高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)挑流消能工在高拱壩的應(yīng)用

高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)挑流消能工在高拱壩的應(yīng)用

0高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎的基礎(chǔ)高流量大、單寬排水的消能一直是節(jié)水工程領(lǐng)域面臨的研究主題，其中排水消能是最常見(jiàn)的消能類型。隨著水庫(kù)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，水庫(kù)的類型也層出不窮。例如，有不同大小的分支矩陣，如運(yùn)動(dòng)矩陣、狹窄裂縫矩陣、擴(kuò)散矩陣和折疊矩陣。差動(dòng)坎、窄縫坎和擴(kuò)散坎等型式的挑坎在工程應(yīng)用中各有其優(yōu)點(diǎn)和適用條件。窄縫坎使水舌縱向擴(kuò)散增加以達(dá)到減輕下游河床沖刷的目的,大多應(yīng)用于狹窄河谷。許多專家對(duì)窄縫消能工的體型[1~2]、消能機(jī)理、邊墻壓力、使用范圍及經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算方法[3~5]、霧化水流特性等問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,取得了很多有意義和價(jià)值的成果。擴(kuò)散挑坎在下游河床較開闊的情況下還是較好采用的,因它能使水流橫向擴(kuò)散開,增加水流空中摻氣、消能,降低橫向單寬流量以減輕下游沖刷。差動(dòng)式挑坎通過(guò)設(shè)置高低齒坎,使水流上下錯(cuò)開為兩股,增加水流縱向擴(kuò)散,減少水流入池單寬流量,在很大程度上減少?zèng)_坑深度,達(dá)到良好的消能效果。1962年柘溪大壩矩形差動(dòng)式挑坎發(fā)生嚴(yán)重的氣蝕,未見(jiàn)有妥善的減蝕措施后,差動(dòng)坎空化空蝕問(wèn)題引起了專家學(xué)者們的重視,通過(guò)對(duì)柘溪大壩氣蝕原因的分析認(rèn)為,差動(dòng)式矩形挑坎若體型設(shè)置不當(dāng),在齒坎末端附近容易發(fā)生空化空蝕破壞。前人研究結(jié)果表明較好的差動(dòng)挑坎型式可使沖刷深度比連續(xù)式挑坎減少50%左右,具有良好的消能效果。高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑流消能工兼有差動(dòng)坎、窄縫坎及擴(kuò)散坎的特點(diǎn),具有鮮明的工程應(yīng)用特色。在珊溪水電站和灘坑水電站岸邊溢洪道中已得到成功應(yīng)用,大龍?zhí)豆皦蔚仍诔醪皆O(shè)計(jì)時(shí)亦論證了在拱壩上采用該消能工的可行性。可見(jiàn),該坎型挑流消能工不僅適用于高水頭大單寬寬淺式岸邊溢洪道,而且在狹窄河谷上的高拱壩亦可應(yīng)用。由于該新型聯(lián)合挑流消能工高坎擴(kuò)散、低坎收縮并在空間上形成高低差動(dòng)挑射水舌,從入坎到水墊塘過(guò)程中的水力特性均與其它型式的聯(lián)合挑流消能工不同,到目前為止還未見(jiàn)有相關(guān)的研究報(bào)道。本文通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎進(jìn)行了研究,分析了坎內(nèi)壓力分布、高低坎挑射水舌運(yùn)動(dòng)特性及挑坎下游沖坑形態(tài),并與連續(xù)式、窄縫式以及矩形差動(dòng)式挑坎的水力特性進(jìn)行了對(duì)比。1高、低挑坎反弧半徑s1將擴(kuò)散坎、窄縫坎及差動(dòng)坎三種挑流型式消能工的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起,形成高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式三為一體的挑流消能工,如圖1示,圖中:B1、B2分別表示高、低挑坎起始位置寬度;b1、b2分別表示高、低挑坎出坎寬度,挑坎收縮比βs=b2/B2;收縮段長(zhǎng)度為l;R1、R2分別表示高、低挑坎反弧半徑;高坎挑角為θ1,低坎挑角為θ2。該型式挑坎的水力特性有別于傳統(tǒng)的矩形差動(dòng)挑坎,同時(shí)與鳳灘水電站的高低大差動(dòng)坎在挑坎的高程布置上也不同,其高低坎入坎高程一樣,水流不形成大差動(dòng),在空間上結(jié)構(gòu)布置比較緊湊,見(jiàn)圖1,從入挑坎一直到射入水墊塘,均伴隨著高、低坎內(nèi)的水流混摻碰撞作用,在工程應(yīng)用上具有其鮮明的特點(diǎn):高坎順?biāo)鲾U(kuò)散,增加水舌橫向擴(kuò)展程度,從而降低入池橫向單寬;低坎順?biāo)魇湛s,水流在空中沿縱向充分?jǐn)U散、摻氣,成縱向三維擴(kuò)散消能,使入池縱向單寬減少,達(dá)到減輕下游河床沖刷目的,更重要的是,高、低挑坎若是設(shè)置得當(dāng),能使的出坎水流不會(huì)沖擊岸坡,在狹窄河谷上亦可應(yīng)用。目前,對(duì)這種消能工還沒(méi)有統(tǒng)一的定義,有的文獻(xiàn)稱之為異型差動(dòng)坎或臥底式窄縫差動(dòng)坎,本研究為了形象描述將其稱為“高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑流消能工”。2高坎和低坎設(shè)計(jì)模型灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪上,壩址以上流域面積3330km2,設(shè)計(jì)裝機(jī)容量600MW,水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)能力,校核洪水位以下總庫(kù)容41.90億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容21.16億m3。溢洪道是灘坑水電站樞紐的主要泄水建筑物,布置在樞紐左岸埡口處,上下游最大作用水頭約116m,堰頂最大單寬為199.1m3/s·m,出坎水流最大流速達(dá)38.0m/s,挑流鼻坎采用高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式組合挑坎。為了使問(wèn)題突出,以一組完整的高坎和低坎設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖2、圖3(a),實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì),比例尺1∶60。上游水庫(kù)出口由一閘門控制庫(kù)水位,以得到不同的入坎處作用水頭H0。挑坎下游鋪設(shè)厚度為0.9m的鵝卵石,d50=13.5mm,鋪設(shè)長(zhǎng)度6.0m。下游設(shè)置尾門用于控制下游水深h2=0.24m。模型流量由設(shè)置在供水管道的超聲波流量計(jì)量得,測(cè)量精度為±1%,最大量測(cè)流量為0.586m3/s。水位及水舌軌跡由測(cè)針量取,誤差為±0.1mm。在高低坎底板中線上間隔5cm布置測(cè)壓管,在低坎側(cè)壁間隔2cm布置測(cè)壓管。為了研究高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)挑坎水力特性與連續(xù)坎、窄縫坎以及矩形差動(dòng)坎的不同,設(shè)置了不同作用水頭工況,對(duì)比分析各種坎型的水流流態(tài)、挑坎壓力分布以及下游沖刷坑等試驗(yàn)成果,具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。3結(jié)果與分析3.1不同坎型的水舌水舌運(yùn)動(dòng)特性連續(xù)坎、窄縫坎及矩形差動(dòng)坎泄洪時(shí)的流態(tài)已有很多專家進(jìn)行了深入研究。在此就高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎的泄洪流態(tài)進(jìn)行描述。如圖3所示,水流入坎后,一部分進(jìn)入低坎,另一部分進(jìn)入高坎,由于高坎與低坎間未設(shè)置隔墻,水流受反弧及高坎擴(kuò)散慣性的作用,有一部分會(huì)分流至低坎內(nèi);低坎水流受側(cè)壁收縮的影響,在縱向上擴(kuò)散,形成低坎水舌,出坎處的橫向水面呈“V”型(圖3b);高坎水舌在橫向上充分?jǐn)U散,相鄰兩高坎水舌在出坎位置下游發(fā)生碰撞,形成豎向拉伸的高坎水舌碰撞區(qū)(圖3a、c);由于低坎收縮形成的縱向擴(kuò)散水舌會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)頂托擴(kuò)散至低坎處的高坎水舌,又會(huì)形成高低坎水舌碰撞區(qū)(圖3c)?？梢?jiàn),該型式挑坎泄洪時(shí),水流從入挑坎一直到射入水墊塘,均伴隨著高、低坎內(nèi)的水流混摻碰撞作用,這點(diǎn)與矩形差動(dòng)坎有很大的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同坎型泄洪時(shí)的水流特性,流量Q=0.1~0.22m3/s,入坎處弗氏數(shù)Fr=4.8~9.15,作用水頭H0=1.35~3.0m,入坎水深h1=0.045~0.07m。本節(jié)以流量為0.1437m3/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例對(duì)四種坎型的泄流流態(tài)進(jìn)行比較分析,見(jiàn)表2,該工況入坎處水深0.065m,作用水頭1.48m,弗氏數(shù)Fr=5.27。從表2可以看出,連續(xù)坎挑射距離雖最遠(yuǎn),但是縱橫向擴(kuò)散均不充分,水股最集中,入水面積最小;窄縫坎出坎水舌縱向擴(kuò)散充分,水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度達(dá)入坎寬度的2.7倍,是四種坎型中縱向擴(kuò)散最為充分的,但形成的入射水股前沿流速較大,在下游水墊塘中的衰減較慢,并在水墊塘中形成兩個(gè)橫向漩渦;矩形差動(dòng)坎高低坎水舌相互錯(cuò)開,水舌入水點(diǎn)明顯分開,幾乎不相互碰撞,但高低坎水舌并未充分?jǐn)U散,挑距減小,水墊塘中的橫向漩渦較窄縫坎減小;高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎,高低坎出坎水舌各自在橫向和縱向充分?jǐn)U散,且如前所述,形成兩個(gè)水舌碰撞區(qū),使得水股更加散裂、混摻作用更加劇烈,落水區(qū)域較之矩形差動(dòng)坎加大、水股更加分散,水墊塘中形成明顯的三維剪切流。3.2挑坎側(cè)壁壓力分布圖4給出了各種坎型挑坎底板壓力的分布,從圖中可以看出,連續(xù)坎、矩形差動(dòng)坎高坎、高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎高坎的底板壓力分布較為均勻,而高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎高坎的底板壓力較矩形差動(dòng)坎要略小一些,這是由于高坎擴(kuò)散后,高坎水流分流至低坎中的比例有所增加,使得高坎水舌減薄;窄縫坎、矩形差動(dòng)坎低坎、高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎低坎三者底板壓力分布相似,均在離入坎處約0.4l的位置出現(xiàn)峰值,窄縫坎值最大、高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎次之、矩形差動(dòng)坎最小,從0.6l之后,受挑坎側(cè)壁收縮的影響,窄縫坎和高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎底板的壓力有所上升,而矩形差動(dòng)坎未出現(xiàn)該現(xiàn)象。圖5為三種坎型挑坎側(cè)壁壓力分布圖,可見(jiàn)矩形差動(dòng)坎低坎側(cè)壁在出坎位置出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),最大負(fù)壓為-0.1×9.8kPa(見(jiàn)圖5(b)),因此需要通過(guò)在該區(qū)域位置設(shè)置通氣孔,以避免挑坎空蝕破壞的發(fā)生。而與之形成鮮明對(duì)比的是高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎在側(cè)壁位置未出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),均為正壓,這是由于通過(guò)低坎收縮,形成與窄縫坎同等的效果,使得側(cè)壁壓力上升,因此不需在側(cè)壁設(shè)置通氣孔即可減免挑坎空蝕破壞的發(fā)生,提高了該坎型挑坎在高水頭大單寬泄流條件下的安全性能。3.3縫坎的挑距及水舌縱向擴(kuò)散的特征不同坎型的挑坎其挑射水舌特性將大為不同,而挑射水舌的挑距是坎型設(shè)計(jì)時(shí)非常關(guān)心的一個(gè)參數(shù)。圖6給出了四種挑坎挑射水舌內(nèi)外緣挑距隨不同入坎弗氏數(shù)Fr的變化規(guī)律,圖中加入了Heller針對(duì)連續(xù)坎的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和張彥法針對(duì)窄縫坎的研究成果?？梢?jiàn),各種挑坎的挑距均隨Fr的增大而增大,其中連續(xù)坎增加的速率最大,其它坎型增加速率幾乎相同;連續(xù)坎、矩形差動(dòng)坎高坎、高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎高坎三者內(nèi)外緣挑距具有相類似的變化規(guī)律;內(nèi)緣挑距,窄縫坎的挑距最短,高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎低坎其次,矩形差動(dòng)坎低坎略大一些;從水舌縱向擴(kuò)散上看,窄縫坎的縱向擴(kuò)散最充分,其次為高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎低坎水舌,而矩形差動(dòng)坎低坎的縱向擴(kuò)散并不充分,僅為高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎的0.5倍。加之高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎高坎的橫向上的充分?jǐn)U散,使得高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎挑射水舌入水面積最大(見(jiàn)表2),可見(jiàn)本文研究的對(duì)象高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎挑射水舌的擴(kuò)散最為充分,單位面積入水水舌所具有的能量最小。3.4低擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎下游河床挑流沖坑的深度和位置是判斷挑流消能工消能效果的直接根據(jù),在相同的水流條件下,希望挑距最遠(yuǎn)沖坑最淺。圖7和圖8分別給出了各種挑坎在不同入坎弗氏數(shù)Fr下沖坑最深點(diǎn)距挑坎出口的距離L和最大沖坑深度T?？梢?jiàn),矩形差動(dòng)坎沖坑最深點(diǎn)距挑坎出口的距離最短,其次為窄縫坎、高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎,連續(xù)坎的挑距最遠(yuǎn)。這是由于矩形差動(dòng)坎低坎未收縮,在本文研究的工況下,高低坎水舌雖分散開來(lái),但低坎水舌未在縱向上充分?jǐn)U散,導(dǎo)致低坎水舌入水水股較為集中,沖坑最深點(diǎn)出現(xiàn)在低坎水舌入水后不遠(yuǎn)處,而高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎由于低坎收縮,低坎水舌在縱向上充分?jǐn)U散,從而使得低坎沖坑向后推移。從最大沖坑深度上看,在相同的水流條件下,高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎優(yōu)于窄縫坎、矩形差動(dòng)坎,較之窄縫坎,最大沖坑深度可減小約20%,當(dāng)入坎處弗氏數(shù)5.27<Fr<6.0時(shí),最大沖坑深度隨著Fr的增大而減小,而當(dāng)Fr>6.0后,最大沖坑深度隨著Fr的增大有所增加,但增加不明顯,該特性在窄縫坎和高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎兩種坎型中表現(xiàn)最為明顯,這與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。模型實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎出坎水舌縱橫向充分?jǐn)U散,射流落入下游水面的入水面積大,單位面積入水流量減小,同時(shí)低坎水舌入水后形成潛沒(méi)射流,沿沖坑尾部向上,相鄰高坎水舌在橫向上擴(kuò)散并碰撞后入水與該股潛沒(méi)射流交匯,使得高坎水舌入水后并不能直接沖擊河床底部,這是這種挑坎能夠減輕河床局部沖刷的另一重要原因。4高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎挑坎特性通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)連續(xù)坎、窄縫坎、矩形差動(dòng)坎和高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎四種體型挑坎的水力特性進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果表明:1)高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎出坎水舌在橫向和縱向充分?jǐn)U散,形成兩個(gè)水舌碰撞區(qū)(高坎水舌碰撞區(qū)和高低坎水舌碰撞區(qū)),使得水股更加散裂、混摻作用更加劇烈,落水區(qū)域較之矩形差動(dòng)坎加大、水股更加分散,水墊塘中形成明顯的三維剪切流;2)矩形差動(dòng)坎低坎側(cè)壁在出坎位置出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),而與之形成鮮明對(duì)比的是高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)式挑坎在側(cè)壁位置未出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),均為正壓,這是由于通過(guò)低坎收縮,形成與窄縫坎同等的效果,使得側(cè)壁壓力上升,因此不需在側(cè)壁設(shè)置通氣孔即可減免挑坎空蝕破壞的發(fā)生,提高了該坎型挑坎在高水頭大單寬泄流條件下的安全性能;3)四種挑坎的挑距均隨Fr的增大而增大,連續(xù)坎增加的速率最大,其它坎型增加速率幾乎相同,從水舌縱向擴(kuò)散上看,窄縫坎的縱向擴(kuò)散最充分,其次為高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎低坎水舌,而矩形差動(dòng)坎低坎的縱向擴(kuò)散并不充分,僅為高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎的0.5倍;4)四種挑坎中,高擴(kuò)散低收縮差動(dòng)坎挑射水舌入水面積最大,挑射水舌的縱橫向擴(kuò)散最為充分,單位面積上入水水舌所具有的能量最小;5)矩形差動(dòng)坎沖坑最深點(diǎn)距挑坎出口的距離最短,其次為窄縫坎、高擴(kuò)散