（水力学及河流动力学专业论文）冲击式消力墩水力特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 建国以来，我国修建了大量的水利工程。随着坝工技术的提高和我国水利水电建设 事业的迅速发展，高水头、大流量的水利枢纽工程正在不断增加，而这些水利工程都必 须有泄洪消能设施。传统的消能方式有底流消能、挑流消能、戽流消能、面流消能等。 这些都是外消能工。挑流消能是高水头泄水建筑物最常用的一种消能方式。已有的挑流 消能方式( 掺气分流墩挑流消能除外) 都是利用改变底板和边墙的几何形状来改变水流 过流断面的形态，达到挑流的目地。冲击式挑流消能则是利用水流与墩子的冲击力，迫 使水流反弹形成挑流，它比已有的各种挑流方式布置更灵活。至少，它可以为挑流消能 增加一种新的选择型式。本论文主要目的就是研究一种新型的挑流消能方式一冲击式挑 流消能。 一 首先，本文对已有的各种冲击波简化公式进行了系统的分析，给出了各简化公式的 适用条件；对侧墙有偏转倾斜情况下的冲击波进行理论研究，推导出计算侧墙有斜坡的 冲击式挑流消能的计算公式，并对计算公式进行试验验证，结果吻合良好。在理论公式 豹基础上为了便于工程应用对几种常见偏转角、坡角在不同来流弗劳德数时的波角和水 深比进行了计算；并给出了当坡角0 = 3 0 度、0 = 4 0 度、0 = 4 5 度、0 = 5 0 度、0 = 6 0 ， 度、0 = 7 0 度、8 = 8 0 度、0 = 9 0 度时的f r , 一口一卢一7 一r 关系图。 。 其次，对斜坡冲击波理论与实际水流现象存在一定差异的原因进行了理论分析，其 原因是：实际冲击波的波头都有一定厚度，所以实际的流动图形比计算简图要复杂， l， 而只用质量守恒和动量守恒方程又无法确定波头厚度；当较大且波头有一定厚度 时，水质点就有不可忽略的竖向分量，忽略这一因素也会带来一定误差；当a 较大、 r 较高、转向板长度有限时，波后水流的压强并不符合静水压强分布规律。 再次，在侧墙有偏转时冲击波理论公式的基础上，对波高很小岛* 时，在忽略摩 擦阻力和能量损失情况下，通过积分得出简化公式一，该公式适用于波高不陡的情况； 简化公式二是在比能不变假定条件下对微冲击波进行泰勒级数展开，忽略高阶小量得出 的。该公式形式简单，但由于忽略了高阶小量，波角的计算与未简化公式相比存在一定 误差，但比较适合工程上应用。简化式二适用于一般的人工急流明渠。为了方便应用， 对各种偏转角、坡角在不同来流弗劳德数时的波角和水深比进行计算，以方便查阅。 关键词：冲击波；冲击式挑流消能；水深比 冲击式消力墩水力特性研究 r e s e a r c ho n h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f i m p a c t - 缈p ee n e r g yd i s s i p a t o r a b s t r a c t s i n c e0 1 1 1 c o u n t z yf o u n d e d , l a r g en u m b e r so f h y d r a u l i cp r o j e c t sh a v eb e e nb u i l t w i t h t h ei m p r o v e m e n to fw o r k e r st e c h n i q u e so ft h ed a ma n dt h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i c e n dh y d r o e l e c t r i cc o n s t r u c t i o n , t h eh y d r o p o w e rp r o j e c t sw i t hh i g hw a t e rh e a da n dl a r g e d i s c h a r g el 【e e pc o n t i n u a l l yi n c r e a s i n g ，o fw h i c ht h ef l o o dd i s c h a r g ea n de n e r g yd i s s i l i a t i o n s m l c t u r e sa r e ：i n d i s p e m a b l ep a r t s h o w e v e r , s k i - j u m pd i s s i p a t i o ni st h em o s tc o m m o n - u s e d t y p ei nh i g hw a t e rh e a dw a t e rr e l e a s es m l c t u r e i no r d e rt og e tt h ew a t e rj e t ，c u r r e n tw a y so f s k i - j u m pd i s s i p a t i o n ( b e s i d e sa e r a t e db 舭s k i - j u m pd i s s i p a t i o n ) a uu s et h em e t h o do f c h a n g i n gt h eg e o m e t r yo ft h eb o t t o ms l a ba n dt h es i d e w a l lt oc h a n g et h es h a p eo ft h ec r o s s s e e t i o n a m o n ga nt h e s ek i n d so fc u r r e n ts k i - j u m pd i s s i p a t i o nw a y s i m p a c t - t y p es k i - j u m p d i s s i p a t i o n , w h i c hi sm 0 1 ef l e x i b l e t a k e sa d v a n t a g eo ft h ei m p a c tf o r c eb e t w c c l lt h es i 积锄 a n dt h ep i e rt om a k et h es t r e a mr e f l e c ta n db d ? , o m ea j e tf l o w a tl e a s t , i tc o u l db ea na l t e r n a t e w a ya m o n gt h en e w - t y p es k i - j u m pd i s s i p a t i o n s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sm a l 血塔 s o m ee x p l o r a t i o n so n an e ws k i - j u m pd i s s i p a t i o nw a y 。i m p a c t - t y p es k i - j u m pd i s s i p a t i o n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so ne x i s t e dk i n d so fs i m p l i f i e df o r m u l a s o f s h o c kw a v e , p r e s t st h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n so f e v e r yk i n do f s i m p l i f i e df o r m u l a s ；m a k e s at h e o r e t i cs t u d yo nt h es h o c kw a v ew i t hd e f l e c t i v eo rg r a d i e n ts i d e w a l l , a n dd e d u c e st h e c a l c u l a t i o nf o r m u l a sa c c o r d i n g l y ，a l s oe x p e r i m e n t a lv e r i f i e d , g o o da g r e e m e n ti sa t t a i n e d t h i s p a p e rm a k e sat h e o r e t i ca n a l y s i s o l lt h ep r o b l e mo ft h ed i f f e r e n c e sr e s u l t e df r o mt h e a p p l i c a t i o no f t h ei d e a ls h o c kw a v ea n da c t u a lw a t e rf l o wp h e n o m e n o n , h e r ea r et h er e a s o n s ： g e n e r a l l y , t h eo r i g i n a lp a r to fa c t u a ls h o c kw a v ei s n tz e r o - t h i c k , s ot h er e a lf l o w i n g g r a p hi sm o 他c o m p l e xt h a nc a l c u l a t i o ns c h e m a t i c s a l s oi t si m p o s s i b l et od e t 廿 n l i n et h e t h i c k n e s so ft h a tp a r to n l yu s i n gt h ee q u a t i o n so ft h em a s sc o n s e r v a t i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o n ；w h e nt h ev a l u e c a n tb eo m i t t e da n dt h eo r i g m a lp a r th a sac e l t a ：i n 1 t h i c k n e s s , t h ef l o wp a r t i c l eg e t sa nv e r t i c a lc o m p o n e n t , u n f o r g e t t a b l e o ri tw i l lc 铂糯c e r t t a l n e r r o r ；w h e n 口b e c o m 船b i g g e r 、nh i g h e r 、t h el e n g t ho ft h ed e f l e c t o rr e s t r i c t e d , t h e p r e s s u r eo ft h es l r e a md o e s n to b e yt h er u l eo fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h es t i l lw a t e r i nt h e b a c ko f t h ew a v e s e c o n d , c o n v e n i e n tf o rp r a c t i c a lu s e t h e r e 眦t a b l e so fd i f f e r e n ts t a t e si nd i f f e r e n t d e f l e c t o ra n g l e s ，d i f f e r e n ts l o p e s ，d i f f e r e n td e f l e c t o ra n g l e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ef m u d e n u m b e r so fc o m i n gf l o wa n dd i f f e r e n tr a t i o so ft h ed o w n - s t r e a mf l o wd e p t ht 0t h eu p s t r e a m 大连理工大学硕士学位论文 f l o wd e p t hi nc o m m o n , b a s e do nt h e o r e t i c a lf o r m u l a s a l s og r a p ho ff r , 一口一卢一乡幺一j b ，1 i n 澉0 - - - - 3 0 。，口- - - - 4 0 。，0 = 4 5 。，0 - - - - - 5 0 。，0 - - - - 6 0 。，口= 7 0 。，0 = 8 0 。，0 = 9 0 。， 口i st h es l o p ea n g l = t h i r d , b a s e do nt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a so ft h es h o c kw a v ew i t hd e f l e c t i v es i d e w a l l , w h e nt h eh e i g h to f t h ew a v ei ss m a l le n o u g h , 吃 ，f r i c t i o nf o r c ea n de n e r g yl o s so m i t t e d , f o r m u l alo b t a i n e du s i n gi n t e g r a t i o n , t h i sf o r m u l ai sa p p l i c a b l ei nc a s co fs m o o t hs l o p e ；t o g e ts i m p l i f i e df o r m u l a2 ，m i c r o - s h o c kw a v ei sd e v e l o p e db yt a y l o rs e r i e si nt h eh y p o t h e s i s t h a t e = c o n s t a n t , w i t ht h eh i g ho r d e ri n f i n i t e s i m a ln e g l e c t e d 珊sf o r m u l ah a sa s i m p l e f o r m , b u ti tb r i n g so b v i o u se r r o ri nt h ed e f l e c t o ra n g l ei nc o m p a r i s o nt 0t h eo r i 酬f o r m u l a , d u et ot h en e g l e c to ft h eh i g ho r d e ri n f i n i t e s i m a l , s t i l la p p l i c a b l ef o rp r o j e c tu 豫s i m p l i f i e d f o r m u l a2i sa p p l i c a b l et oc o m m o na r t i f i c i a lr a p i df l o wc h a n n e l 。w h e nt h ed e f l e c t o ra n g l eo f t h es i d e w a l li ss m a l l ，t h i sf o r m u l aa l s oc 锄c a l c u l a t es h a r ps h o c kw a v e c o n v e n i e n tf o r a p p l i c a t i o na n dr e f e r e n c e , t h c r ea r et a b l e so fd i f f e r e n ts t a t e si nd i f f e r e n td e f l e c t o ra n g l e s , d l f f e r e n is h o c ka n g l e sc o n c s p o n d i n gt ot h ef r o u d en u m b e r so fc o m i n gf l o wa n dd i f f e r e n t r a t i o so f t h ed o w n - s t r e a mf l o wd e p t h 幻t h eu p s t r e m nf l o wd e p t k k e y w o r d s ：s h o c kw a v e ：i m p a c t - t y p es k i - j u m pd i s s i p a t i o n ：t h er a t i oo f t h ed e p t h s i i i - r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：兰茎丝日期：圣望：丝望 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 王建蕉 导师签名：趔墨生 俎年月盈曰 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国是一个洪涝灾害比较严重的国家，同时也是一个水资源缺乏的国家。为了合理 利用有限的水资源和减轻洪涝灾害，截止到1 9 9 l 底，全国共修建了8 万多座大中小型 水库，总库容达4 6 6 0 亿立方米【l 】。到目前为止己建成、在建和将要建设的特大型、大型 水利枢纽工程又有一大批，如小浪底、三峡、二滩、小湾、黄河公伯峡、拉西瓦等。这 些高坝泄水工程中的水流流速都在4 0 m s 左右或更高。如此大的水流流速会产生一些特 殊的水流现象，如掺气、脉动、空蚀、冲刷、雾化等。给工程带来了极大的危害。这些 特殊的水流现象都属于高速水力学的研究范畴。 随着坝工技术的提高和我国水利水电建设事业的迅速发展，高水头、大流量的水利 枢纽工程正在不断增加，而这些水利工程都必须有泄洪设施。溢洪道作为高水头水工建 筑物常用的泄洪设施之一，主要将水流运送到离坝脚较远的地方，避免下泄水流冲刷坝 脚，有利于大坝的安全。溢洪道通常布置在拦河坝两侧的河岸，或拦河坝上游水库的适 宜地形处，布置灵活。土石坝枢纽无法采用坝身泄洪方式，除了极少数小型工程外，只 能采用岸边泄洪方式。在一些狭窄河谷的混凝土坝枢纽中，如果地址条件合适，经济指 标合理时，也可以采用岸边泄洪方式，将水电站厂房布置在河床中间。 根据对实际工程资料的粗略统计，泄洪消能造价约占工程总造价的4 0 一5 0 ，而 消能防冲设施的费用在泄水建筑物中又占了4 0 一5 0 。因此，为开发水能资源创建新 的高效消能工，对节省投资具有特别重要的意义。即使对中、小水头的枢纽，如能因地 制宜采取高效消能工，亦可节省相当多的消能防冲设施的投资。 传统的消能方式有底流消能、挑流消能、戽流消能、面流消能等。这些都是外消能 工。近3 0 年，为了把大型导流洞改建成永久泄洪洞，又出现了漩流消能、洞塞消能、 孔板消能等内消能工。而挑流消能又是高水头泄水建筑物最常用的一种消能方式。已有 的挑流消能方式( 掺气分流墩挑流消能除外) 都是利用改变底板和边墙的几何形状来改 变水流过流断面的形态，达到挑流的目的。冲击式挑流则是利用水流与墩子的冲击力， 迫使水流反弹形成挑流，它比已有的各种挑流方式更灵活。至少，它可以为挑流消能增 加一个新的选择型式。本论文主要目的就是研究一种新型的挑流消能方式一冲击式挑流 消能。 冲击式挑流消能以前几乎没有人研究过，在国内外也很少见到相关报道，对它的 基本水力特性、水力计算和水力设计方法都还缺少必要的认识。所以较系统的研究冲击 冲击式消力墩水力特性研究 式挑流消能，建立冲击波前后水力要素间的关系，确定这种新型高效消能工的水力计算 和水力设计方法，对推进消能工的研究有重要的意义。研究成果具有重要的理论价值和 广泛的应用前景。作者曾对大伙房水库除险加固工程的初步对比试验进行过研究， 采用冲击式挑流消能时的下游冲刷坑深度远小于采用传统挑流消能时的冲刷坑深度。因 此也就可以减少下游防冲工程的费用，降低工程造价。所以研究冲击式挑流消能的机理 及水力特性，是人们更好地认识和利用这种新型的高效消能工的基础，对水利水电工程 学科的理论进展将有重要的科学意义，并且可以指导工程实践。 1 2 研究的发展与实践 1 2 1 概述 在水利水电工程中，泄洪建筑物的可靠运行是保障水库安全、充分发挥工程效益的 关键。筑坝后，抬高了坝前库水位，提高了坝上游水体的势能，从而具有发电的功能。 但当泄放洪水时，巨大的洪水势能转化为动能，具有很大的破坏力。所谓泄洪消能，就 是借助一定的消能设施，把下泄水流的动能转化成热能与势能。一个好的消能设施应能 在较小的范围内完成能量转化，使下泄水流与下游原河道水流妥善衔接，且投资少，对 环境影响小，运行安全可靠。 国内外传统的消能方式有底流消能、挑流消能、戽流消能、面流消能等。挑流消能 是高水头泄水建筑物最常用的消能方式刚，常规的挑流消能有扩散坎、连续坎、差动坎、 扭曲坎、窄缝坎、分流墩等。上世纪八十年代由于水利水电建设的需要，我国设计、科 研、施工管理单位的技术人员，针对各工程特点，广泛参考国外的经验，形成了“中国 特色的新型消能工，取得巨大成就，包括：窄缝式挑坎、宽尾墩联合消能、异型挑坎、 大分流墩等。”解决了我国一批大、中型水电站的泄洪消能难题。 1 2 2 各种基本消能工发展概况 ( 1 ) 底流消能【3 】 底流消能也称水跃消能，是利用水跃进行流态转变及消杀能量的一种消能形式。其 消能特点是由溢流坝、放水洞或泄洪洞等下泄的高速水流贴底进入下游消力池，使其在 池内发生水跃通过水跃消能后使下游河床不被冲刷，建筑物免遭破坏。底流消能适用 于高、中、低水头，大、中、小流量的各类泄水建筑物，它对地质条件要求较低，对尾 水变幅的适应性也较好而且没有雾化问题，这是底流消能的优越之处。底流消能存在的 主要问题是：消力池首端水流流速很高，若衔接不好极易发生空蚀和石砾磨损，消能塘 底需修建护坦，两侧需做边墙，有时塘后还需做翼墙，以保障出塘水流的均匀扩散和与 大连理工大学硕士学位论文 下游水流的平顺衔接，且在软基上的塘后段还需设抛石海漫和防冲齿槽等。造成消力池 的工程量大、投资较高，因此相对而言底流消能是一种耗费较大的消能设施。基于上述 原因，底流消能工多用于中、低水头的水力水电工程中，尤其是地质条件较差( 岩石抗 冲刷能力低或为软基) 的地方应用较为普遍。高水头、大单宽流量的泄水建筑物应用底 流消能的较为少见。 ( 2 ) 面流消能 面流消能也是坝下消能的基本形式，但其实用性不如底流消能与挑流消能广。面流 消能是利用设置在溢流坎末端的跌坎，将溢流坎顶下泄的高速射流导入下游水流的表 面，并在跌坎附近的表面，主流与河床之间形成漩滚，该漩滚将高速水流与河床隔开。 这样，一方面通过旋滚消耗余能，另一方面高速水流不直接接触河床，达到消能防冲的 目的。 面流消能工常用的有跌坎式和戽斗式两种，前者坎高较大，挑角较小；后者则相反， 这两种消能工各有其特点和适用范围。跌坎式消能工利用设置在溢流坝或溢洪道末端的 垂直跌坎，将下泄水股送到下游表面，使水股在水流表面逐渐扩散，在表面主流与河床 之间形成漩滚。这种漩滚不但起着消能作用，而且使大流速水流靠近水流上部，有利于 减弱水流对河床的冲刷。面流消能一般不需设置消力池或护坦以节省工程造价。戽斗式 消能工在泄水建筑物末端设置半径较大，挑角略大的反弧戽斗。射流水股以较大的曲率 挑离戽斗时，可产生较大的涌浪，当尾水较高时在戽斗内产生强烈漩滚，形成典型的“三 滚一浪”流态，其消能机理与跌坎式基本相同，尾水变动同样对流态影响敏感，类似 水跃分为：临界戽流、稳定戽流和淹没戽流。 面流消能工的优点在于：主流在水流表面，具有底部漩滚，河床加固费用较少，便 于排除浮冰及其它漂浮物。其缺点是：水流衔接形式复杂多变，不易控制；下游有较大 的波浪，影响航运、岸坡稳定及水轮机运行。 ( 3 ) 挑流消能口7 j 墨3 9 1 挑流消能一般适用于尾水偏低但基岩条件较好的工程，基本原理是利用高速水流所 挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷 不至于危及建筑物的安全。水流在空中及水下的射流过程中能使射流水舌分散，消杀大 量能量，从而能避免下游发生严重的局部冲刷。水流在空中及水下射程中应尽可能分散， 以利于通过剪切和混掺消杀大量能量；同时希望获得较大的挑射距离，以利于建筑物的 安全。挑流消能于1 9 3 3 年被首次应用于西班牙的r k d b a y 重力拱坝的溢洪道上，并于 1 9 3 6 年被首次应用于法国的m a r e g e s 拱坝的滑雪式溢洪道上。在我国将底流消能改建为 挑流消能的丰满水电站溢流坝则是我国最早采用挑流消能的水利工程之一，时间是1 9 5 3 冲击式消力墩水力特性研究 年。随着坝工建设的蓬勃发展，各具特色的挑坎型式陆续产生，并被工程采用，其中连 续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎和窄缝坎等6 种挑坎型式应用较广，。现扼要 介绍如下： 连续坎( 图1 1 ) ：此坎剖面形态均一，采用一种挑角、构造简单、旌工方便、不 易发生空蚀破坏、但挑流时水股密实集中，高水头大流量时，下游河床冲刷较深，我国 早期水电站如丹江口和新丰江等溢流坝均采用此种挑坎，运行证实了上述优缺点。其缺 点有待进一步改进。、 差动坎( 图1 2 ) ；由两种挑角的一系列高坎与低坎相间布置所构成( 常规型式为 矩形，也有改进为梯形的) ，也称作齿槽式挑坎，同连续式挑坎相比，齿的挑角大于槽 的挑角，水流起挑时水股上下错开，加强在空气中的扩散作用、增强紊动、掺气，提高 消能效果，故可减轻下游的局部冲刷。其缺点是在高速水流作用下，齿的梭线和侧面易 发生空蚀破坏。为此，柘溪水电站溢洪道改用梯型差动坎，抗空蚀性能有所提高，可视 为此种挑坎的改进体型。 斜挑坎( 图1 3 ) ：它的特点是坎顶与水流方向斜交，挑出的射流水股不与坎顶正 交，因而挑距逐渐变化。适用于宽度相对较小的岸边泄洪建筑物，目的是使射流的入水 位置满足预期要求我国三门峡水库左岸两条泄洪隧洞，采用扩散式斜挑坎，取得较好 的效果。 扭曲坎( 图1 4 ) ：是在斜挑坎的基础上，对长边墙一侧的槽底设置超高或贴角， 除了实现上述的射流变形( 扩展、收缩、加长) 之外，使射流在挑射过程中转向变形， 以使射流落到河床中泓线附近，并沿河槽顺着水流方向散开，适用于峡谷高坝泄水孔和 岸边泄洪建筑物。刘家峡水电站的中孔、溢流道和泄洪洞以及龙羊峡水电站的中孔、深 孔和底孔，都是通过水工模型试验获得良好的扭曲体型后，付诸实施。上述4 种挑坎， 若能保持左右两个泄水建筑物的对称布置，使挑出的两股射流在空气中互相碰撞，则可 增强空中的消能作用。 大连理工大学硕士学位论文 卅 图1 1 连续坎 f i g1 i c o n t i n u o u sb u c k e t 图1 3 斜挑坎 f i g1 3d e f l e c t i n g b u c k e t 图1 2 差动坎 f i g1 2 s l o t t e d - t y p eb u c k e t 图i 4 扭曲坎 脚1 4 b u c k e tw i t hw r a p p e ds u r f a c e 1 2 3 各种高效消能工发展概况 ( 1 ) 窄缝式消能工 窄缝式消能工( 或称窄缝式挑坎) ：是利用挑坎侧墙的收缩，使水舌形成竖向和纵 向扩散强化消能，但由于挑坎出口缩窄，相应的单宽流量就比较大，早期在消能工设计 中，常以单宽流量作为先决条件。特别适用于深山狭谷地区水利枢纽的泄洪消能，一般 布置在岸边溢洪道末端或泄洪洞出口，但也有用于坝面泄洪的。通过对水流的横向收缩， 使出坎水流在竖向和纵向充分扩散，射流水舌在空中像一片薄薄的扇子，入水面积扩散 很大，更有效地减轻入水射水流对河床的冲刷破坏能力。窄缝式消能的另一优点是便于 水流转向，以适应下游河床。国外，从5 0 年代起已开始应用窄缝式消能工。1 9 5 4 年建 成的葡萄牙的卡勃利尔( c a b r i l ) 拱坝是最先采用窄缝式消能工的，它的坝高1 3 4 m 。在 1 9 5 8 年葡萄牙建成的卡斯特罗多博德重力拱坝的坝面滑雪道出口又采用了窄缝挑坎。进 入6 0 年代后，伊朗、西班牙、法国，南斯拉夫等许多国家都先后在多项水利工程中采 g 冲击式消力墩水力特性研究 用了窄缝式挑流消能工，伊朗在1 9 6 2 年建成的坝高9 5 m 的阿米尔卡比尔( a m i r k 顺1 ) 坝，西班牙在1 9 7 0 年建成的坝高2 0 2 m 的阿尔门德拉( a l m e n d m ) 拱坝，1 9 7 2 年建成 的坝高1 3 4 m 的阿塔萨尔( a t a z a r ) 双嗌拱坝以及1 9 7 3 年建成的g u a d a l t e b a - - g u a d a l h o r c e 土石坝，它们的溢洪道出口挑坎均为窄缝式。其中阿尔门德拉( a l m e n d m ) 拱坝是一项 相当成功的工程实例：该工程右岸两孔泄洪洞末端采用了窄缝式挑坎，原型观测表明， 水舌轨迹与河床冲刷的范围和模型试验基本一致，证明这种布置型式对于狭窄河谷是适 宜的。在我国，从上世纪7 0 年代后期才开始窄缝消能工的研究【3 】。7 0 年代末期，林秉 南首次介绍了上世纪5 0 年代葡萄牙修建的卡勃利尔坝溢洪道末端采用的窄缝式挑坎【羽。 1 9 7 8 年中国水利水电科学研究院李桂芬、高季章在国内首次系统地研究了窄缝挑坎的水 流特性。在我国第一个把窄缝消能付诸实施的是龙羊峡水电站，坝高1 7 5 m ，岸边溢洪 道采用窄缝式出流鼻坎。溢洪道共两孔，单孔宽1 2 m ，闸墩厚4 m 溢流前缘总宽度为2 8 m ， 堰面为w e s 曲线，堰顶最大水头1 4 5 米，挑坎水头为1 0 0 米左右。两孔先在长约2 6 0 m 2 7 0 m 的范围内，单孔净宽由1 2 m 收缩至1 0 m 左右，再在距末端约1 0 m 处，宽度急剧 收缩至4 m 。溢洪道出口鼻坎在平面上及高程上均成差动，出坎流速约4 0 m s 。 位于湖南丰水上的东江水电站，是双曲拱坝，最大坝高1 5 7 m ，右岸溢洪道也采用 了窄缝式挑流消能工。此外，东风水库、石砭峪水库也采用了窄缝挑坎。拉西瓦、故县、 二道河子和李家峡等工程，也都对窄缝挑坎方案进行过详细的研究。 ( 2 ) 宽尾墩 宽尾墩：是高效消能工在我国的创造性发展，将宽尾墩用于泄洪消能是一项重大革 新。在坝工消能方面产生了重要的影响，其目的主要是为了加强水股射流的纵向分散和 掺气，特别是这种消能工与其他消能型式联合应用，成功解决了诸如大流量、深尾水、 低弗劳德数泄洪消能问题等技术难题。目前，这种消能工与挑流、底流、戽流等消能型 式相结合己成功的应用于多项工程中。 早在6 0 年代，林秉南和陈炳新即开始研究纵向扩散消能，1 9 7 4 年林秉南与龚振瀛 共同认识到常规平直闸墩下游的水流消能不如逐渐扩大的闸墩。嗣后，龚振瀛提出宽尾 墩并应用于安康溢流坝戽式消力池的试验，取得了非常好的效果，并为以后宽尾墩和底 流式消能工相结合提供了技术储备；刘树坤则按林秉南建议，把宽尾墩应用于潘家口溢 流坝的挑流消能工试验，随后建成了三孔宽尾墩挑流联合消能工试验坝段，开创了宽尾 墩应用于实际工程的先例。以后安康、隔河岩水利枢纽都采用了宽尾墩一底流消力池联 合消能工；岩滩采用了宽尾墩一库式消力池联合消能工：五强溪水电站是表孔宽尾墩一 底孔消力池联合消能；杨家威子水库采用了宽尾墩加t 形墩消力池联合消能方式。根据 目前掌握的情况，运行情况都比较好。随着宽尾墩在国内水利工程上的应用实例增多， 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 我国对宽尾墩的设计与研究取得了十分丰富的成果与经验，处于国际领先地位 4 0 4 1 删。 倪汉根在白石水库泄洪消能的试验研究中首次采用了异型宽尾墩挑流消能，取得了良好 的效果 t 0 3 。此外，隔河岩水电站、岩滩水电站、五强溪水电站、水东水电站、大朝山水 电站以及百色水电站也先后采用了丰富多样的宽尾墩联合消能工。由于有诸多工程实 例，因此这方面的研究也比较深入。刘树坤结合潘家口水库对宽尾墩一挑流式消能工的 特性进行了深入的研究g 谢省宗提出了宽尾墩与消力池联合运用的水力计算方法；倪汉 根结合自石水库进行了异型宽尾墩挑流消能的研究；杨首龙提出了宽尾墩水跃消能系统 的水力计算方法。根据己建工程的情况看，绝大多数工程采用的是宽尾墩一消力池( 包 括底流与戽流) 联合消能方式，在这种消能方式方面的试验与研究比较深入，并且已经 取得了较多的成果。 宽尾墩的几何特点1 4 3 删：是闸墩尾部加宽成鱼尾状，闸室过流通道沿程收缩，造成 阿室水面逐渐壅高，特别是过坝急流受到横向收缩而交汇，形成冲击波和水翅，流出闸 室的水流水深增加很大，在坝面形成一道窄而高的水堵，而闸墩后出现大块无水区，出 闸水舌受宽尾墩的作用纵向充分拉开，增加了空气接触面，从而增加了水舌的掺气量， 水舌跌入反弧段后，由于横向扩散并于邻孔水流相互碰撞和顶托而向上壅起，形成很高 的水冠挑射出去。 宽尾墩过流特点嘲：是水舌三面接触空气，并有水翅、空腔等流态。水流与空气的 接触面积增大增加了水流的掺气量和水流的紊动，有利于坝面的防蚀，同时闸墩后的无 水区也可降低施工平整度的要求，大量试验表明，宽尾墩可造成出流水舌大量掺气，且 水舌掺气分布特点使得坝面掺气浓度相当高，兼起通气槽的作用，保护坝面免遭空蚀破 坏，同时坝面水流掺气和水股互相碰撞等因素，造成水流动能损失增大，同时由于挑射 水流高低相间，挑流水舌呈高而薄的雄鸡尾状，水舌落点分散，空中和水垫消能效率大 大提高。而且宽尾墩挑流水舌厚度增加，导致入水射流纵向扩散长度也增加，加上水舌 大量掺气，使下游水垫单位面积上的水流冲击力大为减小。故可减轻河床的冲刷。 ( 3 ) 大分流墩： 大分流墩：是指在大坝溢流表面或溢洪道的陡槽上设置的高出水面的分流墩，其消 能原理也属于收缩式消能工。国外最早使用大分流墩的是巴西的伊尔哈索尔台拉坝和 西班牙的西底罗。后来在西班牙另一个工程的泄洪洞末端采用了高出水面的大型扭曲表 面分流墩。这种高而薄的大墩使水流在流向掺气分散，纵向拉开，消能效果很好。我国 于1 9 8 6 年修建的福建柘林水库泄洪洞也采用了掺气分流墩挑流消能工，取得了良好的 消能效果。 冲击式消力墩水力特性研究 一般而言上述挑流消能工都要求来流有较高的弗劳德数。2 0 0 1 年辽宁省大伙房水库 为了除险加固，增建了非常溢洪道，它的水利条件比较复杂，溢洪道轴线与归槽水流有 很大的交角，出口水流的弗劳德数又不高。在模型试验中，采用传统的挑流消能方式效 果很差，因此发展了一种新的挑流消能方式，即冲击式挑流消能。通过调节冲击墩的长 短、间距、转角，可以实现分流、转向。冲击式挑流消能工能够较好地适应各种水利地 形条件【刀。这种消能方式可以很好的应用于中、高水头的泄洪设施。 1 3 冲击波理论国内外研究概况和发展趋势 1 3 1 国外 冲击波是在急流和水流边界变化两个条件共同作用下产生的，也就是当泄槽中水流 为急流时，由于渠槽边壁偏转变化而使水流产生扰动，使下游形成一系列呈菱形的扰动 波，即急流冲击波。这种特殊的水流现象首先于1 9 3 0 - - 1 9 4 0 年代初被当时的美国洛杉 机郡防洪局发现，他们在其辖区内的摊洪陡渠上发现不能用一般的排洪渠道设计方法来 计算，并开展了该课题的研究嘲。文献【6 】的有关评述表明p r e i s w e r k ( 1 9 3 8 ) 是斜水 跃的第一个研究者 7 1 ，但他并没有给出完整的结果。这一阶段美国的克纳普( t k n a p p ) 、卡门( t v k a r m a n ) 及伊本( a r t h u r t i p p e n ) 等做了大量理论研究工作， 还有鲍曼( p b a u m a n n ) 、哈特( c a h a r t ) 、道马( j h d o u m a ) 、罗斯( h r o u s e ) 等人也做了许多有益的研究工作。到5 0 年代初，一套急流冲击波的水力计算方法相继 被提出【5 2 j 3 , 1 4 1 ，1 9 4 3 年，a r t h u r t i p p e n 在已被承认的力学原理的基础上，对急流的 主要特点和驻波图形的一般特性进行了系统地的阐明和解释，提出了沿用至今的理想冲 击波理论【1 5 1 ，锝刭了冲击波的基本关系式，并根据其提出的冲击波理论给出了渠道圆弧 收缩段和直线侧壁收缩段的设计理论【5 3 1 ，它对强、弱冲击波均适用，但使用不太方便。 1 9 8 7 年s a g e r 和b r e t e 建议了一种冲击波简化计算方法【1 6 1 。1 9 8 9 年l - l a g e r 又建议了改进 了的强冲击波近似计算方法i l ”、它的精度高于 1 6 1 。 r t k n a p p 通过对明渠简单曲线段内急流水流特性的分析，概略地叙述了消减简单 曲线段内急流产生的扰动图形的两种基本方法，即一种方法是施加一个侧力，使它同时 作用于所有的流线上，以使水流的平衡不受干扰：另一种方法是在曲线的起点和终点引 入另一种于扰图形，导出了分析设计的准则，提出了急流渠道曲线段的设计理论1 1 2 j ，并 对其进行了试验验证。徐国允、罗斯( h r o u s e ) 等人用基本的波动理论来分析明渠扩 展段内的高速水流，通过对急剧扩展段内的水面形状、扩展边晃的有效曲度和过渡段末 端扰动的消除三方面问题的分析研究，提出了渠道扩展段的设计理论【1 4 】。以上所述设计 计算方法的提出很好的解决了明渠渠道内各种情况下的一些急流冲击波问题。在这些方 一8 - 大连理工大学硕士学位论文 法中，非圆弧形弯道冲击波的削减采用正负波干扰法、复曲线段法、螺旋线过渡段法和 斜槛法( 主要被用作削减圆弧形弯道内的冲击波【l s 】) 。这些消减和控制急流冲击波的计 算方法和工程技术措施为以后的冲击波理论、计算方法及工程措施的发展奠定了坚实的 基础。 由于a r t h u r t i p p e n 冲击波基本关系式比较复杂，求解困难，在实际应用中很不方 便。7 0 年代原苏联学者j i h 维索茨基等人【1 川提出了急流控制理论，它是一种控制急流 结构的水力设计方法。但是应用该法进行急流控制结构的设计需要进行大量的数值计 算。 1 3 2 国内 近年来随着计算机的发展和广泛应用，运用计算机对急流冲击波进行数值计算和水 力设计越来越多，对数值解的研究也在不断的发展中，推动了急流控制理论研究工作的 进展。我国在8 0 年代应用、改进和发展了前苏联学者的理论，并将其应用于各种挑坎、 扩散坎、收缩坎、扭鼻坎、过渡段和弯道段的水力设计中。许多研究工作者给出了急流 冲击波的数值计算方法和计算急流冲击波的简化式。 宁利中 2 0 , 2 1 】提出了计算急流冲击波波角的一种近似解析解 纠污唯一s ( 一舞帐( 4 f 研r , 2 + 碉3 ) t a n 0 或 c t a n p o = r 1 1 c t a n p , 其中= 意器嚣彘 田嘉宁嘲还通过对急流弯道的水力特性试验研究，进一步分析了急流弯道审n j 和 1 o b 对第一波峰位置处0 和如，啊的影响；波角展及其影响因素。提出了防止弯道出现 干底现象的界限，和当来流弗劳德数较小的情况下，在设计中应该注意的问题。并通过 试验数据的整理、回归处理得出了波角届的半经验公式。黄细彬直接从水流运动微分方 程着手，导出控制急流冲击波的特征方程，利用数值方法对各种急流收缩，扩散等问题 进行计算，并对产生及影响冲击波的因素进行了分析，建议了减免冲击的方法。黄细彬 p 7 , 2 8 还分析和研究了斜面和曲面上急流的特性，建立了离心压办，重力及阻力影响下边 墙一带处的水深及弗劳德数的计算公式，利用该公式可以计算偏折角较小的任意边墙形 状及任意底部曲面的边墙附近的水深，通过对边墙附近水深及弗劳德数的计算可以对可 能发生的冲击波进行估算预测。刘韩生、倪汉根等 2 9 , 3 0 ) 1 】在i p p e n 冲击波理论的基础上， 冲击式消力墩水力特性研究 针对边墙偏转较小的陡冲击波进行推导，对波角公式进行泰勒级数展开，在忽略了高阶 小量的情况下，推导得出新的冲击波简化式，即： s i n 0 ：上 风 式中p 为扰动线与边墙间的夹角，并且把新的简化式与经典冲击波简化式进行了比较， 得出：对于急流曩 1 ，慨i 2 ，1 8 2 i 1 ) 和强水跃( 仍 0 时，i | 2 扛 1 ，即水流通过压缩波的波锋，水深增大，流速减 小，丹值下降。因此当陡冲击波( 压缩波) 多次从边墙反射后，水流的弗劳德数愈来 愈小。当f r = 1 时，在冲击波波锋后面，冲击波与边墙的交点附近，产生直水跃。在图 2 4 中，曲线1 表示可能的最大偏转角口。，在这一角度时，形成强水跃型的陡冲击波； 曲线2 表示确定弱水跃和强水跃之间分界的角口。；曲线3 表示直水跃区。 2 2 冲击波近似计算 因为i p p e n 理想冲击波是实际冲击波的概化，也是一个近似模型，加之