收缩式消能工的研究现状及发展

1收缩式消能工的研究现状及发展范嘉炜（天津大学，天津市，邮编300072）摘要:为了总结新型组合式消能工在高坝建设发展中的可利用性及重要性,综述了收缩式消能工与其他消能工联合运用的结构、原理和工程应用.收缩式消能工由于其水流占用宽度较小等特点,与其他消能工联合运用可以解决许多在深狭河谷中修建水利枢纽的泄洪问题.根据不同工程自身的特点,应设计和选用不同的组合式消能方式.关键词:收缩式消能工;联合消能工;宽尾墩;窄缝式中图分类号:文献标识码:近年来,越来越多的高坝建设于深山峡谷中.这些高坝具有水头高、流量大的特点,因此传统的消能方式很难满足泄洪消能要求.经过水利工作者的努力,一些新型的消能方式及联合消能工得到了广泛应用.收缩式消能工就是其中一种重要的消能方式,它与其他消能方式联合运用,解决了许多坝身泄洪问题.收缩式消能工是以射流纵向扩散为基础的新型消能工形式.急流通过收缩边壁时表面形成驻波,使底部法线上各质点的速度具有不同倾角,愈接近自由表面倾角愈大.水流出收缩段时,由于底部法线上各质点以不同的方向在立面中运动,射流在立面中扩展,产生纵向扩散.这种扩散主要依靠各质点纵向流速流向的改变.由于流速的纵向值一般远大于横向值,故利用纵向流速的扩散远比横向扩散充分[1].由于收缩式消能方式水流占用宽度较小,特别适应于我国西南地区河谷狭窄、洪水峰高量大的情况.收缩式消能工主要有宽尾墩消能工和窄缝式消能工2种形式.本文主要综述了宽尾墩消能工与其他消能工联合运用的结构、原理及在实际工程中的应用，简要概括了窄缝式消能工的消能原理。1宽尾墩与其他消能工的联合运用宽尾墩消能工是由我国学者林秉南院士和龚振瀛在20世纪70年代提出的,是收缩式消能工在我国的创造性发展,在我国坝工消能方面产生了相当重要的影响.在与其他消能措施的联合消能中,宽尾墩是一种附加消能措施,由于它的参与,改变了原有的消能机理及消能过程.1.1宽尾墩-消力池联合消能工1.1.1消能机理当宽尾墩和消力池联合运用时,原来平尾墩时堰顶的溢流水舌(二元流态)在闸墩尾部宽度被骤然收缩,迫使水流沿坝面竖向扩展而成为窄而高的收缩射流(堰顶收缩射流).在沿坝面下泄时,由于受到重力的影响,水舌又逐渐坦化向无水区扩展,并趋向于恢复原来的二元流态.当水舌坦化进入反弧段时,相邻两孔水股开始交汇.各股水流在消力池水垫内相互混合,产生强烈的动量交换和紊动剪切.当下游为急流时,在反弧段和消力池前部,会激起很高的涌浪;当下游有足够的水深时,则产生三元水跃[2].宽尾墩消力池联合消能工是利用宽尾墩本身在堰顶产生的多股收缩射流在消力池水垫内的相互交汇和掺混来极大地加强水流内部紊动剪切和掺混作用,使过堰水流的更多的动能转换为热能和势能,从而达到增进消能的目的。1.1.2工程实例分析安康水电站[3-4]表孔溢流坝段就是采用宽尾墩-消力池联合消能工形式(图1).安康水电站位于汉江中上游,陕西省安康县上游18km的火石岩坝址。采用折线型整体式混凝土重力坝。坝址处于河流弯道,河谷狭窄,常年洪水水面宽仅200m,坝轴线与河道斜图1表孔溢流坝段宽尾墩体2交,下泄洪水主流集中偏向右岸,造成右岸冲刷,左岸淤积。坝址区为古老震旦纪绢云母千枚岩,岩性软弱,抗冲能力差。从以上地形、地质、洪水特点来看,其特点可归纳为流向偏、岩石软、能量大。因此安康水电站的泄洪消能问题十分复杂,消能防冲工程设计的难度很大。特别是在后来枢纽总布置不能变动,施工导流建筑物已成定局,消力池长度和深度不能任意增加的特定前提下,迫使设计与科研人员研究和应用新型消能工,以改善和提高消能效果,保证主体建筑物的安全。在高水头、大单宽流量和十分苛刻的工程技术条件下,通过采用宽尾墩消力池联合消能工而圆满地解决了表孔消力池消能这样一个十分艰巨而复杂的问题。平尾墩改为宽尾墩后,出闸孔水流由原来的二元薄层水舌变为沿坝面竖向扩展的三元收缩射流,并导致两种墩型消力池内流态出现实质上的改变。当宽尾墩和消力池联合运用时,原来平尾墩时堰顶的溢流水舌(二元流态)在闸墩尾部由于宽度被骤然收缩,迫使水流沿坝面竖向扩展而成为一股窄而高的收缩射流(堰顶收缩射流)。在沿坝面下泄时,由于受到重力的影响,水舌又逐渐坦化向无水区扩展,并趋向于恢复原来的二元流态,当水舌坦化进入反弧段时,相邻两孔水股坦化后开始交汇。各股水流在消力池水垫内相互混合,产生强烈的动量交换和紊动剪切。当下游为急流时,在反弧段和消力池前部,就会激起很高的涌浪,涌浪处水花飞溅。因此,宽尾墩和消力池联合运用时,由于堰顶收缩射流的出现,消力池内的流态和常规平尾墩消力池有显著不同。通常消力池只依靠一个横轴表面漩滚起消能作用。采用宽尾墩后,收缩后的射流不但掺气较多,能加强表面漩滚的掺混作用,而且由于射流的三元流态,在池内两侧还产生了强烈的纵轴漩滚或涡流,进一步增强了消能作用。1.2宽尾墩-挑流联合消能工1.2.1消能机理宽尾墩-挑流联合消能工利用宽尾墩先收缩后扩散的流动特性,使鼻坎上水流自然分层形成差动,造成连续鼻坎具有差动鼻坎的特征.因为水冠而大量掺气,也增加了消能效果.由于坝面收缩射流在纵向充分扩散,因而与之联合运用的挑流鼻坎的反弧半径也需要相应的加大,这样才能发挥更好的效果.在多孔泄流的溢流坝上,当坝面上窄而厚的掺气射流到达反弧段时,在强大的侧向压力梯度作用下,将向两侧迅速扩散.相邻两孔之间的横向扩散水舌互相顶撞,激起高高的“水冠”,在坎端形成高低相间的水股挑出,其流态与差动鼻坎挑流相似.横向水舌在反弧段上碰撞顶托,一方面增加扰动并消耗了部分能量,另一方面水冠的形成也会使射流的上下缘挑距拉开,使之在纵向再次得到扩散和掺气.最后射流跌入上游水面时,单位面积的能量减少,降低了对河床的冲刷能力.当开启一孔时,水舌在反弧段上的横向扩散将远大于一般措施所能达到的程度.因此,即使在间隔多孔开启的情况下,反弧段上的横向水舌也能互相撞击,激起水冠.11.2.2工程实例分析潘家口水库[5]采用此种消能工形式,收到了较好的效果,如图2所示.潘家口水库是华北滦河干流上的一个大型水利枢纽,该水库的泄水建筑物包括18个表孔(左11个,右7个)和4个泄水深孔.由于潘家口水库是国内在大型工程中首次尝试采用宽尾墩,对它的消能效果有一个认识过程,因而只在右边7孔中最靠右的3个表孔采用宽尾墩.即使如此,水工模型试验表明,宽尾墩的应用仍比平尾墩时减少了水流对右岸的冲刷及左岸的回流.图2潘家口宽尾墩-挑流联合消能工溢流坝面流态31.3宽尾墩-底孔(挑流)-消力池联合消能工1.3.1消能机理宽尾墩-底孔(挑流)-消力池联合消能工的主要思路是利用宽尾墩后的无水区来布置坝身泄洪底孔的出口.底孔的水流以挑流的方式注入宽尾墩消力池的三元水跃中进行联合消能.因此,当底孔关闭,其水流特性即为一般的宽尾墩消力池联合消能工.关键问题是当底孔打开,水流以挑流方式注入水跃后,是否会恶化消力池的水跃消能.文献[6]以二元附加动量水跃为模式,对新型联合消能工的底孔射流注入水跃的水力条件进行分析,结果表明用附加动量降低第二共轭水深、增进水跃消能只有在水跃顶部注入射流才是可行的.当由顶部注入射流,只要适当控制射流的入射角,就可在增加消力池单宽流量的条件下保持或增进原水跃的消能效果,这是采用宽尾墩-底孔(挑流)-消力池联合消能工的水力学依据.1.3.2工程实例分析五强溪水电站坝址洪水峰高量大,河床狭窄,地质条件复杂,其泄洪消能问题是工程建设的主要技术问题之一.工程采用表孔宽尾墩-底孔(挑流)-消力池相结合的新型联合消能工,利用宽尾墩的位置加设底孔,底孔挑射水流进入消力池.由于动能附加质量的原理,增加了消能效果,这是国内首创,在国外也没有先例.五强溪表孔消力池采用该联合消能工形式后,其直接节约投资约4000万元.研究表明,表孔宽尾墩-底孔(挑流)-消力池相结合的新型联合消能工的消能效果十分显著,池内水跃完整,旋涡破碎,掺气剧增,余能较小,完全达到了预期效果.1.4X型宽尾墩+台阶坝面联合消能工1.4.1消能机理X型宽尾墩+台阶坝面联合消能工是一种新型消能工，使传统消力池二元水流转变为三元水流,增加掺气、提高消能享的同时,消力池长度也被大幅度地减小。以前的宽尾墩都是Y型,即宽尾墩的底部直接接到溢流面上,Y型宽尾墩只适用大单宽深尾水的泄洪,当下游河道尾水深度较小或较高的库水位单孔开启时,大单宽泄洪消力池底板脉动圧强剧增,甚至破坏消力池底板结构的稳定,在小流量泄洪时,Y型宽尾墩难以形成良好的宽尾墩纵向拉开水舌,水流成一集中水股砸向坝面,使坝面冲击圧强急剧增加,严重时,坝面被砸出许多小坑,这些小坑在大洪水泄洪时会引起坝面空蚀破坏问题,在常遇洪水泄洪时,无水坝面很大,台阶消能未能充分利用。而相比之下，X型宽尾墩+台阶坝面联合消能工则具有以下优点[7]：(1)小流量过流时,台阶坝面大面积过水,充分发挥台阶坝面的消能作用;(2)大流量过流时,下部开口过一部分水流,宽尾墩中上部过一部分水流,下部水流对上部宽尾墩纵向拉开的水舌产生一定的上托作用,既可减小宽尾墩过流时台阶坝面出现的负压,又可避免水流集中对台阶坝面的冲蚀作用;(3)减小了宽尾墩纵向拉开水舌下落时对消力池底板的冲击力;(4)出宽尾墩片状水舌流量减小,对下游岸坡的雾化影响也相应减弱;(5)根据测试成果分析,小流量泄洪时台阶溢流面消能享大于50%,随着单宽流量的增加,X型宽尾墩消能享决速增加,并超过Y型宽尾墩5%以上。大单宽泄洪时,台阶面消能享为10%~20%,宽尾墩大于50%,消力池15%~25%。X型宽尾墩+台阶面+消力池联合消能,只要体型设计合理,其忌消能享达90%以上。1.4.2工程实例分析在继承传统宽尾墩优占同时,结合台阶坝面的使用,X型宽尾墩作为一种新型消能工,在乌江索风营水电站泄洪建筑物水力学模型试验中被提出,乌江索风营水电站采用X型宽尾墩+台阶坝面联合消能工,索风营大坝为碾压混凝土重力坝,大坝由左右岸挡水坝段和河床溢流坝段组成,坝顶全长164.58m,河床溢流坝段长83m索风营水电站单宽流量达到245m3/(s.m)。X型宽尾墩,即在Y型宽尾墩的底部切了一刀,宽尾墩不直接接到溢流面上,充分利用台阶坝面的消能作用,从宽尾墩射出的水流与台阶坝面下泄的水流结合,能达到更好的紊动消能,对减轻下游水位波动和河床的冲刷更为有利。X型宽尾墩体型泄洪消能效果好、设计简单、施工方便、工期短和投资省的目的。4索风营水电站于2007年建成,建成后每年都要宣泄洪水,经过几年的运行,新型消能工的消能效果良好,泄水建筑物无破坏痕迹。图3索风营水电站表孔闸墩下游立式图2窄缝消能工窄缝消能工是一种高效型消能工。它是利用缩窄挑坎使出流水舌的流线沿高程方向变化,下部小股的挑距较近而上部水股的挑距最远,使整个水舌在纵向和竖向充分扩散加剧紊功掺气,在空间增强消能作用,使射流进入下游河道时成长方形入水面积增大,单位面积上的动量减小,从而减小下游河床局部冲刷,提高消能率,与常规等宽挑坎相比,在相同的水力条件下,下游冲坑深度可减少1/2~2/3。由于射流占用宽度小,这种窄缝式挑坎特别适用于河谷狭窄情况。窄缝挑坎的体形通常有矩形、Y形、V形。我国从20世纪70年代开始研究窄缝坎消能工,并将这一技术成功应用到“高水头、大泄量、窄狭谷”的诸多水电工程中。1978年,中国水利水电科学研究院的李桂芬、高季章首次系统地研究了窄缝挑坎的水流特性,并推荐到湖南东江水电站的右岸溢洪道上使用,后来又结合龙羊峡、东风溢洪道等泄洪消能进行了一系列地试验研究和理论分析,经东江和东风工程原型观测表明,水舌纵向扩散良好,消能效果好、河床冲刷小。国内采用窄缝挑坎消能工的工程还有拟建的中国青海的拉西瓦双曲拱坝。3结语本文对收缩式消能工与其他消能工联合消能的应用和发展进行了分析和总结,阐明了随着我国高坝建设的不断创新和发展,新型的组合式消能工已经表现出了显著的优越性.收缩式消能工亦可考虑用于中、低坝中,综合总体布置有可能获得良好的空间扩散效果,值得进一步研究.参考文献：[1]张春满.高坝新型消能工的应用[J].安徽水利水电职业技术学