高土石壩大交角挑流消能水墊塘優(yōu)化布置

楊家修，張陸陳，龐博慧，吳時(shí)強(qiáng)，薛萬云

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

由于土石壩壩身不能溢流，泄水建筑物需設(shè)于岸邊，與壩身挑流消能不同，岸邊泄水建筑物挑流消能時(shí)，射流中心線與下游中心線交角較大，稱之為“大交角”挑流消能[1]。大交角挑流消能一般直接將水流泄入河道，重點(diǎn)關(guān)注歸槽及沖刷問題。池明陽等[2]采用異型挑坎+多面體消能工方案解決了枕頭壩電站江溝泄洪洞水流歸槽問題；邱勇等[3]對黑石羅水庫泄洪洞采用了斜鼻坎，出坎水舌在平面上轉(zhuǎn)向的同時(shí)沿豎向大幅拉開，增大挑射水流和空氣的接觸面積，降低了對下游沖刷；查雙全等[4]在曼轉(zhuǎn)河水庫工程中采用高低坎、縮短無壓段長度、控制閘門開度等措施控制挑射水流落點(diǎn)，減輕了對對岸山體的沖刷；韓成銀等[5]利用分隔墩消除水流集中的現(xiàn)象，減輕河床沖刷；徐敏[6]認(rèn)為燕尾坎對泄洪洞軸線與主河槽中心線交角相對不大的情況具有較好的適應(yīng)性；譚哲武等[7]進(jìn)行了窄縫燕尾新型組合挑坎的試驗(yàn)研究，在改善坎內(nèi)水流流態(tài)、水舌形態(tài)、減輕下游河道沖刷方面起到了重要作用。對于高土石壩、大泄量、V型河谷而言，高功率的水流直接泄入河道將產(chǎn)生極大的水力安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要修建水墊塘進(jìn)行消能。目前水墊塘軸線一般與射流中心線交角較小，其研究重點(diǎn)包括消能工體型[8-9]、水墊塘消能防沖[10-11]、水流摻氣[12-13]等，但對于大交角挑流消能水墊塘水力特性研究較少。本文結(jié)合西藏如美水電站，從水流流態(tài)、動水壓力、下游河道銜接等方面，研究大交角挑流消能水墊塘優(yōu)化布置。

1 工程概況

如美水電站攔河壩最大壩高315 m，是規(guī)劃中世界最高心墻堆石壩；壩址海拔近3 000 m，泄洪最大水頭250 m，最大泄洪功率33 GW。泄洪系統(tǒng)包括三條洞式溢洪道、一條泄洪洞，采用挑流消能，挑射流中心線與水墊塘消能中心線夾角達(dá)43°，平面布置如圖1所示。洞式溢洪道位于樞紐區(qū)右岸，設(shè)置3個(gè)開敞式孔口，孔口尺寸為15 m×22 m(寬×高)。洞式溢洪道由引渠、控制段、無壓隧洞段、消能工段組成，洞式溢洪道洞室軸線間距45.0 m，溢流堰采用WES曲線實(shí)用堰，無壓隧洞段采用3%底坡，末端接渥奇曲線，后接陡槽段、反弧段和挑坎。

圖1 水墊塘優(yōu)化布置示意圖(單位：m)

泄洪洞軸線與洞式溢洪道平行，與1號洞式溢洪道間距31.2 m，由進(jìn)水塔、無壓隧洞段、出口消能工段等組成，進(jìn)水塔出口尺寸為7 m×13 m(寬×高)，無壓隧洞段采用3%底坡。張陸陳等[1]采用“橫擴(kuò)散、平入射”的方法進(jìn)行了優(yōu)化，被設(shè)計(jì)單位采納為可行性研究方案的推薦設(shè)計(jì)方案，泄水建筑物出口段縱剖面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 泄水建筑物出口體型(單位：m)

3條洞式溢洪道洞出口底高程2 730.91 m，橫向擴(kuò)散均始于圓弧段起點(diǎn)處，擴(kuò)散角度3°。1號、2號洞式溢洪道出射口水平，位于圓弧段末端，其橫向擴(kuò)散段的長度為35.73 m。3號洞式溢洪道圓弧段末端接16.50 m的水平段，出射口水平，位于水平段末端，其橫向擴(kuò)散段的長度為52.23 m。泄洪洞出口底高程2 702.34 m，橫向擴(kuò)散也始于圓弧段起點(diǎn)處，擴(kuò)散角度4.26°，出射口水平，位于圓弧段末端，其橫向擴(kuò)散段的長度為26.83 m。水墊塘總長487.8 m，底寬175 m，設(shè)計(jì)方案底高程2 590.00 m，下游未設(shè)二道壩。

如美水電站兩岸河谷深切、坡陡險(xiǎn)峻、巖層卸荷碎裂發(fā)育，壩址區(qū)下游3 km處為如美鎮(zhèn)、業(yè)主營地及國家兵站，為進(jìn)一步減小泄洪引起結(jié)構(gòu)振動、場地振動、霧化等影響，需要進(jìn)一步改善水流流態(tài)，減小水墊塘動水壓力。

2 研究方法

采用整體模型試驗(yàn)方法，以重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶80。為便于觀測流態(tài)，洞式溢洪道、泄洪洞、水墊塘均采用有機(jī)玻璃精加工。試驗(yàn)工況為設(shè)計(jì)水位(2 895.00 m)下，1號洞式溢洪道單獨(dú)運(yùn)行(泄量3 200 m3/s)、3號洞式溢洪道單獨(dú)運(yùn)行(泄量3 200 m3/s)、4孔均勻局開運(yùn)行(總泄量3 200 m3/s，4孔各泄800 m3/s)和4孔閘門全開運(yùn)行(總泄量12 000 m3/s)。下游水位控制斷面位于水墊塘下游900 m，泄量3 200 m3/s時(shí)下游水位為2 623.68 m，泄量12 000 m3/s時(shí)下游水位為2 638.88 m。

水墊塘優(yōu)化布置采用增設(shè)二道壩和挖深降低底板高程的方法，優(yōu)化方案布置示意見圖1。二道壩布置于水墊塘下游36 m處，上游面垂直，下游面坡度1∶1；二道壩頂寬度4 m，分別試驗(yàn)2 620 m和2 630 m(挖深方案)2個(gè)壩頂高程方案。二道壩壩頂高程2 620 m方案示意如圖1水墊塘下游虛線所示；挖深方案如圖1水墊塘內(nèi)虛線包絡(luò)范圍所示，水墊塘底板高程降低至2 570 m，較設(shè)計(jì)方案降低20 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水流流態(tài)

3號洞式溢洪道單獨(dú)運(yùn)行時(shí)各方案水流流態(tài)對比如圖3所示。

圖3 3號洞式溢洪道單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的水流流態(tài)

挑坎軸線不偏轉(zhuǎn)、水平出射、橫向擴(kuò)散時(shí)，水舌入水角較小、橫向?qū)挾容^大，相較前言所述的非連續(xù)坎或異形坎，盡管水流縱向消能空間略小，但水流紊動主要位于水墊塘中部和表面，對底板影響相對較小，且連續(xù)坎霧化影響較小。與設(shè)計(jì)方案水流流態(tài)[1]相比，增設(shè)二道壩方案抬高了水墊塘內(nèi)水面高程，水舌挑距略有減小，縱向消能空間有所增大，但增幅較小，塘內(nèi)流態(tài)變化不明顯。變化較大的是出流與下游河道銜接流態(tài)：二道壩前水面略有壅高；二道壩頂高程2 620 m時(shí)，壩后水流產(chǎn)生旋滾；二道壩頂高程2 630 m時(shí)，二道壩下游存在較明顯的二次跌流現(xiàn)象；而降低底板高程方案，水墊塘內(nèi)流態(tài)以及與下游銜接流態(tài)沒有明顯差別。

對于不同的運(yùn)行工況，增設(shè)二道壩方案小泄量工況下水墊塘與下游銜接情況與3號洞式溢洪道基本一致；大泄量工況下二道壩前后水位差則不明顯，基本能平順銜接。降低水墊塘底板高程方案，較之設(shè)計(jì)方案，泄量及運(yùn)行方式變化對流態(tài)影響較小。

3.2 水墊深度

不同方案水墊塘水墊深度如表1所示(表中水墊深度采用水墊塘不受水流泄洪消能影響的近壩端底板時(shí)均值)。二道壩頂高程2 620 m時(shí)，3 200 m3/s泄量級下水墊塘水墊深度較設(shè)計(jì)方案提高了2.4～3.1 m，12 000 m3/s泄量級下水墊深度僅提高了1.0 m；二道壩頂高程2 630 m時(shí)，3 200 m3/s泄量級下水墊深度較設(shè)計(jì)方案提高12.4～12.7 m，12 000 m3/s泄量下水墊深度提高了5.0 m；底板高程2 570 m時(shí)，各泄量下水墊深度較設(shè)計(jì)方案提高了19.0～19.6 m。通過增設(shè)二道壩的方法增加水墊，其效果與二道壩高度、泄量、河谷寬度等密切相關(guān)，二道壩越高、泄量越小、河谷越窄，增加水墊的效果越好，反之則效果不明顯，如12 000 m3/s泄量級下，河道底部以上二道壩壩高20.0 m時(shí)，水墊深度也僅提高了5.0 m。降低底板高程的方法增加水墊效果顯著，水墊增量基本等同于底板高程降低量。

3.3 底板動水壓力

不同方案下水墊塘底板最大脈動壓力均方根值σmax及沖擊壓力值ΔPmax如表2所示。二道壩頂高程2 620 m時(shí)，σmax較設(shè)計(jì)方案減小了(0.07～0.81)×9.8 kPa、ΔPmax相應(yīng)減小了(0.08～0.92)×9.8 kPa；二道壩頂高程2 630 m時(shí)，σmax較設(shè)計(jì)方案減小了(0.18～1.43)×9.8 kPa、ΔPmax相應(yīng)減小了(0.24～1.28)×9.8 kPa；底板高程2 570 m時(shí)，σmax較設(shè)計(jì)方案減小了(0.39～2.15)×9.8 kPa、ΔPmax相應(yīng)減小了(0.40～2.48)×9.8 kPa。水墊塘水墊越深，底板脈動壓力及沖擊壓力越小。

表2 水墊塘底板σmax和ΔPmax 9.8 kPa

3.4 下游河道流速分布

不同方案典型工況下游河道沿程平均流速分布如圖4所示。下游河道流速分布與流態(tài)密切相關(guān)，設(shè)置二道壩后，下游河道流速顯著增大，二道壩越高、泄量越小，下游河道流速增幅越大；底板高程降低后，水墊塘消能更加充分，下游河道流速小幅降低。3 200 m3/s泄量級下，二道壩頂高程2 620 m時(shí)下游河道最大斷面平均流速為7.9～9.2 m/s，較設(shè)計(jì)方案增大0.8～2.4 m/s；二道壩頂高程2 630 m時(shí)下游河道最大斷面平均流速為17.8～19.0 m/s，較設(shè)計(jì)方案增大10.5～12.3 m/s；底板高程2 570 m時(shí)下游河道最大斷面平均流速為4.9～7.9 m/s，較設(shè)計(jì)方案減小0.1～0.6 m/s。12 000 m3/s泄量下，二道壩頂高程2 620 m時(shí)下游河道最大斷面平均流速為10.6 m/s，較設(shè)計(jì)方案大0.2 m/s；二道壩頂高程2 630 m時(shí)下游河道最大斷面平均流速為12.5 m/s，較設(shè)計(jì)方案增大2.2 m/s；底板高程2 570 m時(shí)，下游河道最大斷面平均流速為10.4 m/s，與設(shè)計(jì)方案一致。

圖4 典型工況下游河道沿程流速分布

4 結(jié) 論

優(yōu)化高土石壩大交角挑流消能水墊塘，主要措施是增設(shè)二道壩和深挖底板。水墊塘下游增設(shè)二道壩，增加了水墊厚度但惡化了出流與下游河道的銜接，二道壩過低，改善水墊塘臨底水力指標(biāo)作用不明顯；二道壩過高，小泄量時(shí)形成二次跌流，需要二次消能。深挖底板降低水墊塘底板高程，泄量及運(yùn)行方式變化對流態(tài)影響較小，可有效增加水墊深度，降低水墊塘臨底水力指標(biāo)，是大交角挑流消能水墊塘推薦的優(yōu)化布置方式。