坝身泄流建筑物体型优化设计建议

为了增加消能效果，减轻泄流水舌对水垫塘或河床的冲击，在高坝、窄河谷的水流枢纽建设中，发展起来的各具特色的挑流坎，如高低坎大差动式挑坎、舌型鼻坎、窄缝坎、斜挑坎和扭曲挑坎、中孔上翘等结构型式，均收到了满意的效果。

1.1.2.1 大差动挑坎

大差动挑坎，有时也称为高低坎。这种挑坎可使水流产生三维扩散和撞击，即平面上左右扩散撞击，立面上下水股对冲，从而促使紊动掺气，扩大射流入水面积，使水下扩散消能所要求的水垫深度减小，冲刷坑深度相应减小。

我国20世纪50年代流溪河拱坝7孔间隔高低大差动挑坎，水舌出坎后亦有左右扩散、交叉及碰撞作用。凤滩空腹重力拱坝13孔堰顶溢流，采用两层间隔、高低对冲大差动坎，出口6个高坎成舌状以利横向扩散，7个低坎水流至坎末扩散，布满13个孔坎宽，经空间碰撞和掺气，纵向拉开，大大降低了射流入水的单位面积流量（能量），因而冲刷坑深度也大大减小。白山重力拱坝表孔（4孔）、深孔（3孔）采用间隔两层大差动扩散挑坎，表孔的低坎末两侧略扩散，中孔高坎末亦有扩宽。水流能纵向分层拉开，横向扩散并互相穿射碰撞掺气，如图1.3所示。

图1.3　白山重力拱坝坝身表、中孔大差动挑坎

（a）白山重力拱坝全景；（b）溢流坝剖面图

1.1.2.2 应用于表孔的异型坎

不同体型的异型挑坎具有不同的功能。斜挑坎是前缘与水流方向斜交，使处于不同位置的水舌挑距逐渐变化；舌形挑坎是在连续坎的基础上向前伸出一段舌头型的底板，挑射水流中的一部分在离开边墙后以大于边墙的扩散角开始在空中扩散而另一部分受到舌型底板的顶托，直到底板末端才开始向空中抛射，以加大水流的横向扩散；扭曲坎是在斜挑坎的基础上发展起来的，对长边墙的一侧或两侧的槽底设置超高或贴角，使射流在挑射过程中转向变形，获得较为理想的水舌形态，并使射流落在河床中线附近，并沿河槽顺着水流方向散开；短边墙坎也称不对称边墙鼻坎，鼻坎左右两侧的边墙长短不一致，目的是对挑流水舌产生一个导向作用，按着预定的方向抛射并在纵向和横向上拉开。部分异型挑坎体型如图1.4所示。

图1.4　部分异型挑坎体型

（a）平切、斜切挑坎；（b）舌形挑坎

1.1.2.3 表孔宽尾墩(www.xing528.com)

宽尾墩联合消能工是我国首创的新型消能工，作为一种大单宽低弗汝德数的消能方式，已在许多工程中得到广泛应用，它和挑流、底流、戽流等多种消能方式联合运用，解决了大量常规消能工难以解决的消能防冲问题。

宽尾墩即可用于溢洪道、泄洪洞，也可用于坝身表孔和深孔（底孔）。其中，表孔宽尾墩消能工如图1.5所示，其消能原理：以宽尾墩（表孔）和消力池联合运用为例，水舌在闸墩尾部由于宽度被骤然收缩，迫使水流沿坝面竖向扩散成为一股窄而高的收缩射流，当下游水位适宜时，射流进入消力池形成三元水跃或三元淹没水跃，与常规二元水跃的单轴旋滚不同，形成许多极为紊乱的大小不一的漩涡团，并大量掺气。由于水流动能通过紊动剪切的增强而大量消耗，池内底流速显著降低，池内水面升高，水面较为平稳，消能率大大提高。

在不同堰前水头和不同收缩比条件下，闸室可能出现降水曲线、急流冲击波、水跃壅水、缓流等四种流态[8]。采用跌流出口时，当跌流水舌在出口断面处于急流流态时，受断面收缩形成的冲击波的影响，跌流在出口断面沿垂向不同深度的水质点出射方向发生明显的改变，水舌在纵向明显拉开，具有良好的分散特性；当跌流的出口为缓流时，跌流水舌形成类似舌型坎的水舌流态，入塘水舌成月牙形，无论在纵向还是横向均充分拉开，使入塘水舌的分散度大大增加[9]。

1.1.2.4 中孔上翘

利用洞身压力段使洞内水流转向（上翘），以仰角挑入空中，这是中孔上翘结构的基本型式。上翘角度的变化可以使不同孔的水舌纵向分散、落点错开，避免水流能量集中，从而达到提高消能效果的目的。另一方面，上翘的中孔水舌与表孔跌落水舌在空中适当位置以适当的角度对冲碰撞，进一步提高消能率。典型的中孔上翘布置如图1.6所示。

图1.6　二滩拱坝中孔上翘结构

1.1.2.5 应用于深孔的窄缝坎

当河谷特别狭窄时，坝身孔口可采用窄缝式挑坎。窄缝挑坎的消能特性是利用泄水建筑物末端过流断面的急剧收缩，使出射水舌的流线方向沿高程变化，出射角由-10°左右连续变化到45°左右，下部水股的挑距较近而上部水股的挑距最远，整个水舌在竖向和纵向充分扩散，水舌落入下游水垫时成长条形。由于水舌大量掺气，且射入水垫单位面积上的能量减少，故可大为减轻局部冲刷。窄缝挑坎的体型根据水力条件和地形、地质条件选择，已在工程中得到应用的体型有：矩形、Y形、对称与不对称的V形（曲面贴角型）。

图1.7　深孔窄缝式挑坎水舌

在锦屏一级水电站的深孔孔口体形优化的研究中，将1号、3号、5号深孔改为漏空窄缝式消能，如图1.8所示，可将水舌纵向拉开，并使水舌内缘入水点落在水垫塘的前半部，充分利用水垫塘前半部水垫的消能作用，对减小底板上举力的效果是明显的。深孔窄缝式挑坎水舌如图1.7所示。