高擴散低收縮差動挑流消能工在高拱壩的應用

高擴散低收縮差動挑流消能工在高拱壩的應用

0高擴散低收縮差動式挑坎的基礎高流量大、單寬排水的消能一直是節(jié)水工程領域面臨的研究主題，其中排水消能是最常見的消能類型。隨著水庫建設的蓬勃發(fā)展，水庫的類型也層出不窮。例如，有不同大小的分支矩陣，如運動矩陣、狹窄裂縫矩陣、擴散矩陣和折疊矩陣。差動坎、窄縫坎和擴散坎等型式的挑坎在工程應用中各有其優(yōu)點和適用條件。窄縫坎使水舌縱向擴散增加以達到減輕下游河床沖刷的目的,大多應用于狹窄河谷。許多專家對窄縫消能工的體型[1~2]、消能機理、邊墻壓力、使用范圍及經驗理論計算方法[3~5]、霧化水流特性等問題進行了深入系統(tǒng)的研究,取得了很多有意義和價值的成果。擴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。差動式挑坎通過設置高低齒坎,使水流上下錯開為兩股,增加水流縱向擴散,減少水流入池單寬流量,在很大程度上減少沖坑深度,達到良好的消能效果。1962年柘溪大壩矩形差動式挑坎發(fā)生嚴重的氣蝕,未見有妥善的減蝕措施后,差動坎空化空蝕問題引起了專家學者們的重視,通過對柘溪大壩氣蝕原因的分析認為,差動式矩形挑坎若體型設置不當,在齒坎末端附近容易發(fā)生空化空蝕破壞。前人研究結果表明較好的差動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。高擴散低收縮差動式挑流消能工兼有差動坎、窄縫坎及擴散坎的特點,具有鮮明的工程應用特色。在珊溪水電站和灘坑水電站岸邊溢洪道中已得到成功應用,大龍?zhí)豆皦蔚仍诔醪皆O計時亦論證了在拱壩上采用該消能工的可行性。可見,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用。由于該新型聯(lián)合挑流消能工高坎擴散、低坎收縮并在空間上形成高低差動挑射水舌,從入坎到水墊塘過程中的水力特性均與其它型式的聯(lián)合挑流消能工不同,到目前為止還未見有相關的研究報道。本文通過模型實驗對高擴散低收縮差動式挑坎進行了研究,分析了坎內壓力分布、高低坎挑射水舌運動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式挑坎的水力特性進行了對比。1高、低挑坎反弧半徑s1將擴散坎、窄縫坎及差動坎三種挑流型式消能工的優(yōu)點有機結合在一起,形成高擴散低收縮差動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)的矩形差動挑坎,同時與鳳灘水電站的高低大差動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,在空間上結構布置比較緊湊,見圖1,從入挑坎一直到射入水墊塘,均伴隨著高、低坎內的水流混摻碰撞作用,在工程應用上具有其鮮明的特點:高坎順水流擴散,增加水舌橫向擴展程度,從而降低入池橫向單寬;低坎順水流收縮,水流在空中沿縱向充分擴散、摻氣,成縱向三維擴散消能,使入池縱向單寬減少,達到減輕下游河床沖刷目的,更重要的是,高、低挑坎若是設置得當,能使的出坎水流不會沖擊岸坡,在狹窄河谷上亦可應用。目前,對這種消能工還沒有統(tǒng)一的定義,有的文獻稱之為異型差動坎或臥底式窄縫差動坎,本研究為了形象描述將其稱為“高擴散低收縮差動式挑流消能工”。2高坎和低坎設計模型灘坑水電站位于浙江省青田縣境內的甌江支流小溪上,壩址以上流域面積3330km2,設計裝機容量600MW,水庫具有多年調節(jié)能力,校核洪水位以下總庫容41.90億m3,調節(jié)庫容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38.0m/s,挑流鼻坎采用高擴散低收縮差動式組合挑坎。為了使問題突出,以一組完整的高坎和低坎設計模型見圖2、圖3(a),實驗模型按重力相似準則設計,比例尺1∶60。上游水庫出口由一閘門控制庫水位,以得到不同的入坎處作用水頭H0。挑坎下游鋪設厚度為0.9m的鵝卵石,d50=13.5mm,鋪設長度6.0m。下游設置尾門用于控制下游水深h2=0.24m。模型流量由設置在供水管道的超聲波流量計量得,測量精度為±1%,最大量測流量為0.586m3/s。水位及水舌軌跡由測針量取,誤差為±0.1mm。在高低坎底板中線上間隔5cm布置測壓管,在低坎側壁間隔2cm布置測壓管。為了研究高擴散低收縮差動挑坎水力特性與連續(xù)坎、窄縫坎以及矩形差動坎的不同,設置了不同作用水頭工況,對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成果,具體實驗方案見表1。3結果與分析3.1不同坎型的水舌水舌運動特性連續(xù)坎、窄縫坎及矩形差動坎泄洪時的流態(tài)已有很多專家進行了深入研究。在此就高擴散低收縮差動式挑坎的泄洪流態(tài)進行描述。如圖3所示,水流入坎后,一部分進入低坎,另一部分進入高坎,由于高坎與低坎間未設置隔墻,水流受反弧及高坎擴散慣性的作用,有一部分會分流至低坎內;低坎水流受側壁收縮的影響,在縱向上擴散,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擴散,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散水舌會在一定區(qū)域內頂托擴散至低坎處的高坎水舌,又會形成高低坎水舌碰撞區(qū)(圖3c)。可見,該型式挑坎泄洪時,水流從入挑坎一直到射入水墊塘,均伴隨著高、低坎內的水流混摻碰撞作用,這點與矩形差動坎有很大的區(qū)別。實驗中測量了不同坎型泄洪時的水流特性,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的實驗結果為例對四種坎型的泄流流態(tài)進行比較分析,見表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,但是縱橫向擴散均不充分,水股最集中,入水面積最小;窄縫坎出坎水舌縱向擴散充分,水舌縱向擴散長度達入坎寬度的2.7倍,是四種坎型中縱向擴散最為充分的,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橫向漩渦;矩形差動坎高低坎水舌相互錯開,水舌入水點明顯分開,幾乎不相互碰撞,但高低坎水舌并未充分擴散,挑距減小,水墊塘中的橫向漩渦較窄縫坎減小;高擴散低收縮差動坎,高低坎出坎水舌各自在橫向和縱向充分擴散,且如前所述,形成兩個水舌碰撞區(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、矩形差動坎高坎、高擴散低收縮差動坎高坎的底板壓力分布較為均勻,而高擴散低收縮差動坎高坎的底板壓力較矩形差動坎要略小一些,這是由于高坎擴散后,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、矩形差動坎低坎、高擴散低收縮差動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、高擴散低收縮差動坎次之、矩形差動坎最小,從0.6l之后,受挑坎側壁收縮的影響,窄縫坎和高擴散低收縮差動坎底板的壓力有所上升,而矩形差動坎未出現(xiàn)該現(xiàn)象。圖5為三種坎型挑坎側壁壓力分布圖,可見矩形差動坎低坎側壁在出坎位置出現(xiàn)負壓區(qū),最大負壓為-0.1×9.8kPa(見圖5(b)),因此需要通過在該區(qū)域位置設置通氣孔,以避免挑坎空蝕破壞的發(fā)生。而與之形成鮮明對比的是高擴散低收縮差動式挑坎在側壁位置未出現(xiàn)負壓區(qū),均為正壓,這是由于通過低坎收縮,形成與窄縫坎同等的效果,使得側壁壓力上升,因此不需在側壁設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計時非常關心的一個參數(shù)。圖6給出了四種挑坎挑射水舌內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針對連續(xù)坎的實驗數(shù)據(jù)和張彥法針對窄縫坎的研究成果?？梢?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、矩形差動坎高坎、高擴散低收縮差動坎高坎三者內外緣挑距具有相類似的變化規(guī)律;內緣挑距,窄縫坎的挑距最短,高擴散低收縮差動坎低坎其次,矩形差動坎低坎略大一些;從水舌縱向擴散上看,窄縫坎的縱向擴散最充分,其次為高擴散低收縮差動坎低坎水舌,而矩形差動坎低坎的縱向擴散并不充分,僅為高擴散低收縮差動坎的0.5倍。加之高擴散低收縮差動坎高坎的橫向上的充分擴散,使得高擴散低收縮差動坎挑射水舌入水面積最大(見表2),可見本文研究的對象高擴散低收縮差動式挑坎挑射水舌的擴散最為充分,單位面積入水水舌所具有的能量最小。3.4低擴散低收縮差動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下沖坑最深點距挑坎出口的距離L和最大沖坑深度T?？梢?矩形差動坎沖坑最深點距挑坎出口的距離最短,其次為窄縫坎、高擴散低收縮差動坎,連續(xù)坎的挑距最遠。這是由于矩形差動坎低坎未收縮,在本文研究的工況下,高低坎水舌雖分散開來,但低坎水舌未在縱向上充分擴散,導致低坎水舌入水水股較為集中,沖坑最深點出現(xiàn)在低坎水舌入水后不遠處,而高擴散低收縮差動坎由于低坎收縮,低坎水舌在縱向上充分擴散,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,高擴散低收縮差動坎優(yōu)于窄縫坎、矩形差動坎,較之窄縫坎,最大沖坑深度可減小約20%,當入坎處弗氏數(shù)5.27<Fr<6.0時,最大沖坑深度隨著Fr的增大而減小,而當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散低收縮差動坎兩種坎型中表現(xiàn)最為明顯,這與文獻的實驗結果一致。模型實驗中觀測到高擴散低收縮差動坎出坎水舌縱橫向充分擴散,射流落入下游水面的入水面積大,單位面積入水流量減小,同時低坎水舌入水后形成潛沒射流,沿沖坑尾部向上,相鄰高坎水舌在橫向上擴散并碰撞后入水與該股潛沒射流交匯,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高擴散低收縮差動坎挑坎特性通過模型實驗對連續(xù)坎、窄縫坎、矩形差動坎和高擴散低收縮差動坎四種體型挑坎的水力特性進行對比研究,結果表明:1)高擴散低收縮差動坎出坎水舌在橫向和縱向充分擴散,形成兩個水舌碰撞區(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)矩形差動坎低坎側壁在出坎位置出現(xiàn)負壓區(qū),而與之形成鮮明對比的是高擴散低收縮差動式挑坎在側壁位置未出現(xiàn)負壓區(qū),均為正壓,這是由于通過低坎收縮,形成與窄縫坎同等的效果,使得側壁壓力上升,因此不需在側壁設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,從水舌縱向擴散上看,窄縫坎的縱向擴散最充分,其次為高擴散低收縮差動坎低坎水舌,而矩形差動坎低坎的縱向擴散并不充分,僅為高擴散低收縮差動坎的0.5倍;4)四種挑坎中,高擴散低收縮差動坎挑射水舌入水面積最大,挑射水舌的縱橫向擴散最為充分,單位面積上入水水舌所具有的能量最小;5)矩形差動坎沖坑最深點距挑坎出口的距離最短,其次為窄縫坎、高擴散