部流态如图4所示。在扩散式挑坎方案中，水流自无压泄洪洞段进入明渠扩散段，由于明渠扩散段宽度增加，高速纵向下泄水流急剧横向扩散，两侧水面明显降低，轴线处水面依然较高，形成反“V”型出流继续下泄。但由于明渠挑坎段与扩散段存在173°夹角。致使扩散段侧向下泄水流急剧冲击纵向挑坎两侧边墙、形成明显折冲水流，经边墙反射后挑坎出口纵向下泄水流呈“V”型出流，边墙侧水面明显雍高，高速下泄水流持续性冲击两侧边墙，致使边墙受力较大，存在安全震动隐患[8,9]。根据厉良辅[8]、胡晗[9]、纪伟[10]等学者的研究发现，在断面突扩的渠道流动中，容易产生折冲水流，在收缩段中，甚至可能产生水翅现象，给建筑物带来危害。

在等宽式挑坎方案中，明渠段以及挑坎段宽度与无压泄洪洞段宽度一致、均为7 m，高速纵向水流平滑下泄、基本不产生横向扩散、流态平稳，不再存在横向水位差，明渠挑坎内“V”型折冲水流明显消除。

图4 正常蓄水位挑坎内部水流流态Fig.4 Flow patterns in the flip bucket in normal pool level

3.2 挑坎内水面线

从上文的流态中观测到在扩散式挑坎内部，明渠中间与两侧水面存在明显的水位差，对两种挑坎轴线处及两侧的水面线进行量测，在明渠段和挑坎段各取前中后三个断面，每个断面从左至右等分取5个点，各工况下得到的试验成果如图5所示。

图5 挑坎各断面水面线分布Fig.5 Distribution of water surface line of every section in the two flip buckets

在扩散式挑坎方案中，由于明渠扩散段宽度增加，两侧水面急剧下降，明显较轴线处水面低，在校核工况下最大水位差达到了2 m，同时由于挑坎段与扩散段存在173°夹角，使得下泄水流在挑坎段冲击边墙并反射，雍高两侧水面，在泄槽两侧水面逐渐高于轴线处水面，在挑坎出口处最大水面差达3.2 m，形成V形出流，挑射水流横向扩散较大，而出口轴线处水深也只有3m，水面差甚至超过了水深，挑坎内流态较差。在等宽式挑坎方案中，由于泄槽宽度没有发生变化，同一断面水面基本一致，没有较大水位差产生，高速纵向水流急速下泄，水面沿程逐渐降低，在挑坎出口处轴线处水位略低于两侧水位，水面差最大只有0.6 m，挑坎内整体没有明显的横向水位差。

3.3 沿程流速

流速是水体动能的重要衡量指标，对两种挑坎纵向轴线处的流速进行量测，由于水深较大，在每个测点处均测量表面、中部、底部3个位置的流速。

两种挑坎的流速分布规律基本一致，在垂向上从表面到底部流速逐渐减小，在挑坎末端前沿程流速变化不大，挑坎末端位置流速明显较其他位置小。扩散式挑坎水面产生横向扩散，水面相对较浅，故流速较等宽挑坎稍大。

3.4 时均压力

压力作为反映挑坎局部能量变化的重要指标，对于结构的稳定和正常运行有着重要意义。

从测量结果可以发现，两种挑坎压力均沿程逐渐增大，在挑坎末端由于水深减小，压力明显减小。扩散式挑坎由于横向扩散，水面较浅，压力较等宽式挑坎小。

表2 各断面流速分布 m/s

3.5 空蚀空化分析

高速水流往往伴随着低压和漩涡，水流在低压区容易产生大量空泡，在高压区空泡溃灭，从而在泄水建筑物的过流壁面发生空蚀破坏，破坏的部位大多出现在反弧段末端。由流速和时均压力的测量结果可以看出，挑坎处流速较大，而部分位置压力较小，有可能会产生空化现象，发生空蚀破坏。

表3 各断面时均压力分布 m

挑坎沿程空化数K按下式进行计算[11]：

(1)

式中：ha为当地大气压力，根据工程资料当地高程取3 250 m，根据《水工隧洞设计规范》计算得ha=6.77 m；hv为水的气化压强，在此取20 ℃对应气化压强0.24 m，h为断面平均压强水头，v取底部流速。

表4 空化数计算 m

从计算结果看，等宽式挑坎沿程空化数都在0.3以上，发生空蚀破坏的可能性较小。扩散式挑坎在挑坎反弧段末端空化数急剧减小，在三种特征水位下空化数均在0.3以下。根据《水工隧洞设计规范》[11]，水工隧洞及出口消能防冲建筑物水流空化数小于0.3时，应设置掺气减蚀设施。在扩散式挑坎末端发生空化破坏的可能性较大，会影响泄水建筑物的正常运行。

3.6 水舌形态

两种挑坎起挑位置处的宽度不同，对挑射水流的形态有较大影响，水舌相关参数示意如图6所示。

注：L1为内缘；L2为外缘；L为挑距；H为挑高图6 水舌形态要素示意Fig.6 Schematic diagrams of water jets

Tab.5 Parameter of water jets

图7 挑坎水舌形态Fig.7 Forms of the water jets in two buckets

由试验数据可以看出，在扩散式挑坎方案中，在挑坎内水流随泄槽宽度增加产生横向扩散，挑流水舌相对较薄，水舌纵向拉伸较远，挑射距离较大，挑距达90 m，在校核工况下挑距达到103 m，水舌覆盖面积较大。水舌入水时横向扩散明显，入水宽度较大，达22 m,在校核工况下甚至达到了24 m,使得高速挑射水流直接冲击下游右岸开挖边坡，影响了边坡稳定性，对边坡支护提出了较高要求。

在等宽式挑坎方案中，在挑坎内水流没有产生横向宽度变化，挑流水舌较为厚重，单位体积水量较大，水舌扩散程度较扩散式方案小，挑距、入水宽度均较扩散式挑坎方案明显减小，入水宽度减小至15.2 m，校核工况下这一数据最大为16.8 m，挑射水流入流较正，均以射流形式落入下游河道，只有水舌入水后形成的水冠边缘少部分水体飞溅至右岸边坡，减小了对边坡的冲刷，有效保护了边坡的稳定性。

3.7 下游冲刷试验研究

下游河道的冲刷可以反映挑坎的消能效果，在模型试验中对下游的冲坑深度、冲坑地形进行了量测，以研究不同挑坎的消能特性。

对于泄水建筑物下游河道冲刷主要通过在模型试验中冲刷模拟基岩进行研究。在模型试验中对基岩的模拟主要采用散粒体模拟，原理是以模型散粒体冲料启动流速与原型基岩的抗冲流速相似的条件确定模型冲料的粒径[12]。

在此常用以下经验公式计算模型散粒体粒径。

(2)

式中：vk为抗冲流速，根据工程实际资料取2.4 m/s，K常取5～7，λL为模型长度比尺，在该模型试验中为40。

计算得散粒体粒径在3～5 mm。模拟范围为下游河道及挑坎出口混凝土护坦后,模拟动床表面海拔为3 238 m。两种挑坎方案下下游冲刷等高线如图8所示。

图8 正常蓄水位两种挑坎冲刷地形等高线分布(单位:m)Fig.8 Contours of scour topography in normal pool level注：等高线上负值表示冲坑深度

从图8所示试验结果可以观测得，在扩散式挑坎方案中，水舌扩散较充分，入水宽度较宽，挑距较长，使得下游冲刷范围较大，整体冲坑靠近右岸坡脚，在靠近右岸坡脚形成较长的冲沟，冲坑最深处距挑坎末端约90 m，冲坑最深达21.2 m；在校核工况下，最深冲坑距挑坎末端约103 m，最深达20.5 m。

在等宽式挑坎方案中，水舌入水宽度较窄，挑距较短，单位体积水量较大，能量较为集中，对散粒体冲击力较强，使得下游冲坑较深，冲坑最深达23.24 m，最深处距挑坎末端约70 m，靠近右岸的条带状冲沟明显减小。在校核工况下，冲坑最深处距挑坎末端约80 m，冲坑最深达18.3 m。

3.8 消能效果分析

水流经挑坎挑至空中，通过在空中的扩散及下游河床内漩滚、碰撞，消刹水流能量。选取挑坎起始0+447断面为初始1-1断面和下游河道与挑坎动床相接断面为消能后2-2断面(如图7所示)计算消能率，消能率计算公式如下:

(3)

水流经过挑坎出流后，两种挑坎消能效果均在80%以上，消能效果均较好，等宽式挑坎的消能效果相对更充分。

4 结 论

本文结合那棱格勒水利枢纽工程实际特点及地质情况，针对泄洪洞提出两种不同形式挑坎，并对其水力特性进行了对比研究，研究发现：

(1)等宽式挑坎消除了在扩散式挑坎方案中存在的“V”型水流现象，横向水位差基本消除，挑坎内不利流态基本消失。

(2)等宽式挑坎水舌入水点较为集中，入水宽度小，减轻了对右岸边坡的冲击，改善了扩散式挑坎方案中由于水舌入水宽度大，对边坡冲刷剧烈而带来的不利影响，有效满足了消能效果和当地地质地形的要求。

表6 消能率计算Tab.6 Calculation of energy dissipation ratio

(3)扩散式挑坎在反弧段末端时均压力较小，空化数在0.3以下，有发生空蚀破坏的可能，等宽式挑坎发生空蚀破坏的可能性较小。

(4)两种挑坎均能达到较好的消能效果，等宽式挑坎的消能效果更为充分。

综合上述研究，等宽式挑坎更满足实际地形和工程运行需要，建议在工程中采用等宽式挑坎。

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