曲面贴角窄缝挑坎水力特性的研究

曲面贴角窄缝挑坎水力特性的研究

窄缝刺的开口是一种收缩的消能工。与等宽的刺相比，通过两侧边缘墙的收缩，可将水流垂直或垂直扩散，使水流在空中完全混合。因此，水体的空间消耗得到了加强，水流进入下游河流单位面积的能量减少，下游河流的清理减少。这在高水库峡谷的排水和蓄水中非常有效。直墙窄缝挑坎是一种比较典型的窄缝挑坎,应用较为广泛,研究也比较成熟;曲面贴角窄缝挑坎是一种异型窄缝挑坎,在两侧边墙处增设曲面贴角体,并在底部增设凹槽,目前曲面贴角窄缝挑坎的应用和研究较少。本文分析了曲面贴角窄缝挑坎与传统直墙窄缝挑坎在结构、受力、水力特性等方面的差异,并从模型试验方面予以验证,为设计和实验提供一定的依据。1增设曲面贴角窄缝挑坎直墙窄缝挑坎(体型构造可参考图1)借助两侧边墙的收缩压迫过流水体形成纵向和竖向扩散,使挑射水流形成充分的纵向和竖向扩散,以加强水流的空间消能,扩大水体落入河道的入水范围,多数情况下,挑坎内的过流水体都控制在两侧边墙内部,因而导致了其边墙较高。另外,直墙窄缝挑坎水舌內缘挑距随泄量的变化而有较大幅度的差异,不利于水舌的稳定跨岸。曲面贴角窄缝挑坎(体型构造可参考图2)在两侧边墙处增设曲面贴角体,依靠两侧边墙曲面贴角体将水流向中间导向,在大小流量下水舌流态都较为稳定,且水流可高过两侧边墙出流,水流在空中挤压后形成纵向拉伸水舌,因水舌开始挤压的位置在挑坎稍后位置,可大大降低其边墙高度。曲面贴角窄缝挑坎可以通过调整底槽的坡度来控制纵向拉开水舌内缘挑距,使其在小流量下也能顺利跨越本岸。从龙羊峡水电站、东风水电站及老渡口水电站实验资料看,曲面贴角窄缝挑坎边墙高度分别约为直墙窄缝挑坎的1/3、2/5、1/3,表1给出部分已建工程窄缝挑坎结构对比,可看出曲面贴角窄缝挑坎出口边墙高度仅为直线边墙窄缝挑坎的33.3%~40%,挑坎出口边墙与泄槽边墙高度之比及挑坎高宽比曲面贴角窄缝挑坎分别约为直线边墙窄缝挑坎的27.5%、31.5%。可见曲面贴角窄缝挑坎大大降低了挑坎边墙高度及高宽比,对保证结构的安全性和稳定性有利。2过坎破壁后水舌消减作用直墙窄缝挑坎的消能机理［４］为:通过两侧边墙的收缩,挑坎内水深沿程变大并形成表面冲击波,水流经过挑坎后,形成了充分的竖向拉开,上下各部位的水体形成了不同的抛射角,而且越接近自由面水体的抛射角越大,各部位水体以不同的抛射角度和出流速度在垂直面上运动,如此使出坎水体形成了充分的纵向拉开。水体在空中充分扩散和掺气耗散一部分动能后落入下游河道,因上下部分水体挑射角度不同,挑距也相应加大,水体入水范围增大,削弱入射水流对下游河床的冲刷作用。同时,过坎水流落入河道后通过河道水流的水垫作用,形成水流的横向和纵向漩滚进一步消减水流的能量。曲面贴角窄缝挑坎消能机理［５，６］为:两侧边墙和曲面贴角体将水舌向中间导向,使水舌自身在空中剧烈挤压,改变水流质点间的相互作用和水舌结构,加剧了水流的紊动耗能。水舌挤压后产生运动扩散,在纵向成薄形扇状,外部水舌侧卷形成一定的横行扩散,底槽水舌也形成了一定的横向扩散,进一步分散水舌的入水点。水舌受空气阻力和掺气作用消减部分能量后,形成纵向、横向、竖向空间立体式扩散入水,增大了水体入水面积,减小了入水单宽能量,通过水垫作用水流以扩散、旋滚和紊动剪切等形式进一步耗能,有效降低射流对下游河床的冲刷强度。通过对比可看出,直墙窄缝挑坎的水舌可以形成较好的竖向和纵向的拉伸,但横向扩散较差;而曲面贴角窄缝挑坎通过两侧边墙和贴角体将水流向中间导向,加剧过流水体的碰撞挤压消能,水流形成纵向、横向和竖向的充分扩散,减小单位面积内的入水能量,有效减轻对下游河道的冲刷作用。3边墙与贴角体的受力分析直墙窄缝挑坎两侧边墙急剧收缩,使过流水体动能转为位能,在窄缝出口挤出形成竖向拉开,因而边墙较高,其承受动水压力和水平推力作用点较高,导致边墙承受较大的力和弯矩;而曲面贴角窄缝挑坎两侧边墙和贴角体只是提供一个挤压水流条件,将过流水体向中间导向,因而边墙较低,且两侧曲面贴角体表面为倾斜面,所承受的动水压力垂直作用于曲面贴角体指向两侧下方,合力作用点较低,故受力状态及稳定性较好。表2列出了曲面贴角窄缝挑坎和直墙窄缝挑坎的受力对比:压强水头Pｍａｘ与速度水头v２/2g的比值受大坝落差及流速影响较大,存在随大坝落差增大而减小的趋势;水流紊动系数(脉动压强均方根Pｍａｘ与最大时均压强的比值)相比,曲面贴角窄缝挑坎明显小于直墙窄缝挑坎。以上结果说明曲面贴角窄缝挑坎体型结构较合理,水流紊动较小,泄洪时更有利于保证结构的稳定性。4两种类型的窄缝试验结果的比较分析4.1工程模型设计黄河玛尔挡水电站是位于青海省果洛藏族自治州玛沁县拉加乡上游约5km的黄河干流上的混凝土面板堆石坝,最大坝高211m,泄洪水头达190m,泄水建筑物相邻右岸坝肩布置,采用右岸3孔溢洪道及1孔泄洪洞,溢洪道泄槽段由两中隔墙分开,每孔泄槽宽度为11.8m,泄槽陡坡段紧接鼻坎反弧段,左、中、右3孔鼻坎采用挑流消能工。设计洪水(P=0.1%)下,库水位为3275m,下游水位为3087.49m,实验泄量为5760m３/s;百年一遇洪水下,库水位为3275m,下游水位为3086.25m,实验泄量为4390m３/s。模型按重力相似准则设计制作,模型长度比尺为Lｒ=100,模型制作范围为:上游库区做至坝轴线以上775m,下游河道做至下游坝坡坡脚以下约1200m。下游动床按设计提供的消能区河床基岩抗冲流速V=4.5~5m/s和覆盖层抗冲流速V=1.5m/s以天然散粒体沙石模拟河床基岩和覆盖层。考虑阻力相似的要求及便于观测,枢纽及泄洪建筑物均采用有机玻璃制作。4.2溢洪道三孔水舌集中,ldp水受制通过对溢洪道三孔挑坎体型优化比选,发现由于三孔挑坎布置集中,即使三孔泄槽都能形成完整的、扩散充分的水舌,其入水前后位置也无法完全错开,造成水舌入水集中,使下游冲刷深度不能满足设计要求;只有尽量使溢洪道三孔水舌扩散充分且均匀、入水区域大而分散、避免三孔水舌相互叠加,才能减轻下游冲刷,保证左右岸坡的安全。总结分析以往工程经验,窄缝式挑坎可以实现上述目的,因此实验进行了直墙窄缝挑坎、曲面贴角窄缝挑坎的对比实验,通过对两种窄缝挑坎进行结构、水舌流态、冲刷效果对比分析,曲面贴角窄缝挑坎都占明显优势。4.2.1两种类型的窄缝和倾斜结构直墙窄缝挑坎、曲面贴角窄缝挑坎结构详图分别见图1、图2。4.2.2挑坎出口边墙对比比较分析直墙窄缝挑坎和曲面贴角窄缝挑坎的结构差别(见表3),从表3可看出,挑坎出口边墙高度曲面贴角窄缝挑坎比直墙窄缝挑坎降低了约1/2;挑坎最大高差减少了5m;高宽比约减小了2倍,大大降低了挑坎高度,有利于保证结构的稳定性和安全性。4.2.3入水范围较小设计水位下直墙窄缝挑坎和曲面贴角窄缝挑坎的水舌流态分别见图3(a)、3(b),可看出:直墙窄缝挑坎三孔挑坎水舌纵向拉伸较好,但横向扩散有限,挑坎收缩急剧导致水流交汇碰撞而激起水花,流态较为紊乱,三孔水舌分散入水但落点相对集中,入水范围较窄;曲面贴角窄缝挑坎三孔出流水舌流态较为平稳,形成较好的纵向、竖向拉伸和横向扩散,水舌形成空间上立体散开,左右孔水舌分别向左、向右侧卷,三孔水舌互不叠加分散入水,入水范围较大。因三孔挑坎水舌流态基本一致,现以中孔为例,设计水位下两种挑坎中孔水舌各指标对比见表4,曲面贴角窄缝挑坎水舌各指标都比直墙窄缝挑坎占优势,曲面贴角窄缝挑坎水舌形成纵向、横向、竖向较为充分的扩散,增大了入水范围,减小了入水单宽能量,有利于减轻对下游河道的冲刷作用。4.2.4曲面贴角窄缝挑坎两种窄缝挑坎设计洪水与百年一遇洪水泄洪时下游河道冲刷情况见表5。设计洪水和百年一遇洪水下游河道最大冲刷深度曲面贴角窄缝挑坎比直墙窄缝挑坎分别降低80.6%、66.7%,可见曲面贴角窄缝挑坎大大减轻了对下游河道的冲刷作用,说明曲面贴角窄缝挑坎下泄水舌空间扩散充分,消能效果较好。5曲面贴角窄缝挑坎的优点分析本文结合玛尔挡水电站水力模型实验,将曲面贴角窄缝挑坎与传统直墙窄缝挑坎进行体型结构、消能机理、受力特点上的对比分析,研究结果