收縮式消能工的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

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1、收縮式消能工的研究現(xiàn)狀及發(fā)展范嘉煒（天津大學(xué)，天津市，郵編300072）摘要:為了總結(jié)新型組合式消能工在高壩建設(shè)發(fā)展中的可利用性及重要性,綜述了收縮式消能工與其他消能工聯(lián)合運(yùn)用的結(jié)構(gòu)、原理和工程應(yīng)用.收縮式消能工由于其水流占用寬度較小等特點(diǎn),與其他消能工聯(lián)合運(yùn)用可以解決許多在深狹河谷中修建水利樞紐的泄洪問題.根據(jù)不同工程自身的特點(diǎn),應(yīng)設(shè)計(jì)和選用不同的組合式消能方式.關(guān)鍵詞:收縮式消能工;聯(lián)合消能工;寬尾墩;窄縫式中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:近年來(lái),越來(lái)越多的高壩建設(shè)于深山峽谷中.這些高壩具有水頭高、流量大的特點(diǎn),因此傳統(tǒng)的消能方式很難滿足泄洪消能要求.經(jīng)過(guò)水利工作者的努力,一些新型的消能方式

2、及聯(lián)合消能工得到了廣泛應(yīng)用.收縮式消能工就是其中一種重要的消能方式,它與其他消能方式聯(lián)合運(yùn)用,解決了許多壩身泄洪問題.收縮式消能工是以射流縱向擴(kuò)散為基礎(chǔ)的新型消能工形式.急流通過(guò)收縮邊壁時(shí)表面形成駐波,使底部法線上各質(zhì)點(diǎn)的速度具有不同傾角,愈接近自由表面傾角愈大.水流出收縮段時(shí),由于底部法線上各質(zhì)點(diǎn)以不同的方向在立面中運(yùn)動(dòng),射流在立面中擴(kuò)展,產(chǎn)生縱向擴(kuò)散.這種擴(kuò)散主要依靠各質(zhì)點(diǎn)縱向流速流向的改變.由于流速的縱向值一般遠(yuǎn)大于橫向值,故利用縱向流速的擴(kuò)散遠(yuǎn)比橫向擴(kuò)散充分[1].由于收縮式消能方式水流占用寬度較小,特別適應(yīng)于我國(guó)西南地區(qū)河谷狹窄、洪水峰高量大的情況.收縮式消能工主要有寬尾墩消能

3、工和窄縫式消能工2種形式.本文主要綜述了寬尾墩消能工與其他消能工聯(lián)合運(yùn)用的結(jié)構(gòu)、原理及在實(shí)際工程中的應(yīng)用，簡(jiǎn)要概括了窄縫式消能工的消能原理。1寬尾墩與其他消能工的聯(lián)合運(yùn)用寬尾墩消能工是由我國(guó)學(xué)者林秉南院士和龔振瀛在20世紀(jì)70年代提出的,是收縮式消能工在我國(guó)的創(chuàng)造性發(fā)展,在我國(guó)壩工消能方面產(chǎn)生了相當(dāng)重要的影響.在與其他消能措施的聯(lián)合消能中,寬尾墩是一種附加消能措施,由于它的參與,改變了原有的消能機(jī)理及消能過(guò)程.1.1寬尾墩-消力池聯(lián)合消能工1.1.1消能機(jī)理當(dāng)寬尾墩和消力池聯(lián)合運(yùn)用時(shí),原來(lái)平尾墩時(shí)堰頂?shù)囊缌魉?二元流態(tài))在閘墩尾部寬度被驟然收縮,迫使水流沿壩面豎向擴(kuò)展而成為窄而高的收縮

4、射流(堰頂收縮射流).在沿壩面下泄時(shí),由于受到重力的影響,水舌又逐漸坦化向無(wú)水區(qū)擴(kuò)展,并趨向于恢復(fù)原來(lái)的二元流態(tài).當(dāng)水舌坦化進(jìn)入反弧段時(shí),相鄰兩孔水股開始交匯.各股水流在消力池水墊內(nèi)相互混合,產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換和紊動(dòng)剪切.當(dāng)下游為急流時(shí),在反弧段和消力池前部,會(huì)激起很高的涌浪;當(dāng)下游有足夠的水深時(shí),則產(chǎn)生三元水躍[2].寬尾墩消力池聯(lián)合消能工是利用寬尾墩本身在堰頂產(chǎn)生的多股收縮射流在消力池水墊內(nèi)的相互交匯和摻混來(lái)極大地加強(qiáng)水流內(nèi)部紊動(dòng)剪切和摻混作用,使過(guò)堰水流的更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能和勢(shì)能,從而達(dá)到增進(jìn)消能的目的。1.1.2工程實(shí)例分析安康水電站[3-4]表孔溢流壩段就是采用寬尾墩-消力池

5、聯(lián)合消能工形式(圖1).圖1表孔溢流壩段寬尾墩體安康水電站位于漢江中上游,陜西省安康縣上游18km的火石巖壩址。采用折線型整體式混凝土重力壩。壩址處于河流彎道,河谷狹窄,常年洪水水面寬僅2005m,壩軸線與河道斜交,下泄洪水主流集中偏向右岸,造成右岸沖刷,左岸淤積。壩址區(qū)為古老震旦紀(jì)絹云母千枚巖,巖性軟弱,抗沖能力差。從以上地形、地質(zhì)、洪水特點(diǎn)來(lái)看,其特點(diǎn)可歸納為流向偏、巖石軟、能量大。因此安康水電站的泄洪消能問題十分復(fù)雜,消能防沖工程設(shè)計(jì)的難度很大。特別是在后來(lái)樞紐總布置不能變動(dòng),施工導(dǎo)流建筑物已成定局,消力池長(zhǎng)度和深度不能任意增加的特定前提下,迫使設(shè)計(jì)與科研人員研究和應(yīng)用新型消能工,

6、以改善和提高消能效果,保證主體建筑物的安全。在高水頭、大單寬流量和十分苛刻的工程技術(shù)條件下,通過(guò)采用寬尾墩消力池聯(lián)合消能工而圓滿地解決了表孔消力池消能這樣一個(gè)十分艱巨而復(fù)雜的問題。平尾墩改為寬尾墩后,出閘孔水流由原來(lái)的二元薄層水舌變?yōu)檠貕蚊尕Q向擴(kuò)展的三元收縮射流,并導(dǎo)致兩種墩型消力池內(nèi)流態(tài)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的改變。當(dāng)寬尾墩和消力池聯(lián)合運(yùn)用時(shí),原來(lái)平尾墩時(shí)堰頂?shù)囊缌魉?二元流態(tài))在閘墩尾部由于寬度被驟然收縮,迫使水流沿壩面豎向擴(kuò)展而成為一股窄而高的收縮射流(堰頂收縮射流)。在沿壩面下泄時(shí),由于受到重力的影響,水舌又逐漸坦化向無(wú)水區(qū)擴(kuò)展,并趨向于恢復(fù)原來(lái)的二元流態(tài),當(dāng)水舌坦化進(jìn)入反弧段時(shí),相鄰兩孔

7、水股坦化后開始交匯。各股水流在消力池水墊內(nèi)相互混合,產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換和紊動(dòng)剪切。當(dāng)下游為急流時(shí),在反弧段和消力池前部,就會(huì)激起很高的涌浪,涌浪處水花飛濺。因此,寬尾墩和消力池聯(lián)合運(yùn)用時(shí),由于堰頂收縮射流的出現(xiàn),消力池內(nèi)的流態(tài)和常規(guī)平尾墩消力池有顯著不同。通常消力池只依靠一個(gè)橫軸表面漩滾起消能作用。采用寬尾墩后,收縮后的射流不但摻氣較多,能加強(qiáng)表面漩滾的摻混作用,而且由于射流的三元流態(tài),在池內(nèi)兩側(cè)還產(chǎn)生了強(qiáng)烈的縱軸漩滾或渦流,進(jìn)一步