关于窄缝式挑坎发展的研究

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摘 要：随着国民经济的不断增长，人们对能源的需求日益增加，在高山峡谷地区的高坝建设迅速发展。近年为了解决泄洪消能技术难题，国内外专家提出了多种挑流鼻坎的型式，其中将出口末端收缩很窄的窄缝式挑坎就是其中的一种新型型式。文章主要从窄缝式挑坎的体型参数及其在国内外的研究进展加以阐述，并指出了有关窄缝式挑坎体型结构方面值得进一步研究的问题。

关键词：泄洪效能；窄缝式挑坎；体型参数；研究进展

1 概述

我国是世界上水能资源丰富的国家，现在已开发量仅为总可开发量的20%左右，尤其是在西部地区蕴藏着极其丰富的水能资源，由于交通及地形地质等条件的制约，高土石坝优势极其明显，未来西部地区将建设近二十座高土石坝[1]。这些水利工程的主要特点是水头高、流量大、河谷狭窄、以及水流流速高，如果泄流消能的问题得不到妥善解决，不仅会对枢纽中水工建筑物的安全运行造成影响，还会使下游河床受到高速水流的严重冲刷，影响船只的正常通航，以及影响发电效应，更甚至会危及大坝的安全。因此，泄流消能技术在水利工程中至关重要，由溢流坝下泄的水流必须妥善进行处理[2]。窄缝挑坎消能工是利用变窄的泄槽边墙迫使水流急剧横向收缩，水深沿挑坎竖向扩散，纵向拉开，充分掺气，出坎水舌增高，从而加大水舌入水长度和面积，减小单位面积入水能量从而达到泄洪消能目的。解决了高流速、大流量和河谷窄等消能难题，并应用在三峡、隔阂岩、龙羊峡、二滩、溪洛渡和水布垭电站等大型工程，取得了很好的消能效果[3]。

2 窄缝式消能工概述

2.1 窄缝式消能工的体型参数

窄缝挑坎的体型选择，主要包括挑坎出口挑角、侧向收缩比（或侧收缩角）、收缩段长度、出口断面形式、边墙高度、挑坎反弧段半径等参数[4]。

（1）挑角：等宽挑坎的挑角一般为20°～40°。而窄缝式挑坎与其不同，其挑流目的是为了让水舌在空中充分扩散，使其水舌的外边缘射程L1尽量大，水舌内边缘射程L2适当小，也就是使水舌沿射流方向尽量拉长。研究表明，水舌外边缘射程L1可以通过调整挑坎收缩段进出口宽度比值（即收缩比）来控制，水舌内边缘射程L2则是受出口挑角的影响。因此，窄缝挑坎挑角一般很小，一般取0°。

（2）收缩段长度：初步分析，收缩段长度越长时，侧墙压力分布就越均匀，最大压力值将会减小，但是工程量会相应加大。目前已建工程的收缩段长度取值为：龙羊峡25m，东江30m，水布垭25m。

（3）收缩比β：收缩比β是指挑坎出口断面宽度b与收缩起始断面宽度B的比值。它是决定窄缝式消能工消能效果的重要参数。国内已建的水利工程的收缩比取值为：龙羊峡β=0.38；岩滩β=0.368；安康β=0.40；水布垭β=0.25。

（4）出口断面形式：窄缝式挑坎出口断面形式可以是矩形、体型、Y型及V型，也可以是不对称的其他形式。出口断面形式的选择可以根据不同工程条件选取合适的形式[5][6]。

2.2 窄缝式消能工的消能效果

消能效果的评判最终归结为对下游河床的冲刷程度。窄缝式挑坎与等宽挑坎不同，它利用侧墙的收缩，将出口过流宽度缩窄为原宽度的（1/3～1/5），鼻坎的挑角很小，甚至可以为负角。使得通过挑坎的水流两侧向中g汇集，发生碰撞。形成的射流横向收缩，纵向拉长，使得水流的紊动作用更加剧烈，水舌与空气的接触空间也加大。在掺气和空气阻力的作用下，射流会消耗大量能量，从而减轻对下游河床的冲刷作用[7]。窄缝消能工既是消能结构，又可以改变射流方向，使水流与下游河床主流方向一致，大大地提高了消能效果。

3 国内外研究现状

窄缝式消能工在国内外已经进行了大量的研究，早在20世纪50年代，窄缝式消能工就开始应用于水利工程中。1954年，葡萄牙人首先将窄缝挑坎应用于卡勃利尔（Cabril）枢纽中的泄洪洞出口末端。之后的10多年中，西班牙、法国、伊朗和南斯拉夫的许多工程也相继采用了这种消能型式[8][9]。这是在水利工程中的一个重大创新与突破。20世纪70年代末，我国效仿其他国家的工程开始对一些拟建工程进行窄缝式挑坎挑流消能的试验研究。1978年中国水利水电科学院李桂芬、高季章，首次系统的研究了窄缝挑坎的水流特性。80年代初期，窄缝式挑坎首次被推荐到湖南东江水电站的右岸溢洪道上采用。1981年董显武、苏祥林等通过实验模型确定了窄缝挑坎的一些具体参数，并已经运用到实际工程。到1995年，通过对原型进行观测分析，证实了这一新型收缩式消能工还具有更多的应用前景。

4 结束语

目前，在我国先后已有东江、龙羊峡、东风、李家峡、天生桥一级、隔河岩、漫湾、水布垭、三峡等大型水电站泄洪建筑物采用了窄缝挑坎挑流消能，取得了良好的消能效果。国内很多知名学者和教授对窄缝挑坎挑流消能进行了大量的研究，取得了很大的技术成果。对于窄缝挑坎的研究，其中包括对称曲线窄缝挑坎辐射收缩角的计算方法；水舌的挑距计算；边墙曲线的计算；边墙水深的计算；边墙的动水压强特性的研究；窄缝内急流冲击波的分析计算；水面线的计算以及挑坎内的水力特性三维数值的模拟研究等等，取得的研究成果对工程建设有很大的帮助。但是对窄缝挑坎挑流消能的研究还未结束，还存在一些问题尚未解决。例如：窄缝挑坎挑流的挑距的精确算法；影响窄缝挑坎挑流消能的参数间的关系；窄缝挑坎内水流的紊动特性以及在工程设计伊始各个体型参数的设计等等，这都需要我们对窄缝挑坎挑流消能进行进一步的研究。

参考文献

[1]顾圣平，田富强，徐得潜.水资源规划及利用[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]许学问.对称曲面贴角窄缝挑坎水力特性数值分析[D].2011.

[3]黄秋君，吴建华.收缩式消能工的研究现状及进展[J].河海大学学报（自然科学版），2008，36（02）：219-223.

[4]赵欣.窄缝挑坎体型选择[J].水利科技与经济，2010（02）.

[5]王治祥.窄缝式挑坎强化消能与体型问题研究[J].红水河，1994（02）.

[6]儒，陈义动.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（02）：25-29.

[7]吴文平.窄缝挑流的冲刷特性[J].陕西水力发电，1996，12（02）：11-13.

[8]周石权.浅谈窄缝式消能工在泄水建筑物中的应用[J].人民长江，1989（11）.

[9]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.