三峽大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測與分析

段文剛，侯冬梅，王才歡，胡 晗，唐祥甫

（長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

長江三峽工程是治理開發(fā)和保護(hù)長江的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)和水資源利用等巨大綜合效益。壩址位于湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，控制流域面積100萬km2，多年平均流量14 300 m3/s。樞紐工程由大壩、電站廠房和通航建筑物組成（見圖1）。大壩為混凝土重力壩，最大壩高181 m，正常蓄水位175 m，校核洪水最大下泄流量102 500 m3/s，相應(yīng)泄洪落差97.3 m，泄洪功率居世界之首[1-4]。三峽深孔最大運(yùn)用水頭90 m，單孔流量2220 m3/s，反弧段流速近40 m/s。表孔最大工作水頭22.4 m，單孔流量1690 m3/s，反弧段流速35m/s，泄水建筑物高速水流空化空蝕和壩下挑流沖刷問題引為關(guān)注。通過水力學(xué)原型觀測，可了解泄水建筑物運(yùn)行性態(tài)及其水動(dòng)力特性，判斷或預(yù)測可能發(fā)生的異常狀況，以采取必要的處置或防范措施，并有利于優(yōu)化調(diào)度方案，提升認(rèn)知和科技水平。

近年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起不同程度的大型泄水建筑物破壞事故，如美國奧羅維爾溢洪道（2017年）、糯扎渡泄洪洞（2015年）、阿海溢流壩（2013年）、官地溢流壩（2012年）、金安橋溢洪道（2011年）、景洪消力池（2008年）、三板溪溢洪道（2007年）和二灘泄洪洞（2001年）等。初步分析，其破壞原因可能是：①布置與體型設(shè)計(jì)不合理；②高速水流摻氣設(shè)施設(shè)計(jì)不當(dāng)或通氣不充分；③水流脈動(dòng)壓強(qiáng)誘發(fā)板塊失穩(wěn)；④施工工藝或施工質(zhì)量問題；⑤運(yùn)行調(diào)度原因；⑥認(rèn)知水平的局限，等等。三峽大壩的運(yùn)行及安全問題也頗為社會(huì)所關(guān)注。事實(shí)上，三峽水庫自2003年蓄水以來，已持續(xù)開展了10多年的泄洪原型觀測，系統(tǒng)觀測了深孔135 m、156 m、172 m和表孔162 m、172 m特征庫水位泄洪消能水動(dòng)力特性，重點(diǎn)考察了水流流態(tài)、動(dòng)水壓強(qiáng)、水流流速、水流空化噪聲、通氣風(fēng)速、水流摻氣濃度、壩下沖刷等參數(shù)。本文對(duì)所獲得的寶貴原型系列觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與模型試驗(yàn)成果加以對(duì)比、補(bǔ)充，既為大壩竣工驗(yàn)收和運(yùn)行安全評(píng)價(jià)提供基本的依據(jù)，也有助于從一個(gè)方面澄清事實(shí)，消除社會(huì)上一些不必要的誤解和擔(dān)憂。

圖1 三峽水利樞紐平面布置

2 泄水建筑物布置與運(yùn)行

2.1 泄水建筑物布置與觀測重點(diǎn)經(jīng)過多年論證，三峽泄水建筑物布置在河床中部，電站建筑物在河床兩側(cè)，通航建筑物布置在左岸山坡[5]。盡管壩址河床開闊，但因泄洪流量大，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，河床寬度仍嫌不足，需盡量縮短泄洪壩段長度以減少兩岸山坡開挖。因此泄洪孔口采用高程上分層布置，平面上相間布置的方式[6-7]。泄洪壩段前緣總長483 m，分為23個(gè)壩段（每個(gè)壩段寬21 m），共設(shè)23個(gè)泄洪深孔和22個(gè)泄洪表孔。

泄洪深孔布置在壩段中間，采用有壓短管接明流泄槽、跌坎摻氣的體型方案。有壓短管分為進(jìn)口段、事故檢修門槽段和壓坡段3部分，壓坡段下游側(cè)設(shè)弧形工作閘門；明流泄槽段分為直線段和反弧段。深孔順?biāo)飨蜷L113 m，單孔凈寬7 m，進(jìn)口底板高程90 m，進(jìn)口頂緣和側(cè)壁均采用橢圓曲線，有壓段出口控制孔口尺寸7 m×9 m（寬×高）。摻氣跌坎高度1.5 m（跌坎高程88.5 m），兩側(cè)各設(shè)置Ф1.4 m的通氣孔。明槽段底板坡比為1∶4，明槽段頂蓋板（樁號(hào)20+029～059 m）采用平直布置，高程102 m，布置Ф2.0 m的通氣管為閘室和明流洞補(bǔ)氣。出口設(shè)反弧段，采用常規(guī)連續(xù)挑流消能形式，反弧半徑40 m，挑角27°，鼻坎高程80 m，泄槽末端樁號(hào)20+105 m[8-9]，深孔體型布置見圖2（a）。泄洪深孔是三峽大壩宣泄洪水的主要通道，兼用作施工度汛和水庫排沙，運(yùn)用庫水位變幅大（135 m～180.4 m）。明槽段設(shè)置了跌坎摻氣，應(yīng)關(guān)注各級(jí)庫水位運(yùn)行的摻氣效果。其次，減壓模型試驗(yàn)表明有壓段檢修門槽下游頂板在高庫水位175 m時(shí)存在弱空化現(xiàn)象[10]。

泄洪表孔跨橫縫布置，為開敞式溢流堰，順?biāo)飨蜷L80.5 m，單孔凈寬8 m，堰頂高程158 m，閘門孔口尺寸8 m×17 m（寬×高）。上游堰頭采用1/4橢圓曲線x2/8.42+（4.8-y）2/4.82=1，下游堰面采用WES曲線x1.85=2×220.85y，WES下游接1∶0.7的斜直段，出口設(shè)反弧段，采用常規(guī)連續(xù)挑流消能形式，反弧半徑30 m，挑角10°，鼻坎高程110 m，泄槽末端樁號(hào)20+75.7 m，見圖2（b）。表孔設(shè)置兩道平板閘門，兩門槽間距、寬深比、錯(cuò)距等均對(duì)門槽空化特性產(chǎn)生影響。一方面，門槽內(nèi)漩渦流渦心壓力低至一定程度會(huì)出現(xiàn)空化；另一方面，門槽下游側(cè)壁易導(dǎo)致水流分離而形成空化，尤其下游工作門槽布置于曲線壩面上，門槽空化受控于門槽本身形式和壩面曲率雙重影響，使得該門槽減免空化的難度加大[10-11]。工程設(shè)計(jì)階段常壓和減壓試驗(yàn)顯示，在庫水位180 m以下運(yùn)行時(shí)，堰頂附近為低壓區(qū)（但未出現(xiàn)負(fù)壓），溢流面為免空化體型，工作門槽有微弱的初生空化現(xiàn)象，挑流鼻坎末端在庫水位175～180 m時(shí)有初生狀態(tài)的微弱空化發(fā)生，但空化強(qiáng)度未隨水頭增大而加劇[12]。綜上，工作門槽下游側(cè)壁和泄槽末端挑流鼻坎是可能發(fā)生空化的高危區(qū)域。

圖2 三峽泄水建筑物示意圖

2.2 泄洪運(yùn)行情況三峽水庫自2003年蓄水以來，歷年最大入庫流量和出庫流量特征值列于圖3（a）?？梢钥闯?，最大入庫流量為71 200 m3/s，最大出庫流量45 800 m3/s，水庫調(diào)蓄削峰作用明顯。截止2016年底，泄洪深孔累計(jì)啟閉2960次，累計(jì)運(yùn)行136 589 h；表孔累計(jì)啟閉133次，累計(jì)運(yùn)行1765 h，表明深孔為常用泄水設(shè)施。由圖3（b）可知，三峽建庫以來深孔泄洪歷時(shí)呈遞減趨勢，特別是2008年樞紐完建后，深孔泄洪歷時(shí)大體在4000 h以下，甚至個(gè)別年份未啟用。

圖3 三峽水庫歷年泄洪情況

2.3 典型洪水蓄泄過程三峽水庫自2003年蓄水以來，基本上年年均有洪水，其中2場洪水最為典型。

（1）2012年7月主汛期，三峽水庫經(jīng)歷了長江上中游區(qū)域性較大洪水。上游朱沱江段水位超歷史實(shí)測最高紀(jì)錄，寸灘江段發(fā)生自1981年以來最大洪水，7月24日出現(xiàn)了建庫以來最大入庫洪峰712 000 m3/s，約相當(dāng)于20年一遇洪水。經(jīng)過三峽水庫攔洪削峰錯(cuò)峰，庫水位由155.8 m漲至163.1 m，三峽電站32臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行，并開啟部分深孔泄洪，最大出庫流量45 800 m3/s，其中泄水建筑物最大下泄流量約16 000 m3/s（8個(gè)深孔）。削峰35.7%，攔蓄洪量52億m3，降低荊江河段水位1.5～2.0 m。洪水蓄泄過程見圖4（a）。

（2）2008年汛后三峽水庫首次正常蓄水位175m試驗(yàn)性蓄水，在蓄水末期出現(xiàn)了一次明顯漲水過程，11月3日入庫洪峰流量達(dá)33 000 m3/s，為有水文資料以來同期最大來水，庫水位由164.3 m漲至172.6 m。11月3～10日大壩開啟了部分深孔和表孔泄洪，最大出庫流量達(dá)28 100 m3/s，見圖4（b），其中泄水建筑物最大下泄流量約15 000 m3/s（6個(gè)深孔+3個(gè)表孔）。這是三峽大壩170 m以上高庫水位深孔、表孔聯(lián)合泄洪為數(shù)不多的實(shí)例之一。

圖4 三峽大壩典型洪水過程

3 觀測方法和工況

3.1 觀測方法實(shí)施水力學(xué)原型觀測是個(gè)復(fù)雜的長期工程，包括大壩施工期儀器底座和電纜埋設(shè)、大壩泄洪期間各參數(shù)觀測記錄、后期資料整理分析和報(bào)告編寫等，通常要持續(xù)好多年。三峽大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測參數(shù)（或項(xiàng)目）主要有：水流流態(tài)、動(dòng)水壓強(qiáng)、水流流速、水流空化噪聲、空腔負(fù)壓和通氣風(fēng)速、水流摻氣濃度、泄洪霧化和壩下沖刷等，觀測方法見表1。

表1 水力學(xué)觀測參數(shù)與方法

3.2 觀測工況自2003以來，先后開展了3級(jí)庫水位深孔和2級(jí)庫水位表孔泄洪水力學(xué)觀測，觀測工況見表2，僅泄洪觀測就持續(xù)了12年。

表2 水力學(xué)觀測工況

4 觀測結(jié)果

4.1 泄洪深孔

圖5 三峽深孔泄洪流態(tài)

（1）水流流態(tài)。水流流態(tài)是直觀反映水流運(yùn)動(dòng)特性的重要指標(biāo)。庫水位135～175 m泄洪時(shí)，深孔有壓式進(jìn)水口淹沒深度36～76 m，泄洪前緣水面總體平穩(wěn)，泄流平順，未見明顯不利流態(tài)。由于上游來流方向與深孔軸線呈一定夾角，部分深孔進(jìn)口前緣間歇性出現(xiàn)游移狀立軸旋渦，見圖5（a），直徑約1～2 m，持續(xù)時(shí)間4～5 min。水流進(jìn)入明流泄槽后表面開始摻氣，隨著庫水位升高，明流段流速加大，表面水流充分摻氣，呈白色絮狀，同時(shí)水流紊動(dòng)加劇，通氣孔附近耳聞?dòng)休^強(qiáng)烈的“嘯叫”聲。庫水位172 m及以上泄洪時(shí)，高速水流泄槽表面水翅裂散明顯，水面陣發(fā)性抬升噴濺，反弧段偶爾可見躍起水翅明顯高于高程94 m導(dǎo)墻頂部。出挑坎后水舌挑射下游，消能區(qū)水流翻滾劇烈，水面涌浪較大，見圖5（b）。水流出左導(dǎo)墻和右岸縱向圍堰后分別向兩側(cè)擴(kuò)散，水流徑直頂沖左岸電廠下游岸坡凸嘴處、右岸高家溪河岸，激起波浪爬高沿岸坡3～5 m，高家溪以下河道水流逐步調(diào)整平順。

泄洪形成的水霧彌漫在消能區(qū)及下游河面上，庫水位越高，下泄流量越大，霧化強(qiáng)度越大?，F(xiàn)場觀測濃霧區(qū)主要分布在高程150 m以下空間，薄霧區(qū)擴(kuò)散可超過壩頂高程185 m以上。左右兩測孔口開啟時(shí)，有時(shí)薄霧可飄散至左、右兩岸電廠屋頂?？傮w來說，三峽壩址河床寬闊，泄洪霧化影響有限。

（2）動(dòng)水壓強(qiáng)。這是判別體型優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也是水流空化特性分析的重要依據(jù)，有時(shí)亦可輔助判別水流流態(tài)。各級(jí)庫水位深孔明流段底板動(dòng)水壓強(qiáng)分布見圖6（a）。低庫水位135 m泄洪時(shí)，摻氣跌坎下游30 m壩面可形成明顯射流沖擊壓強(qiáng)，實(shí)測其值127 kPa。高庫水位運(yùn)行時(shí)，摻氣跌坎射流沖擊壓力區(qū)已與反弧段形成的壓力增大區(qū)域相重合，無法明顯區(qū)別，表明射落主流已接近或進(jìn)入反弧段。隨著庫水位升高，泄槽底板動(dòng)水壓強(qiáng)總體呈增大趨勢，最大壓力發(fā)生在反弧段86～95 m處，之后快速衰減直至反弧末端。庫水位172.6 m實(shí)測反弧段最大動(dòng)水壓強(qiáng)394 kPa，挑坎末端172 kPa。為便于對(duì)比分析，特將深孔單體1：20模型試驗(yàn)成果匯列與此，可見145 m庫水位尚有沖擊壓強(qiáng)，位置較135 m庫水位略靠下游，165 m和175 m庫水位壓強(qiáng)分布規(guī)律模型試驗(yàn)成果與原型觀測基本一致。同時(shí)，模型試驗(yàn)揭示，隨庫水位抬升，反弧段底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差呈單向增大趨勢，175 m庫水位其值 s為50 kPa，見圖 6（b）。

（3）水流空化噪聲。正如柯乃普所說：空化是最令人討厭的水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，其危害既廣泛又明顯，并且嚴(yán)重地阻礙科學(xué)與工程等多方面的發(fā)展[13]。空蝕是空化的次生現(xiàn)象，但空化與空蝕是兩個(gè)不同的概念?？栈幢乜瘴g，空蝕必有空化?？瘴g不是單純的水動(dòng)力現(xiàn)象，而是水流與固壁相互作用的結(jié)果。它是既涉及空化又涉及固壁損傷機(jī)制的極為復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象。庫水位越高流速越大，發(fā)生空化水流的可能性增大。以往模型試驗(yàn)研究表明，深孔檢修門槽區(qū)和泄槽反弧末端是空化高發(fā)區(qū)域。水流空化噪聲具有高頻特性，工程上常用水流空化產(chǎn)生的寬頻帶隨機(jī)性噪聲信號(hào)作為空化發(fā)展不同階段的判據(jù)，因此運(yùn)用空化噪聲探測技術(shù)研究水流空化問題是一種有效的技術(shù)手段。通過水下噪聲測量和分析可監(jiān)測空化的初生和發(fā)展，分析空化特性并確定空化產(chǎn)生的部位。為了避免環(huán)境噪聲干擾，水下噪聲測量和分析主要在高頻段進(jìn)行，采集分析系統(tǒng)頻率為200 kHz。重點(diǎn)分析其功率譜特性，并作1/3倍頻程處理。通常采用噪聲功率譜級(jí)差法來進(jìn)行空化特性的判斷分析，聲譜級(jí)差值ΔSPL=SPLf-SPLo，其中SPLf為特征工況運(yùn)動(dòng)水流總噪聲譜級(jí)，而SPLo則為動(dòng)水無空化狀態(tài)的背景噪聲譜級(jí)，選用135 m低水位或閘門小開度運(yùn)行作為背景噪聲。通常將ΔSPL值達(dá)到5 dB作為空化初生的判別指標(biāo)；當(dāng)明顯地出現(xiàn)某一類型空化時(shí)，相應(yīng)頻段ΔSPL值將達(dá)到10 dB以上；當(dāng)空化較弱，譜級(jí)差值ΔSPL介于5～10 dB之間[11-12]。實(shí)測庫水位172.6 m泄洪時(shí)，深孔檢修門槽區(qū)在整個(gè)開門過程和全開穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，高頻段噪聲譜級(jí)的跳躍均小于5 dB，表明在檢修門槽區(qū)未出現(xiàn)明顯水流空化。泄槽末端挑流鼻坎部位隨著閘門開度增大，高頻段起伏小于10 dB，表明該部位存在初生空化水流信號(hào)。

（4）摻氣空腔與通氣風(fēng)速。跌坎底部摻氣空腔形態(tài)原型無法觀測，1∶20單體模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著庫水位抬升，水舌內(nèi)緣挑距加大（175 m時(shí)主體水舌進(jìn)入反弧段），空腔回溯水流強(qiáng)度加大，摻氣空腔長度并未增大反而呈減小態(tài)勢（見圖7和表3）。庫水位165 m及以下時(shí)，空腔波動(dòng)較小，空腔長度22～23 m，擺動(dòng)幅值3～5 m；庫水位175 m時(shí)，空腔波動(dòng)劇烈，空腔長度21 m，擺動(dòng)幅值達(dá)12 m，其擺幅是165 m庫水位的2.4倍。

圖7 摻氣空腔與通氣風(fēng)速

表3 底部空腔長度隨庫水位變化

摻氣空腔負(fù)壓與通氣風(fēng)速密切相關(guān)，一般來說，空腔負(fù)壓絕對(duì)值越大，通氣風(fēng)速越大。為避免強(qiáng)烈的“嘯叫聲”和噪聲污染，規(guī)范要求平均風(fēng)速不超過60 m/s，空腔負(fù)壓-2.0～-14 kPa。各級(jí)庫水位摻氣空腔負(fù)壓值見圖8，隨著庫水位抬升，負(fù)壓絕對(duì)值增大，但均在允許范圍內(nèi)，與模型試驗(yàn)結(jié)果呈一致規(guī)律。原型實(shí)測172.6 m庫水位時(shí)摻氣空腔負(fù)壓值為-4.9 kPa。

通氣風(fēng)速由于現(xiàn)場儀器損壞未獲得原型數(shù)據(jù)，1∶20深孔單體模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著庫水位抬升，通氣風(fēng)速和單寬通氣量呈逐漸增大的趨勢。庫水位175 m泄洪時(shí)，通氣風(fēng)速達(dá)71 m/s，測算單寬通氣量為25 m3/s·m。

圖8 各級(jí)庫水位摻氣空腔負(fù)壓值與通氣風(fēng)速

圖9 深孔明流段底板摻氣濃度沿程分布

（5）水流摻氣濃度。各級(jí)庫水位深孔明流段底板摻氣濃度沿程分布見圖9。原型觀測顯示，隨庫水位升高，沿程摻氣濃度增大，極值出現(xiàn)在摻氣跌坎下游30 m附近，之后摻氣濃度快速衰減，至反弧末端降至最低。實(shí)測172.6 m庫水位最大摻氣濃度為12.9%，反弧末端最小值為2.0%。根據(jù)以往多個(gè)工程原型觀測成果，摻氣濃度3%以上即可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕目的。

（6）汛后檢查。汛后深孔過流面檢查表明：深孔檢修門槽區(qū)未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞，壩面和反弧末端亦無明顯損蝕破壞，部分深孔明流段水舌的上表面水跡有明顯抬高現(xiàn)象。過流面在高速含沙水流的長期沖刷磨損下，部分淺表砂漿被沖掉呈現(xiàn)出麻面，主要表現(xiàn)為過流面大粒徑砂石料外露、糙感明顯、細(xì)部不平整3 mm以內(nèi)，側(cè)墻過流面部位施工期間遺留的砂線和施工縫，在高速水流作用下出現(xiàn)蜂窩和細(xì)小破損[14]。

4.2 泄洪表孔

（1）水流流態(tài)。表孔開敞式溢流堰泄洪時(shí)，泄洪前緣水面平穩(wěn)，水流平順，漂浮物下排順利。壩面上游10 m以內(nèi)水流拉動(dòng)明顯，水面跌落凹陷，見圖10（a）。泄洪水流繞墩頭匯入閘室后，由于流速加大，閘墩頭部表面水流脫離邊壁。閘室內(nèi)首先從兩側(cè)邊壁形成小范圍摻氣帶，逐漸向中部擴(kuò)展，至泄槽末端表面四周水體全部摻氣。由于挑角較小（10°），挑射水流近乎平拋射向下游水墊，見圖10（b）。壩下消能區(qū)水流漩滾較為劇烈，水體呈白色泡沫狀。由于表孔開啟泄流孔數(shù)較少，泄洪霧化影響范圍有限。

圖10 表孔泄洪大壩前后景象

圖11 表孔溢流壩面動(dòng)水壓強(qiáng)

圖12 表孔溢流壩面底部流速

（2）動(dòng)水壓強(qiáng)。表孔溢流壩面動(dòng)水壓強(qiáng)分布見圖11，兩級(jí)庫水位呈現(xiàn)相同規(guī)律，即水流進(jìn)入閘室后，沿堰頭橢圓曲線和WES曲線動(dòng)水壓強(qiáng)逐漸降低，在堰頂下游25～30 m處達(dá)到最低壓強(qiáng)（仍為正壓），后受反弧段影響壓強(qiáng)陡然升高，至樁號(hào)20+060 m附近壓強(qiáng)達(dá)到最大值，之后快速衰減直至泄槽末端。實(shí)測172.6 m庫水位堰頂下游最小壓強(qiáng)5.9 kPa，反弧段最大壓強(qiáng)176 kPa，泄槽末端17 kPa。

（3）底部流速。表孔溢流壩面底部流速分布見圖12。兩級(jí)庫水位亦呈現(xiàn)相同規(guī)律，即沿流程水流流速逐漸增大，至泄槽反弧末端達(dá)到極值。并且?guī)焖辉礁?，同一測點(diǎn)測值增大。實(shí)測172.6 m庫水位WES下游段測點(diǎn)流速14.9 m/s，行至反弧起始斷面流速加大至22.9 m/s，反弧末端最大流速27.5 m/s。應(yīng)該指出的是，本測值為底部流速，實(shí)際表面水流流速將更大。

（4）水流空化噪聲。表孔工作門槽區(qū)和泄槽末端反弧是空化高發(fā)區(qū)域。庫水位172.6 m泄洪時(shí)，工作門槽后側(cè)墻和底板，開門過程中高頻段噪聲譜級(jí)均較空氣中背景略有升高，隨著閘門開度進(jìn)一步增大，高頻段噪聲譜級(jí)無明顯增大，整個(gè)開門過程及閘門全開穩(wěn)態(tài)條件下高頻段噪聲譜級(jí)與背景噪聲譜級(jí)相比升高幅值不超過10 dB，表明工作門槽區(qū)未監(jiān)測到空化水流信號(hào)。泄槽末端反弧段挑坎，啟門之初高頻段噪聲譜級(jí)較空氣中背景值上升約7～10 dB，隨著閘門開度增加，高頻段較背景值升高約10～25 dB；至閘門全開時(shí)，高頻段較背景值升高仍有10～20 dB，表明開門過程中及全開穩(wěn)態(tài)條件下，反弧挑坎部位存在輕微空化水流信號(hào)。

（5）汛后檢查。汛后過流面檢查表孔流道未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞。

4.3 壩下河床沖刷三峽大壩壩址基巖為堅(jiān)硬完整的花崗巖，地質(zhì)條件良好，具有修建混凝土高壩的優(yōu)越地形地質(zhì)條件，故泄水建筑物采用挑流消能。河床壩段建基面高程較低，最低為4 m，一般在40 m以下[9]。左導(dǎo)墻壩段建基面10 m，下游堤頭低至-8 m。

圖13 泄洪壩段下游歷年沖刷縱剖面圖

表4 壩下沖刷特征值（原型觀測）

表5 壩下沖刷特征值（1∶100水工模型試驗(yàn)）

由挑流沖刷深度估算公式并結(jié)合三峽工程實(shí)際，壩下河床沖刷深度與庫水位、下游水位（水墊深度）、下泄流量與運(yùn)用方式（如機(jī)組、深孔、表孔、開啟方式）等因素密切相關(guān)。根據(jù)2003年12月、2008年4月、2009年3月和2012年11月三峽壩區(qū)水下地形，繪制了泄洪壩段下游歷年沖刷縱剖面圖（見圖13），沖刷深度特征值見表4。

tk=kq0.5H0.25

式中：tk為水墊厚度，自水面算至坑底，m；k為沖刷系數(shù)，與基巖構(gòu)造、節(jié)理裂隙特性有關(guān)；q為單寬流量，m3/（s·m）；H為上下游水位差，m。

三峽深孔、表孔經(jīng)過2003—2018年泄洪運(yùn)行考驗(yàn)，庫水位變化范圍135～175 m，下游水位66.0～71.5 m，2008年工程完建后最大出庫流量46 000 m3/s，泄水建筑物最大下泄流量約16 000 m3/s。其中2003～2007年，三峽工程仍處于施工期，深孔參與施工度汛，運(yùn)用庫水位較低（135～156 m）。2003年12月水下地形為深孔135 m水位運(yùn)行1個(gè)汛期后地形，消能區(qū)沖刷地形較為平坦，高程多在30～40 m之間，泄洪8#和18#壩段下游出現(xiàn)兩個(gè)沖坑，其最深點(diǎn)高程分別為26.5 m和24.5 m，距深孔鼻坎146 m。2008年4月地形可以認(rèn)為是工程完建后的初始地形，2009年3月地形是三峽水庫首次高庫水位（172.6 m）泄洪沖刷形成，沖坑最深點(diǎn)高程20.8 m，位于泄洪7#壩段下游117 m，折算其上游坡比為1∶6，遠(yuǎn)緩于規(guī)范要求的1∶2.5。2012年12月地形為建庫以來最大入庫洪峰712 000 m3/s經(jīng)攔蓄削峰泄洪沖刷形成的，雖然最大出庫流量45 800 m3/s，但庫水位較低（163 m以下），下游水位較高，故壩下地形不沖反淤。1∶100水工模型試驗(yàn)壩下沖刷結(jié)果[15]見表5，與原型沖刷相近工況總體一致。

5 分析與討論

應(yīng)該指出的是，三峽深孔在高庫水位（172 m以上）泄洪時(shí)出現(xiàn)了特殊的水力現(xiàn)象，明流泄槽段水面間歇性躍升，水翅陣發(fā)性噴濺。庫水位135 m、156 m和162 m深孔泄洪均未出現(xiàn)，是高庫水位泄洪特有的一種流態(tài)。其不利影響主要有二：一是少許水流翻越導(dǎo)墻外溢；二是引起附近壩體輕微振動(dòng)。

高庫水位運(yùn)行深孔高速摻氣水流是復(fù)雜的水氣兩相紊流，水翅陣發(fā)性噴濺的成因和機(jī)理目前尚不完全清楚，超出當(dāng)前認(rèn)知邊界，但可從水流自摻氣（內(nèi)因）、摻氣跌坎和反弧段邊界條件（外因）、進(jìn)口漩渦（外因）等方面展開討論。原型觀測并結(jié)合深孔單體1∶20模型試驗(yàn)成果初步分析認(rèn)為：①高庫水位運(yùn)行水流流速高（約35 m/s），水體紊動(dòng)劇烈，水流表面發(fā)生自摻氣容易失穩(wěn)，175 m庫水位反弧段底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差為50 kPa（是165 m庫水位的1.5倍）；②高庫水位底部摻氣空腔回溯水流擺動(dòng)幅值加大，通氣風(fēng)速和空腔負(fù)壓紊動(dòng)增強(qiáng)。175 m庫水位空腔回水?dāng)[動(dòng)幅值達(dá)12 m（是165 m庫水位的2.4倍）；③跌坎水舌內(nèi)緣落點(diǎn)進(jìn)入反弧段，泄槽水面波動(dòng)較大，反弧段底板及側(cè)壁動(dòng)水壓強(qiáng)紊動(dòng)劇烈，部分測點(diǎn)瞬時(shí)最大值和最小值之差達(dá)412 kPa；④氣泡逸出膨脹破裂引發(fā)；⑤進(jìn)口漩渦的不良激勵(lì)；⑥以上諸因素的疊加等。由此可以得到以下啟示：①復(fù)雜邊界的高速水氣兩相流應(yīng)引起足夠重視，三峽深孔1∶20單體模型可能是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室能做到的最大尺度物理模型（流量1.3 m3/s，高度達(dá)6 m），仍存在明顯縮尺效應(yīng)，雖可揭示空腔回水?dāng)[動(dòng)特性，但卻不能預(yù)演（復(fù)演）水翅陣發(fā)性噴濺現(xiàn)象。而復(fù)雜邊界的摻氣水流三維數(shù)值模擬技術(shù)更不成熟；②深孔運(yùn)行水位變幅大（135～180 m）加大了底部摻氣設(shè)計(jì)難度，應(yīng)避免摻氣水舌落點(diǎn)進(jìn)入反弧段，邊界微小變化亦可能對(duì)水流產(chǎn)生較大波動(dòng)；③任何運(yùn)行工況（特別是高水位）保持底部穩(wěn)定的摻氣空腔至關(guān)重要，既可確保穩(wěn)定補(bǔ)氣又可避免對(duì)主體水流擾動(dòng)。

水工水力學(xué)是門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，特別是對(duì)于復(fù)雜邊界的高速水氣兩相流問題，仍需要不斷的理論探索和實(shí)踐檢驗(yàn)。

6 結(jié)論

三峽大壩泄水建筑物高速水流空化空蝕和壩下挑流沖刷是評(píng)價(jià)其安全運(yùn)行的主要指標(biāo)。原型觀測結(jié)果顯示，泄洪深孔、表孔過流面未見空蝕和泥沙磨損破壞，壩下挑流消能區(qū)沖坑最深點(diǎn)高程20.8 m，高于建基面，折算其上游坡比1∶6，遠(yuǎn)緩于規(guī)范要求的1∶2.5，表明三峽大壩泄水建筑物布置總體是成功的。自2003年三峽水庫蓄水以來，經(jīng)受了16個(gè)汛期特別是2012年最大入庫洪峰流量71 200 m3/s（約相當(dāng)于20年一遇洪水）的考驗(yàn)，泄水建筑物運(yùn)行調(diào)度正常。同時(shí)應(yīng)該指出的是，深孔雖然泄洪歷時(shí)較長，但大多在中低庫水位165 m以下運(yùn)行，170 m庫水位以上泄洪較少，表孔泄洪歷時(shí)較短。高庫水位、低下游水位運(yùn)行是其泄洪消能特性評(píng)價(jià)的控制工況。