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1、收缩式消能工的研究现状及发展范嘉炜（天津大学，天津市，邮编300072）摘要:为了总结新型组合式消能工在高坝建设发展中的可利用性及重要性,综述了收缩式消能工与其他消能工联合运用的结构、原理和工程应用.收缩式消能工由于其水流占用宽度较小等特点,与其他消能工联合运用可以解决许多在深狭河谷中修建水利枢纽的泄洪问题.根据不同工程自身的特点,应设计和选用不同的组合式消能方式.关键词:收缩式消能工;联合消能工;宽尾墩;窄缝式中图分类号:文献标识码:近年来,越来越多的高坝建设于深山峡谷中.这些高坝具有水头高、流量大的特点,因此传统的消能方式很难满足泄洪消能要求.经过水利工作者的努力,一些新型的消能方式及联合
2、消能工得到了广泛应用.收缩式消能工就是其中一种重要的消能方式,它与其他消能方式联合运用,解决了许多坝身泄洪问题.收缩式消能工是以射流纵向扩散为基础的新型消能工形式.急流通过收缩边壁时表面形成驻波,使底部法线上各质点的速度具有不同倾角,愈接近自由表面倾角愈大.水流出收缩段时,由于底部法线上各质点以不同的方向在立面中运动,射流在立面中扩展,产生纵向扩散.这种扩散主要依靠各质点纵向流速流向的改变.由于流速的纵向值一般远大于横向值,故利用纵向流速的扩散远比横向扩散充分[1].由于收缩式消能方式水流占用宽度较小,特别适应于我国西南地区河谷狭窄、洪水峰高量大的情况.收缩式消能工主要有宽尾墩消能工和窄缝式消
3、能工2种形式.本文主要综述了宽尾墩消能工与其他消能工联合运用的结构、原理及在实际工程中的应用，简要概括了窄缝式消能工的消能原理。1宽尾墩与其他消能工的联合运用宽尾墩消能工是由我国学者林秉南院士和龚振瀛在20世纪70年代提出的,是收缩式消能工在我国的创造性发展,在我国坝工消能方面产生了相当重要的影响.在与其他消能措施的联合消能中,宽尾墩是一种附加消能措施,由于它的参与,改变了原有的消能机理及消能过程.1.1宽尾墩-消力池联合消能工1.1.1消能机理当宽尾墩和消力池联合运用时,原来平尾墩时堰顶的溢流水舌(二元流态)在闸墩尾部宽度被骤然收缩,迫使水流沿坝面竖向扩展而成为窄而高的收缩射流(堰顶收缩射流
4、).在沿坝面下泄时,由于受到重力的影响,水舌又逐渐坦化向无水区扩展,并趋向于恢复原来的二元流态.当水舌坦化进入反弧段时,相邻两孔水股开始交汇.各股水流在消力池水垫内相互混合,产生强烈的动量交换和紊动剪切.当下游为急流时,在反弧段和消力池前部,会激起很高的涌浪;当下游有足够的水深时,则产生三元水跃[2].宽尾墩消力池联合消能工是利用宽尾墩本身在堰顶产生的多股收缩射流在消力池水垫内的相互交汇和掺混来极大地加强水流内部紊动剪切和掺混作用,使过堰水流的更多的动能转换为热能和势能,从而达到增进消能的目的。1.1.2工程实例分析安康水电站[3-4]表孔溢流坝段就是采用宽尾墩-消力池联合消能工形式(图1).
5、图1表孔溢流坝段宽尾墩体安康水电站位于汉江中上游,陕西省安康县上游18km的火石岩坝址。采用折线型整体式混凝土重力坝。坝址处于河流弯道,河谷狭窄,常年洪水水面宽仅2005m,坝轴线与河道斜交,下泄洪水主流集中偏向右岸,造成右岸冲刷,左岸淤积。坝址区为古老震旦纪绢云母千枚岩,岩性软弱,抗冲能力差。从以上地形、地质、洪水特点来看,其特点可归纳为流向偏、岩石软、能量大。因此安康水电站的泄洪消能问题十分复杂,消能防冲工程设计的难度很大。特别是在后来枢纽总布置不能变动,施工导流建筑物已成定局,消力池长度和深度不能任意增加的特定前提下,迫使设计与科研人员研究和应用新型消能工,以改善和提高消能效果,保证主体
6、建筑物的安全。在高水头、大单宽流量和十分苛刻的工程技术条件下,通过采用宽尾墩消力池联合消能工而圆满地解决了表孔消力池消能这样一个十分艰巨而复杂的问题。平尾墩改为宽尾墩后,出闸孔水流由原来的二元薄层水舌变为沿坝面竖向扩展的三元收缩射流,并导致两种墩型消力池内流态出现实质上的改变。当宽尾墩和消力池联合运用时,原来平尾墩时堰顶的溢流水舌(二元流态)在闸墩尾部由于宽度被骤然收缩,迫使水流沿坝面竖向扩展而成为一股窄而高的收缩射流(堰顶收缩射流)。在沿坝面下泄时,由于受到重力的影响,水舌又逐渐坦化向无水区扩展,并趋向于恢复原来的二元流态,当水舌坦化进入反弧段时,相邻两孔水股坦化后开始交汇。各股水流在消力池
7、水垫内相互混合,产生强烈的动量交换和紊动剪切。当下游为急流时,在反弧段和消力池前部,就会激起很高的涌浪,涌浪处水花飞溅。因此,宽尾墩和消力池联合运用时,由于堰顶收缩射流的出现,消力池内的流态和常规平尾墩消力池有显著不同。通常消力池只依靠一个横轴表面漩滚起消能作用。采用宽尾墩后,收缩后的射流不但掺气较多,能加强表面漩滚的掺混作用,而且由于射流的三元流态,在池内两侧还产生了强烈的纵轴漩滚或涡流,进一步
