斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等几种异型鼻坎挑流消能工的应用研究

邹俊，邬年华

江西省水利科学研究院

挑流消能是当前我国应用广泛的消能措施。有资料统计^［1］，世界大、中型河岸溢洪道的消能形式大多为挑流消能，我国约85%采用挑流，国外的比例约为75%。一般而言，挑流消能成本较低，消能效果好。挑流消能的工作方式是将水流引入泄流通道，再经过鼻坎离开水工建筑，利用水流自身的动能及鼻坎的导向作用抛射入空中，进而落入下游。其消能原理主要是通过水流在抛射空中的掺气扩散，以及与下游的碰撞来消散能量，挑流鼻坎是挑流消能工的关键。

1 斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎介绍

挑流消能在其自身的概念范畴下出现多种形式，有连续型鼻坎、差动型鼻坎、扩散鼻坎、窄缝鼻坎，以及斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎（也有称扭曲鼻坎）等异型鼻坎。连续型鼻坎是最基本的鼻坎形式，应用最早，但是在研究与应用中，连续型鼻坎往往显得不足。比如，出坎水流的扩散度不够，入水单宽流量较大，对水流的方向控制欠佳等。针对以上问题，在连续型鼻坎的基础上，通过对鼻坎几何形式的变化发展出了斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等异型鼻坎。这些异型鼻坎增大了出坎水流的横向或纵向扩散，减小了入水单宽流量，进而减轻下游河道冲刷，同时，有的还具有更好的导向作用，控制水流的入水区，以保护河道两岸或重要建筑物。斜鼻坎消能工^［2］是把泄水建筑物出口端垂直于出口轴线的形式改为斜交于出口轴线形式，形成一侧导墙短，一侧导墙长的现象。这使原本单一挑角，挑距大体相当的情况变为一系列不同挑角的多挑角挑坎和挑距差异较大的情况。曲面贴角鼻坎则是在挑坎末端的左右一侧或两侧加上了“贴角”，该贴角具有特殊的设计形式，一般而言其迎水曲面是由一系列等半径圆的部分圆弧组成，随着高度方向的增加，圆弧的弧长变短，曲面上升直至最高点时圆弧长度收缩为点。曲面贴角鼻坎有曲面贴角斜鼻坎、对称曲面贴角窄缝鼻坎等形式^［3］。曲面贴角具有导向及增加水流扩散的作用。双曲挑坎，顾名思义，挑坎在纵向及横向上都存在弯曲。

以上所提到的斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎都属于异型鼻坎。字面上而言，斜鼻坎侧重鼻坎出口端与出口轴线的斜交；曲面贴角鼻坎在于特殊的“曲面贴角体”的存在；双曲挑坎强调挑坎底板在纵向与横向上的弯曲。尽管如此，以上三种形式的鼻坎在一定程度上是存在交集的。例如，曲面贴角加设在斜鼻坎上形成了曲面贴角斜鼻坎；双曲挑坎是可视为斜鼻坎的进一步发展；如果把曲面贴角视为底板的一部分，则其也是一种双曲挑坎。因此，以上所列举的挑流鼻坎在本文中作为一个群体进行讨论。

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2 工程应用

这些形式的鼻坎在实际工程中一般都表现出良好消能导向效果，往往成为消能工设计的对象，尤其在峡谷河道中。

例如，在贵州东风水电站溢洪道的研究设计过程中，花立峰^［4］等人通过物理模型试验对比了曲面贴角窄缝鼻坎和一般的平底直墙窄缝鼻坎的效果，认为前者在降低边墙高度，各级流量的适应性，边墙受力情况，水流扩散度，防下游冲刷等方面均有一定优势。该体形的鼻坎被成功运用于东风水电站溢洪道的施工建设中。同样的情况，也可见于张河湾抽水蓄能电站下水库泄流中孔的研究设计中^［5］。

在国外，美国的威士纪镇坝、格伦峡坝泄洪洞和苏联的康达巴斯克电站溢洪道采用了双曲挑坎^［6］。

在工程应用中，鼻坎体形往往不是简单的某一种鼻坎形式，可能包含了两个或多个概念。比如曲面贴角窄缝鼻坎（东风水电站）、曲面贴角斜鼻坎（漫湾水电站）、扭曲斜鼻坎（二滩水电站）等。

表1列举了本文统计的一批国内外应用了以上形式鼻坎的水利工程。可见，斜鼻坎、曲面贴角鼻坎和双曲挑坎的应用广泛，得到了水利研究者及设计人员的重视。

3 当前的研究

目前，对以上异型鼻坎的设计尚无统一、成熟的原则与计算方法。除曲面贴角的贴角体有具体的阐述外^［7］，其余的设计要素、参数等多取决于经验，需通过不断试验（试算）进行修正。

3.1 物理模型试验

与其他消能工一样，此类消能工的设计最初依赖于物理模型试验，物理模型试验的优点在于直观，尤其是水工物理模型试验。通过模型试验可以观察挑流消能工的水舌形态、入水位置，测量挑距、水面壅高、下游流速、冲坑深度等，其对消能效果的评判相对可靠。但是，试验或设计时，最初的鼻坎体形方案往往无法做到一步成功，满足要求。对于所需要的效果（如：挑距足够，保护两岸，防止下游过度冲刷等）一般都需要反复调整修正才能达到。鼻坎体形的修改不可避免地要进行多次，期间所用的人力、物力以及时间都是可观的。

3.2 数值模拟

20世纪计算机科学的发展以及计算流体力学的出现使得这个问题的解决有了新的途径。通过计算机数值模拟的手段对斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等异型鼻坎进行设计或研究应运而生。在我国，对双曲挑坎进行数值模拟，早期可见于周新民的研究^［8］，他介绍了一种用计算机计算双曲挑坎体形的方法：先给定一个急变流变形范围，即表面流线平面图，工程上就是边墙的平面轮廓，计算出自由表面高程，减去水深就得到相应的挑坎表面高程。还有陈肇和、李国庆^［6］等人对龙羊峡水电站所做的工作。他们阐述了计算机求解双曲挑坎体形的方法，给出了计算程序。双曲挑坎体形计算的基本原理是从流体力学的基本方法出发，建立三维挑坎水流的数学模型，根据来流的水力参数，挑流水流预期的变形和流态要求，求得能实现对水流控制的挑坎体形，这类问题的实质是求解流体力学的逆命题，即由水利要素反求固体边界。陈肇和等人用这种方法为龙羊峡水电站设计了中孔和深孔溢水道的挑坎体型，在西北水利所龙羊峡整体模型上做放水试验，取得了较为满意的成果。近些年来，此类与实际工程相结合的研究可见于孙颖、李国庆^［9］等人的溪洛渡水电站泄洪洞课题，其研究方法的原理与龙羊峡的相同。设计时，结合地形、地质条件及设计规定参数，选用若干组体形设计参数，得出设计体形、设计流量下的挑坎水利要素（水深、流速、压强等）的设计值，从中选出满足设计要求（泄流量、入水点、入水对冲）的优化挑坎。还有李玲、陈勇灿^［10］等人对瀑布沟水电站溢洪道的研究，研究过程中，设瀑布沟水电站的溢洪道采用的是曲面贴角扭曲斜鼻坎，他们初选了三种体形，通过计算机数值模拟，计算了在同种运行工况下三种体形曲面贴角扭曲斜鼻坎的挑流情况，通过分析挑坎出口水面线分布，挑坎出口流速分布，出坎水流抛射形态等，比选出了较为理想的方案，通过与物理模型试验数据对比，表明两者吻合。还有陈日东、刘顺东^［11］等人结合铅山水电站冲沙底孔所做的工作，冲沙底孔为扭曲鼻坎。他们进行了物理模型试验及数值模拟计算，两者的结果吻合较好，证明了其选择的数值模拟方法的合理性。

通过数值模拟选型可以减少物理模型试验的工作量，具有快速、灵活的优点。

当然，物理模型试验作为当前的主要的研究手段，相对于数值模拟有较好的可靠性，而数值模拟对复杂边界的适用性也还有待提高。因此，在设计斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎时，数值模拟可作为前期的筛选手段，提供推荐方案或是比选方案，再通过物理模型试验进行验证或进一步筛选。两者结合可以一定程度上避免繁琐的模型修改，提高研究的效率与可靠性。

3.3 其他方面的问题

斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等异型鼻坎在研究与设计中还涉及其他问题，如：在李玲、陈勇灿^［10］等人对瀑布沟水电站溢洪道的研究中，有的双曲挑坎的出口水流存在水面线分布不够平顺，流速分布不够均匀的现象。这是影响消能防冲效果的重要原因，该现象在研究设计中值得注意。空蚀破坏问题，高盈孟、李文炘^［12］等人在对漫湾电站泄水建筑物的水力学原型观测研究中指出，采用曲面贴角形式的左岸溢洪道鼻坎的右边墙空化噪声强度较高，有发生空蚀的可能。更有甚者，在1990年对龙羊峡水电站的调查中发现其底、中孔曲面贴角鼻坎均产生了不同程度的空蚀麻点，杨顺玉在其文中^［13］指出曲面贴角鼻坎抗空蚀性能不佳，在结构上需要进一步完善。正是由于此类鼻坎很可能涉及到高速水流，在研究设计中需要重视。另外，曲面贴角鼻坎的贴角体和双曲挑坎的底板由于是空间曲面，在施工上相对一般的连续型鼻坎要复杂，工程上一般是采用放样出曲面的若干控制点或是线，通过控制点间或是线间的连接抹平完成。在保证其他功能（消能效率、空蚀特性等）的前提下，如果能改进或是提出更为便于施工的体型，这在实际工程中是有意义的。

此类的异型鼻坎期待更为深入的研究，进一步验证研究与设计手段（尤其是数值模拟方法），建立完善的设计原则及方法。

4 结语

斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等异型鼻坎挑流消能工相对连续型鼻坎可增大出坎水流的扩散，减小入水单宽流量，有的还具有更好的导向作用，作为重要的消能工形式，得到了广泛应用。当前，在研究与设计此类消能工时，有物理模型试验与数值模拟两种方法，前者直观、可靠性较好，但是工作量大，人力、物力和时间花费可观，后者快速、灵活，但可靠性、适用性有待提高。两者结合的方式进行选型工作将会是事半功倍的。斜鼻坎、曲面贴角鼻坎、双曲挑坎等异型鼻坎挑流消能工还有许多值得注意与研究的地方，期待能进一步发展完善。

参考文献

［1］SL 253—2000 溢洪道设计规范［S］.

［2］张守磊，陈和春.斜切挑流鼻坎水舌挑距水力计算研究［J］.中国水运，2008，（12）.

［3］寿伟冈.曲面贴角鼻坎水舌下游冲刷深度计算方法［J］.西北水资源与工程，1991，（1）.

［4］花立峰，陈素文.曲面贴角窄缝鼻坎的水力特性及其在东风水电站溢洪道上的应用［J］.水利水电技术，1994，（7）.

［5］徐自立，聂源宏.曲面贴角窄缝鼻坎在大坝中孔的应用研究［J］.人民长江，2008，（4）.

［6］陈肇和，李国庆.高水头双曲挑坎体形设计计算及其在龙羊峡模型试验中的验证［J］.华北水利水电学院学报，1984，（2）.

［7］张明尚.曲面贴角鼻坎的体型和施工放线计算［J］.西北水资源与工程，1990，（1）.

［8］周新民.介绍双曲挑坎的计算方法［J］.人民黄河，1980，（2）.

［9］孙颖，李国庆.溪洛渡水电站泄洪洞双曲挑坎体形设计［J］.水利学报，2003，（8）.

［10］李玲，陈勇灿.溢洪道出口扭曲型挑坎水流的数值模拟［J］.水力发电学报，2007（2）.

［11］陈日东，刘顺东.扭曲型挑坎挑流的数值模拟［J］.水利水电科技进展，2008（2）.

［12］高盈孟，李文炘.漫湾水电站泄水建筑物水力学原型监测及其成果分析［J］.云南水利发电，1995，（2）.

［13］杨顺玉.曲面贴角鼻坎的空化特性研究［J］.水电工程研究，1994，（2）.

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[1]：本文发表于2012年。