高扩散低收缩差动挑流消能工在高拱坝的应用

高扩散低收缩差动挑流消能工在高拱坝的应用

0高扩散低收缩差动式挑坎的基础高流量大、单宽排水的消能一直是节水工程领域面临的研究主题，其中排水消能是最常见的消能类型。随着水库建设的蓬勃发展，水库的类型也层出不穷。例如，有不同大小的分支矩阵，如运动矩阵、狭窄裂缝矩阵、扩散矩阵和折叠矩阵。差动坎、窄缝坎和扩散坎等型式的挑坎在工程应用中各有其优点和适用条件。窄缝坎使水舌纵向扩散增加以达到减轻下游河床冲刷的目的,大多应用于狭窄河谷。许多专家对窄缝消能工的体型[1~2]、消能机理、边墙压力、使用范围及经验理论计算方法[3~5]、雾化水流特性等问题进行了深入系统的研究,取得了很多有意义和价值的成果。扩散挑坎在下游河床较开阔的情况下还是较好采用的,因它能使水流横向扩散开,增加水流空中掺气、消能,降低横向单宽流量以减轻下游冲刷。差动式挑坎通过设置高低齿坎,使水流上下错开为两股,增加水流纵向扩散,减少水流入池单宽流量,在很大程度上减少冲坑深度,达到良好的消能效果。1962年柘溪大坝矩形差动式挑坎发生严重的气蚀,未见有妥善的减蚀措施后,差动坎空化空蚀问题引起了专家学者们的重视,通过对柘溪大坝气蚀原因的分析认为,差动式矩形挑坎若体型设置不当,在齿坎末端附近容易发生空化空蚀破坏。前人研究结果表明较好的差动挑坎型式可使冲刷深度比连续式挑坎减少50%左右,具有良好的消能效果。高扩散低收缩差动式挑流消能工兼有差动坎、窄缝坎及扩散坎的特点,具有鲜明的工程应用特色。在珊溪水电站和滩坑水电站岸边溢洪道中已得到成功应用,大龙潭拱坝等在初步设计时亦论证了在拱坝上采用该消能工的可行性。可见,该坎型挑流消能工不仅适用于高水头大单宽宽浅式岸边溢洪道,而且在狭窄河谷上的高拱坝亦可应用。由于该新型联合挑流消能工高坎扩散、低坎收缩并在空间上形成高低差动挑射水舌,从入坎到水垫塘过程中的水力特性均与其它型式的联合挑流消能工不同,到目前为止还未见有相关的研究报道。本文通过模型实验对高扩散低收缩差动式挑坎进行了研究,分析了坎内压力分布、高低坎挑射水舌运动特性及挑坎下游冲坑形态,并与连续式、窄缝式以及矩形差动式挑坎的水力特性进行了对比。1高、低挑坎反弧半径s1将扩散坎、窄缝坎及差动坎三种挑流型式消能工的优点有机结合在一起,形成高扩散低收缩差动式三为一体的挑流消能工,如图1示,图中:B1、B2分别表示高、低挑坎起始位置宽度;b1、b2分别表示高、低挑坎出坎宽度,挑坎收缩比βs=b2/B2;收缩段长度为l;R1、R2分别表示高、低挑坎反弧半径;高坎挑角为θ1,低坎挑角为θ2。该型式挑坎的水力特性有别于传统的矩形差动挑坎,同时与凤滩水电站的高低大差动坎在挑坎的高程布置上也不同,其高低坎入坎高程一样,水流不形成大差动,在空间上结构布置比较紧凑,见图1,从入挑坎一直到射入水垫塘,均伴随着高、低坎内的水流混掺碰撞作用,在工程应用上具有其鲜明的特点:高坎顺水流扩散,增加水舌横向扩展程度,从而降低入池横向单宽;低坎顺水流收缩,水流在空中沿纵向充分扩散、掺气,成纵向三维扩散消能,使入池纵向单宽减少,达到减轻下游河床冲刷目的,更重要的是,高、低挑坎若是设置得当,能使的出坎水流不会冲击岸坡,在狭窄河谷上亦可应用。目前,对这种消能工还没有统一的定义,有的文献称之为异型差动坎或卧底式窄缝差动坎,本研究为了形象描述将其称为“高扩散低收缩差动式挑流消能工”。2高坎和低坎设计模型滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪上,坝址以上流域面积3330km2,设计装机容量600MW,水库具有多年调节能力,校核洪水位以下总库容41.90亿m3,调节库容21.16亿m3。溢洪道是滩坑水电站枢纽的主要泄水建筑物,布置在枢纽左岸垭口处,上下游最大作用水头约116m,堰顶最大单宽为199.1m3/s·m,出坎水流最大流速达38.0m/s,挑流鼻坎采用高扩散低收缩差动式组合挑坎。为了使问题突出,以一组完整的高坎和低坎设计模型见图2、图3(a),实验模型按重力相似准则设计,比例尺1∶60。上游水库出口由一闸门控制库水位,以得到不同的入坎处作用水头H0。挑坎下游铺设厚度为0.9m的鹅卵石,d50=13.5mm,铺设长度6.0m。下游设置尾门用于控制下游水深h2=0.24m。模型流量由设置在供水管道的超声波流量计量得,测量精度为±1%,最大量测流量为0.586m3/s。水位及水舌轨迹由测针量取,误差为±0.1mm。在高低坎底板中线上间隔5cm布置测压管,在低坎侧壁间隔2cm布置测压管。为了研究高扩散低收缩差动挑坎水力特性与连续坎、窄缝坎以及矩形差动坎的不同,设置了不同作用水头工况,对比分析各种坎型的水流流态、挑坎压力分布以及下游冲刷坑等试验成果,具体实验方案见表1。3结果与分析3.1不同坎型的水舌水舌运动特性连续坎、窄缝坎及矩形差动坎泄洪时的流态已有很多专家进行了深入研究。在此就高扩散低收缩差动式挑坎的泄洪流态进行描述。如图3所示,水流入坎后,一部分进入低坎,另一部分进入高坎,由于高坎与低坎间未设置隔墙,水流受反弧及高坎扩散惯性的作用,有一部分会分流至低坎内;低坎水流受侧壁收缩的影响,在纵向上扩散,形成低坎水舌,出坎处的横向水面呈“V”型(图3b);高坎水舌在横向上充分扩散,相邻两高坎水舌在出坎位置下游发生碰撞,形成竖向拉伸的高坎水舌碰撞区(图3a、c);由于低坎收缩形成的纵向扩散水舌会在一定区域内顶托扩散至低坎处的高坎水舌,又会形成高低坎水舌碰撞区(图3c)。可见,该型式挑坎泄洪时,水流从入挑坎一直到射入水垫塘,均伴随着高、低坎内的水流混掺碰撞作用,这点与矩形差动坎有很大的区别。实验中测量了不同坎型泄洪时的水流特性,流量Q=0.1~0.22m3/s,入坎处弗氏数Fr=4.8~9.15,作用水头H0=1.35~3.0m,入坎水深h1=0.045~0.07m。本节以流量为0.1437m3/s的实验结果为例对四种坎型的泄流流态进行比较分析,见表2,该工况入坎处水深0.065m,作用水头1.48m,弗氏数Fr=5.27。从表2可以看出,连续坎挑射距离虽最远,但是纵横向扩散均不充分,水股最集中,入水面积最小;窄缝坎出坎水舌纵向扩散充分,水舌纵向扩散长度达入坎宽度的2.7倍,是四种坎型中纵向扩散最为充分的,但形成的入射水股前沿流速较大,在下游水垫塘中的衰减较慢,并在水垫塘中形成两个横向漩涡;矩形差动坎高低坎水舌相互错开,水舌入水点明显分开,几乎不相互碰撞,但高低坎水舌并未充分扩散,挑距减小,水垫塘中的横向漩涡较窄缝坎减小;高扩散低收缩差动坎,高低坎出坎水舌各自在横向和纵向充分扩散,且如前所述,形成两个水舌碰撞区,使得水股更加散裂、混掺作用更加剧烈,落水区域较之矩形差动坎加大、水股更加分散,水垫塘中形成明显的三维剪切流。3.2挑坎侧壁压力分布图4给出了各种坎型挑坎底板压力的分布,从图中可以看出,连续坎、矩形差动坎高坎、高扩散低收缩差动坎高坎的底板压力分布较为均匀,而高扩散低收缩差动坎高坎的底板压力较矩形差动坎要略小一些,这是由于高坎扩散后,高坎水流分流至低坎中的比例有所增加,使得高坎水舌减薄;窄缝坎、矩形差动坎低坎、高扩散低收缩差动坎低坎三者底板压力分布相似,均在离入坎处约0.4l的位置出现峰值,窄缝坎值最大、高扩散低收缩差动坎次之、矩形差动坎最小,从0.6l之后,受挑坎侧壁收缩的影响,窄缝坎和高扩散低收缩差动坎底板的压力有所上升,而矩形差动坎未出现该现象。图5为三种坎型挑坎侧壁压力分布图,可见矩形差动坎低坎侧壁在出坎位置出现负压区,最大负压为-0.1×9.8kPa(见图5(b)),因此需要通过在该区域位置设置通气孔,以避免挑坎空蚀破坏的发生。而与之形成鲜明对比的是高扩散低收缩差动式挑坎在侧壁位置未出现负压区,均为正压,这是由于通过低坎收缩,形成与窄缝坎同等的效果,使得侧壁压力上升,因此不需在侧壁设置通气孔即可减免挑坎空蚀破坏的发生,提高了该坎型挑坎在高水头大单宽泄流条件下的安全性能。3.3缝坎的挑距及水舌纵向扩散的特征不同坎型的挑坎其挑射水舌特性将大为不同,而挑射水舌的挑距是坎型设计时非常关心的一个参数。图6给出了四种挑坎挑射水舌内外缘挑距随不同入坎弗氏数Fr的变化规律,图中加入了Heller针对连续坎的实验数据和张彦法针对窄缝坎的研究成果。可见,各种挑坎的挑距均随Fr的增大而增大,其中连续坎增加的速率最大,其它坎型增加速率几乎相同;连续坎、矩形差动坎高坎、高扩散低收缩差动坎高坎三者内外缘挑距具有相类似的变化规律;内缘挑距,窄缝坎的挑距最短,高扩散低收缩差动坎低坎其次,矩形差动坎低坎略大一些;从水舌纵向扩散上看,窄缝坎的纵向扩散最充分,其次为高扩散低收缩差动坎低坎水舌,而矩形差动坎低坎的纵向扩散并不充分,仅为高扩散低收缩差动坎的0.5倍。加之高扩散低收缩差动坎高坎的横向上的充分扩散,使得高扩散低收缩差动坎挑射水舌入水面积最大(见表2),可见本文研究的对象高扩散低收缩差动式挑坎挑射水舌的扩散最为充分,单位面积入水水舌所具有的能量最小。3.4低扩散低收缩差动坎下游河床挑流冲坑的深度和位置是判断挑流消能工消能效果的直接根据,在相同的水流条件下,希望挑距最远冲坑最浅。图7和图8分别给出了各种挑坎在不同入坎弗氏数Fr下冲坑最深点距挑坎出口的距离L和最大冲坑深度T。可见,矩形差动坎冲坑最深点距挑坎出口的距离最短,其次为窄缝坎、高扩散低收缩差动坎,连续坎的挑距最远。这是由于矩形差动坎低坎未收缩,在本文研究的工况下,高低坎水舌虽分散开来,但低坎水舌未在纵向上充分扩散,导致低坎水舌入水水股较为集中,冲坑最深点出现在低坎水舌入水后不远处,而高扩散低收缩差动坎由于低坎收缩,低坎水舌在纵向上充分扩散,从而使得低坎冲坑向后推移。从最大冲坑深度上看,在相同的水流条件下,高扩散低收缩差动坎优于窄缝坎、矩形差动坎,较之窄缝坎,最大冲坑深度可减小约20%,当入坎处弗氏数5.27<Fr<6.0时,最大冲坑深度随着Fr的增大而减小,而当Fr>6.0后,最大冲坑深度随着Fr的增大有所增加,但增加不明显,该特性在窄缝坎和高扩散低收缩差动坎两种坎型中表现最为明显,这与文献的实验结果一致。模型实验中观测到高扩散低收缩差动坎出坎水舌纵横向充分扩散,射流落入下游水面的入水面积大,单位面积入水流量减小,同时低坎水舌入水后形成潜没射流,沿冲坑尾部向上,相邻高坎水舌在横向上扩散并碰撞后入水与该股潜没射流交汇,使得高坎水舌入水后并不能直接冲击河床底部,这是这种挑坎能够减轻河床局部冲刷的另一重要原因。4高扩散低收缩差动坎挑坎特性通过模型实验对连续坎、窄缝坎、矩形差动坎和高扩散低收缩差动坎四种体型挑坎的水力特性进行对比研究,结果表明:1)高扩散低收缩差动坎出坎水舌在横向和纵向充分扩散,形成两个水舌碰撞区(高坎水舌碰撞区和高低坎水舌碰撞区),使得水股更加散裂、混掺作用更加剧烈,落水区域较之矩形差动坎加大、水股更加分散,水垫塘中形成明显的三维剪切流;2)矩形差动坎低坎侧壁在出坎位置出现负压区,而与之形成鲜明对比的是高扩散低收缩差动式挑坎在侧壁位置未出现负压区,均为正压,这是由于通过低坎收缩,形成与窄缝坎同等的效果,使得侧壁压力上升,因此不需在侧壁设置通气孔即可减免挑坎空蚀破坏的发生,提高了该坎型挑坎在高水头大单宽泄流条件下的安全性能;3)四种挑坎的挑距均随Fr的增大而增大,连续坎增加的速率最大,其它坎型增加速率几乎相同,从水舌纵向扩散上看,窄缝坎的纵向扩散最充分,其次为高扩散低收缩差动坎低坎水舌,而矩形差动坎低坎的纵向扩散并不充分,仅为高扩散低收缩差动坎的0.5倍;4)四种挑坎中,高扩散低收缩差动坎挑射水舌入水面积最大,挑射水舌的纵横向扩散最为充分,单位面积上入水水舌所具有的能量最小;5)矩形差动坎冲坑最深点距挑坎出口的距离最短,其次为窄缝坎、高扩散