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《广东水利水电杂志》2016年第11期
摘要:
溢洪道下游出口设置了窄缝式挑坎之后，增大了其挑射水流的消能率，可明显减轻对下游河床的冲刷。在简要地分析溢洪道窄缝式挑坎体型布置的基础上，根据溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷的水力模型试验资料，提出了其下游河床冲刷深度的计算式，并给出了相应的算例。本文成果可供类似工程设计和运行参考。
关键词:
溢洪道;窄缝式挑坎;冲刷深度;模型试验;计算
1概述
窄缝式挑坎是借助于溢洪道陡坡段或其下游挑流鼻坎段两侧边墙的收缩，在挑坎下游出口处形成“狭槽式”的窄缝，以增大窄缝出口挑射水流在下游河床的拉开、扩散、碰撞、掺气和消能等，可明显减轻挑射水流对下游河床的冲刷(见图1)。据有关文献的介绍［1］，在20世纪50年代起，国外开始采用了窄缝式挑坎新型消能工。如葡萄牙的卡勃利尔(Cabril)拱坝首次采用了窄缝式挑坎消能工;随后，西班牙阿尔门德拉(Almendra)拱坝、贝莱萨尔(Belesar)双曲拱坝等陆续采用了窄缝式挑坎消能工。在20世纪80年代初以来，国内水利界对窄缝式挑坎消能工进行了较深入和系统地研究，并在多个水利工程中得到了应用。广东省的河源市老炉下水库溢流坝和阳春市张公龙水库溢流坝等先后采用了窄缝式挑坎消能工［2－3］，其中张公龙水库溢流坝窄缝式挑坎已建成投入了运行。本文在简要地介绍窄缝式挑坎体型布置的基础上，对其下游河床冲刷特性的水力模型试验成果进行分析，供工程设计和运行参考。
2窄缝式挑坎主要体型尺寸
常见的直线收缩边墙的窄缝式挑坎的基本结构见图2，其主要的体型参数有:1)收缩比B/b:B为窄缝收缩段进口断面宽度，b为收缩段挑坎出口断面宽度。2)边墙收缩角θ或收缩率μ:θ=tg－1B－b2()L，μ=B－b2L，(L为收缩段长度)。3)窄缝式挑坎出口挑角ω。4)窄缝式挑坎出口断面形式:其可以采用矩形、梯形、不对称异形等形式断面，各种形式出口断面的优缺点和适用条件等可参见有关的文献［1，4－6］。3窄缝式挑坎下游河床冲刷特性溢洪道下游挑流鼻坎采用窄缝式挑坎的目的是减轻其挑射水流对下游河床的冲刷，确保工程的安全运行。现有的研究成果表明［1－2，7－10］，溢洪道窄缝式挑坎的下游河床冲刷深度比常规等宽挑坎的下游河床冲刷深度减少约20%～40%，且由于窄缝式挑坎下游形成横向宽度小、纵向长度长的挑射水舌，因此，窄缝式挑坎特别适用于高水头、狭谷河段水利枢纽的泄水建筑物。本文介绍笔者开展的1∶40的窄缝式挑坎和广东省河源市老炉下水库溢流坝窄缝式挑坎等下游河床冲刷的水力模型试验成果。
3.11∶40水力模型试验成果
3.1.1水力模型试验简介
水力模型为1∶40的正态模型。溢洪道堰顶高程设为100.0m，下游反弧段末端底部高程为60.0m，窄缝式挑坎设置在反弧段末端底部的下游，为平底(i=0)、出口挑角ω=0的窄缝式挑坎(见图3)。溢洪道陡坡段宽度B=8m，下游河床宽度为20m，窄缝式挑坎的收缩比B/b=2.5～8。溢洪道陡坡段泄流单宽流量q=25.3～75.9m3/(s•m)，相应堰顶水头H1=5.84～11.88m(见表1)。
3.1.2下游河床冲刷特性
文献［11］经过大量的水力模型试验研究表明，影响溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的主要因素是其收缩比B/b、泄流水力参数(如泄流单宽流量q，上、下游水位差Z)等。图4是一组不同收缩比B/b(B/b=2.5、4、8)的直线收缩边墙窄缝式挑坎(平底i=0、出口挑角ω=0)、等宽挑坎(B/b=1、出口挑角ω=30°)水力模型试验的下游河床冲刷深度对比图［11］。试验表明:在相同的泄流水力条件下，选取适当的收缩比B/b值的窄缝式挑坎，可大大减轻其挑射水流对下游河床的冲刷深度;收缩比B/b=2.5时，其下游河床冲刷深度与等宽挑坎(B/b=1、ω=30°)的下游河床冲刷深度相近，但挑距减小，对工程的安全运行不利;当收缩比增大至B/b=4时，其下游河床最大冲刷深度约为等宽挑坎的约82%;收缩比B/b=8时，下游河床最大冲刷深度约为等宽挑坎的约61%。因此，选取适当收缩比B/b的窄缝式挑坎对减轻下游河床冲刷深度的效果是较显著的。
3.2老炉下水库溢流坝窄缝式挑坎
老炉下水库重力坝最大坝高为63m，其溢流坝溢流堰顶高程152.7m，溢流陡坡段坡度i=1∶0.7，等宽陡坡段宽度B=11.5m，陡坡段下游接曲率半径R=15m的反弧段，反弧段末端底部高程为106.0m。经水力模型试验论证后，在溢流陡坡段和反弧段设置对称的二次收缩的窄缝式挑坎，其收缩角度分别为5.74°和13.65°，挑坎出口断面为梯形断面:底部宽0.8m(高程106.0m)，顶部宽1.7m(高程110.0m)［2］。在设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.2%)条件下，水力模型测试的溢流坝下游河床冲刷特性见表2。根据该工程下游河床基岩特性，取其下游河床基岩冲刷系数K=1.05，由式(1)计算的等宽挑坎下游河床冲刷深度T2列入表2。由表2可见，溢流坝下游挑坎采用窄缝式挑坎之后，其下游河床冲刷深度只有等宽挑坎下游河床相应冲刷深度的72%～73%，且挑坎下游形成窄而高的扇形状挑射水舌，对溢流坝下游狭谷河段两岸山体稳定十分有利［2］。
4溢洪道下游河床冲刷深度计算
4.1等宽挑坎下游河床冲深计算
常规的溢洪道下游河床冲刷深度可采用式(1)进行计算［12］:T=Kq0.5Z0.25(1)式中T为下游河床冲刷坑深度，m，由下游河道水位与冲坑底高程之差计算;q为挑坎出口单宽流量，m3/(s•m);Z为泄流上、下游水位差，m;K为下游河床基岩冲刷系数。
4.2窄缝式挑坎下游冲深计算
现阶段的窄缝式挑坎下游河床冲刷深度计算主要是通过水力模型试验资料的总结和分析，得出相应的经验或半经验计算公式。本文介绍两个计算公式，供工程设计和运行参考。1)文献［11］对水力模型试验资料的分析和计算，得到平底(i=0)、挑坎挑角ω=0的窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的计算公式为:TZ=K0.523bB+13.67珔hk()2.2(2)式中珔hk为相对临界水深，珔hk=3q2槡/g/H，q为收缩段进口断面单宽流量，g为重力加速度，H为挑坎作用总水头;B为收缩段进口断面宽度;b为挑坎出口断面宽度;其余符号意义见式(1)。式(2)的适用范围为:2.5≤B/b≤8;0.09≤珔hk≤0.162;ω=0。2)根据量纲分析方法及水力模型试验，得到窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的估算公式为［7］:T=KKsqm2Z1－34mg14(1－m)(3－1)m=0.38(bB)+0.316(3－2)Ks=1.43(bB)2－0.07(bB)+0.27(3－3)式中的符号意义见式(1)～(2)。式(3－2)和(3－3)适用范围为:2≤B/b≤3.333;Fr1=5.5～10.1。
5算例
一溢洪道堰顶高程为100.0m，其窄缝式挑坎为平底挑坎、高程为60.0m，收缩段进口断面宽度B=8m、出口断面宽度有两种:①b=2m，②b=1.48m;溢洪道泄流水力条件为:库水位109.08m，下游河道水位50.8m，泄洪流量Q=404.8m3/s;下游河床基岩冲刷系数K=0.9。分别计算其等宽挑坎和窄缝式挑坎的下游河床冲刷深度。由已给参数可计算得:①收缩比B/b=4和B/b=5.41;②泄流水力参数:q=50.6m3/(s•m)，Z=58.28m，H=49.08m，珔hk=0.1303。本算例中的B/b=4～5.41，略大于式(3)的适用范围，为了探讨窄缝式挑坎下游河床冲刷特性，仍近似采用式(3)进行计算。由式(1)～(3)计算的挑坎下游河床冲刷深度见表3。计算结果表明:1)溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷深度比常规等宽挑坎冲刷深度要小，并随收缩比B/b的增大，下游河床冲刷深度T相应减小，因此，可通过选择适合的窄缝挑坎收缩比B/b值，以达到减轻下游河床冲刷、确保工程安全运行的目的。2)由于影响溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的因素较复杂，且现有的各家公式试验条件和适用范围各有差异，其计算结果有一定的差别。因此，对较重要和较复杂工程的窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的计算，建议通过水力模型试验进一步确认。
6结语
1)根据水力模型试验成果，对溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷特性进行分析，溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷深度比常规等宽挑坎冲刷深度要小，并随窄缝式挑坎收缩比B/b的增大而相应减小。因此，可通过选择适合的窄缝挑坎收缩比B/b值，以达到减轻下游河床冲刷、确保工程安全运行的目的。
2)由于影响溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的因素较复杂，对较重要和较复杂工程的窄缝式挑坎下游河床冲刷深度的计算，建议通过水力模型试验进一步确认。
参考文献:
［1］高季章．窄缝式消能工的消能特性和体型研究［C］∥中国水利水电科学研究院科学研究论文集(第13集)．北京:水利电力出版社，1983:213－236．
［2］黄智敏，钟伟强，钟勇明．老炉下水库溢流坝工程布置和试验优化［J］．水利水电工程设计，2005，24(3):47－48，51．
［3］黄智敏，钟勇明，何小惠，等．张公龙水电站溢流坝除险改造消能试验研究［J］．广东水利水电，2012(4):6－8，22．
［4］陈忠儒，陈义东，黄国兵．窄缝式挑坎体型研究及其挑流水舌距离的估算［J］．长江科学院院报，2002，19(4):11－14．
［5］肖兴斌．窄缝式消能工在高坝消能中的应用与发展综述［J］．水电站设计，2004，20(3):76－81．
［6］黄智敏，何小惠，朱红华，等．窄缝式挑坎体型及动水压强特性分析［J］．中国农村水利水电，2006(5):69－71，74．
［7］武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室．水力计算手册(2版)［M］．北京:中国水利水电出版社，2006．
［8］李桂芬，高季章，刘清朝．窄缝挑坎强化消能的研究和应用［J］．水利学报，1988(12):1－7．
［9］南晓红，聂源宏，梁宗祥，等．窄缝式消能工在重力拱坝坝面溢流中的应用［J］．中国农村水利水电，2004(6):54－56．
［10］陈忠儒，陈义东．窄缝式消能工的水力特性及其体型研究［J］．水利水电科技进展，2003，23(2):25－29．
［11］黄智敏．窄缝消能工特性的探讨［D］．武汉:武汉水利电力学院，1984．［12］溢洪道设计规范:SL253—2000［S］．
作者:黄智敏 单位:广东省水利水电科学研究院 广东省水动力学应用研究重点实验室