讨论拱坝表孔设计及消能问题

摘要：目前，不管是发达国家，还是发展中国家，在市场经济发展及其需求的推动下，各个国家及地区都很重视资源开发和利用，特别是水资源方面，更是空前繁荣。其中在水利设计坝型选择中，拱坝越来越多的得到应用。然而，通常修建拱坝地区的河谷一般都较为狭窄，由于采用泄洪洞泄洪的方法极不经济，所以多数中小拱坝都采用表孔溢流方式。部分中高坝采用表、中孔联合方式。随着拱坝规模和泄洪量的增大，原有的溢流方式不能满足现代化建设的需要。如何提高拱坝表孔设计及消能问题已是当前修建拱坝工程的主要任务。

关键词：拱坝；表孔；设计；消能

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：

关于拱坝表孔设计及消能

根据某水电站下游河道狭窄、下泄流量大的基本特征，有意识地发挥拱坝泄水水舌的向心作用，使两边的表孔水舌在空中交汇，这种上下对冲消能方式可以实现碰撞消能，从而减轻坝下冲刷。实际上，挑流水舌空中碰撞的消能效果也不错，可用于较高的拱坝枢纽中。此外，该水电站厂房布置远离大坝也能避免不良影响，在这样的拱坝上只能采用上下对冲形式，下面通过优选的拱坝表孔设计方案，最终确定中孔、两边孔水流碰撞消能及横向扩散碰撞消能；增大落水面积，最终有效地解决该拱坝表孔的消能冲刷问题。

二、拱坝表孔设计方案研究

2.1高挑坎方案研究

首先，为保持应设计左、右边表孔的挑坎高程和挑角不发生变化，于是将窄缝可以改为等宽出口。

其次，要使3个表孔都能单独泄水消能，并且不允许产生冲刷边坡岩体等的不利情况，拱坝左、右两边的表孔在同时泄水时，两个水舌就会恰恰合成一道。

再次，当3个表孔联合起来一起泄水流出时，两边表孔水舌能从上向下与中表孔水舌在空中碰撞。于是，边表孔水舌压制中部表孔水舌，中表孔水舌顶托边表孔水舌，相互碰撞后的水舌呈发散的一股（如下图所示）：

图（1）水舌平面图

图（2）水舌形态示意图

由此可见，在高挑坎方案设计中，因为中表孔挑坎与两边表孔挑坎的高程的落差不是很大，两水舌的交汇角度又很小，即仅为20度，如图（2）水舌冲撞消能的效果不是很理想。此分析表明：水舌交汇角越大，消能率就会越大，因此在该工程中，降低挑坎高程并选择合适的挑角是加大表孔水舌交汇角的有效途径。

2.2低挑坎宽扩散角方案研究

关于低挑坎宽扩散角方案的研究，要是低挑坎方案中仍保持边表孔不变，则中表孔的挑坎高程就会进一步降低，甚至且略高于下游的最高水位线，其泄槽斜面坡度也表现为中表孔。在这种设计之下，单独泄水时，中表孔水舌落水处的挑距可以表示为C’

2.3低挑坎窄扩散角方案研究

研究低挑坎窄扩散角方案发现，为了减小中表孔单独开启时挑流水舌可能冲刷岸坡的问题，设计方案表明中表孔挑坎的扩散角及其空中的消能率也会受到影响。其实，目前已有无数资料表明，原型水舌扩散程度大于模型试验，如果能适当收窄模型上的扩散宽度，则会更加有利于避免工程运行中随时会产生的岸坡冲刷。

三、探讨拱坝表孔消能问题

3.1关于参数取值的问题

从拱坝表孔消能问题来看，由于拱坝坝顶较薄．需要对溢流剖面的设计尽量小一些。其主要措施为取较小的定型设计水头值，一般H取值都会根据容许负压的大小来规定，取堰顶最大作用水头的75％或95％，这些规范中都有有明确规定。然而，对于3级以上拱坝的最大作用水头H值，洪水标准则按1 000年及以上洪水重现期来确定定型水头，所设计的溢流头部较肥大，所以洪水重现期有待进一步研究。反弧半径R取得值愈大，则挑距愈大，对泄洪消能的设计非常有利，但是整个拱坝坝顶却很薄，反弧半径R取得大，相应溢流剖面就会越大，这会从某种程度上加大施工难度，所以这种情况对拱坝本身结构非常不利。因此，在满足拱坝泄流消能的前提下，设计时应尽量缩短溢流头部的水平长度，从防止空蚀的角度出发，以鼻坎流速不大于20 m/s为宜；一般R取(0.9到1.2)。与此同时, 整个工程为了减少施工难度, 也可以将所有的溢流头的水平长度控制在拱坝顶部厚度的2．5倍之内。

图（3）距(射距)冲坑计算与实测成果对比图

从图（3）距(射距)冲坑计算与实测成果对比图可以观察到，由于拱坝表孔受到水流向心集中的影响很大，所以在设计时应当尽可能采用较大的溢流半径，而取较小的中心角。

3.2关于表孔挑距的问题

目前,拱坝表孔消能问题已经引起了许多工程专家的重视,其中的表孔挑距问题也是一个值得探讨的议题。在整个工程运行的过程中发现, 当R／h大于2．5时，也就是说它的实际测量值与按挑流公式计算的成果十分接近，即下泄水流呈挑流特性；但当R／h小于2．5时，下泄水流则会呈射流特性，其实际测量值会与按跌流公式计算成果接近。鼻坎流速口, 鼻坎坎高k是影响表孔挑距的两个主要因素。比如说, 挑距(射距)与流速t，(或流量)和鼻坎坎高k成正比；但是鼻坎流速与鼻坎坎高会成反比例，这个原理表明鼻坎越高，其流速就会越来越小，最终形成了同一个工程的一个挑距(射距)最大的组合。此外，要是拱坝表孔的下游岩体完整，我们可以通过试算采用挑距最远的方案来处理此问题，如果工程拟采用下游护坦消能工来解决冲刷问题时，我们必须从节约投资的角度考虑问题，尽量采用较小的挑距(射距)方案。

3.3关于其坑深度的问题

除了参数取值和表孔挑距以外，其冲坑深度的问题也非常明显，这就要求工程技术人员不断地拓展新的拱坝表孔设计方案，针对其冲坑深度问题改善工程的相应部位，从而解决此类问题。其实有一些冲坑深度的问题还是比较明显，像利用经验公式计算最大冲坑处的水垫厚度，具有向心集中下影响入射水流；按水流分散程度不同来思考，但是设计时却难以分清水流的分散程度，而且实施起来也不方便，再加上参考应用中的分数系数是根据地质条件好的高坝资料进行统计分析而得来的，根本不具备通用性，所以这些理论在工程应用中很难有效地指导实践；另外还有的是以单宽流量乘以流量向心集中系数计算，通常的流量向心集中系数主要是从鼻坎末端算起的拱坝半径(溢流头半径)与挑距的关系计算出来的，但是大多时候没有考虑水舌四周有扩散的影响情况，因此不利于泄水消能，正确的方法应当考虑0.8到0.9的折减系数才行得通，即在实施时要考虑水舌四周有扩散影响情况时，计算的结果才与实际的现场测量基本相吻合。

结束语：

综上所述，随着我国现代化步伐的不断进展，水利行业也有待进一步改革与完善，不断促进我国国民经济向更高阶段迈进，有效利用并节药能源是我们必须坚持的首要原则。因此，讨论拱坝表孔设计及消能问题是一个及时又重要的任务，合理的拱坝表孔设计方案能给拱坝工程提供优质的消能效果。在相关工程技术人员的共同努力下，以优质设计方案作为拱坝表孔布置和消能的最佳方案，有效革新水利工程、保证质量，使水电站拱坝表孔的泄水消能问题不再令人担忧。

参考文献：

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