高拱壩非對(duì)稱(chēng)泄洪消能布置優(yōu)化試驗(yàn)研究

辜晉德，徐建榮，彭 育，薛 陽(yáng)，趙建鈞, 顏志慶

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029； 2.中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 杭州 310014)

1 研究背景

我國(guó)西南地區(qū)水能資源豐富，在該地區(qū)興建的水電工程大多具有 “高水頭、大泄量、窄河谷”的特點(diǎn)，壩身泄流量、泄洪功率均達(dá)到世界頂級(jí)水平，泄洪消能問(wèn)題十分突出，泄洪安全問(wèn)題成為了拱壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。20世紀(jì)90年代建成的二灘水電站，壩高超過(guò)200 m，通過(guò)大量技術(shù)論證及研究，最終采用“分層出流、空中碰撞、水墊塘消能”的壩身消能布置方式，同時(shí)也提出了“水墊塘動(dòng)水沖擊壓力不高于15×9.8 kPa”的水墊塘安全控制標(biāo)準(zhǔn)，為高壩建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，其消能模式及控制標(biāo)準(zhǔn)也被許多水電工程采用[2-3]。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步，新建水電工程的壩高不斷攀升，壩身泄量也不斷增大。為了進(jìn)一步提高消能效率，許多新建的高壩工程在采用二灘消能模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身工程特點(diǎn)，基于分散水舌的原則，提出了各具特色的消能布置方式[4]。對(duì)于出口流速較高的深孔，水舌落水點(diǎn)可通過(guò)調(diào)整深孔挑角實(shí)現(xiàn)縱向分散；而表孔出口流速較低，水舌落水點(diǎn)可調(diào)整范圍有限，再加上拱壩體型的特點(diǎn)，水舌容易向心集中。因而表孔的布置大多配合一些促進(jìn)橫向擴(kuò)散的措施，同時(shí)相鄰孔口挑角(俯角)不能太接近，以避免水舌橫向交疊。表1列舉了國(guó)內(nèi)部分大型拱壩的消能布置參數(shù)，其中如錦屏一級(jí)水電站就在水墊塘消能安全裕度較高的前提下采用收縮式表孔，降低碰撞霧化效應(yīng)的同時(shí)加大了水舌橫向距離[5-6]；溪洛渡、小灣、構(gòu)皮灘等工程則是在表孔出口設(shè)置了不同形式的齒坎，以實(shí)現(xiàn)水舌的縱向分散。文獻(xiàn)[7]統(tǒng)計(jì)了部分國(guó)內(nèi)外大型水電工程的水墊塘消能參數(shù)，指出當(dāng)水墊塘水體消能率低于15 kW/m3時(shí)，通過(guò)合理的布置基本能將水墊塘動(dòng)水沖擊壓力控制在15×9.8 kPa以?xún)?nèi)。

表1 國(guó)內(nèi)部分高拱壩泄洪消能布置參數(shù)[8-12]

白鶴灘水電站泄洪參數(shù)位居同類(lèi)工程前列，水墊塘單位水體消能率更是高達(dá)17 kW/m3，高于表1中所列的同類(lèi)工程，下游消能問(wèn)題突出，其使用的孔口非對(duì)稱(chēng)布置方式在同規(guī)模的工程中尚屬首創(chuàng)。本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)不對(duì)稱(chēng)布置下的水墊塘消能問(wèn)題進(jìn)行了研究，為同類(lèi)工程消能布置方案提供參考。

2 非對(duì)稱(chēng)方案的提出

在建的白鶴灘水電站位于金沙江下游，樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程829 m，最大壩高279 m。所處河谷較窄，呈不對(duì)稱(chēng)“V”型，枯水期河道水面寬僅50～90 m，工程按照千年一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后下泄流量仍然達(dá)到44 197 m3/s，壩身泄量達(dá)到30 000 m3/s，根據(jù)工程實(shí)際情況，壩身設(shè)置6個(gè)表孔、7個(gè)深孔泄洪，采用表深孔碰撞及水墊塘的消能模式[13]。

從泄流量及泄洪功率來(lái)看，白鶴灘工程與溪洛渡相當(dāng)，但受地形限制，白鶴灘溢流寬度較小，溢流壩段僅能布置6個(gè)表孔，這就意味著泄洪單寬流量更大，消能難度更高。當(dāng)泄洪表孔數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，若采用對(duì)稱(chēng)布置方式，則無(wú)論如何排布，由于拱壩的向心作用及水舌的橫向擴(kuò)散，中間兩表孔下泄水流不可避免地會(huì)在水墊塘中重疊，導(dǎo)致局部壓力過(guò)大。若加設(shè)齒坎或可促進(jìn)水舌縱向分散，但對(duì)齒坎附近的局部空化問(wèn)題則需要進(jìn)一步研究[14]。因此，根據(jù)分散水舌的原則，提出一種非對(duì)稱(chēng)的交錯(cuò)布置方式：將表孔分為3組：1#表孔和4#表孔采用俯角35°，水舌落點(diǎn)較為靠近壩趾；2#表孔和5#表孔采用5°挑角，配以舌型坎挑出水流并促進(jìn)水流橫向擴(kuò)散，挑距最遠(yuǎn)；3#表孔及6#表孔采用15°俯角，水舌落點(diǎn)位于前2組水舌之間。該布置方案通過(guò)不同俯角將水舌縱向分為3層，落點(diǎn)位于同一層的水舌之間間隔2個(gè)表孔的寬度，相鄰孔口之間挑角差距為20°～40°，避免了水舌重疊，同時(shí)充分利用了水墊塘消能空間[15]。

相對(duì)于表孔，深孔水舌具有出口流速高、空中挑距長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用對(duì)稱(chēng)布置方式，通過(guò)調(diào)整挑角控制水舌落點(diǎn)。壩身表孔與深孔間隔布置，深孔布置在表孔閘墩內(nèi)，7個(gè)深孔溢流前緣在平面上近似呈弧線左右對(duì)稱(chēng)布置。1#、7#深孔出口采用俯角5°，其它5孔均采用挑角。2#、6#深孔為3°挑角，3#、5#深孔為12°挑角，4#深孔為25°挑角；出口后弧形閘門(mén)邊墻向兩邊各突擴(kuò)0.6 m，擴(kuò)散角4°。平面上，4#、7#深孔身沿徑向布置；1#、2#、3#、5#、6#深孔孔身采取平面壓力轉(zhuǎn)彎的方式，孔身軸線在控制點(diǎn)前采用徑向布置，孔身軸線在控制點(diǎn)后偏轉(zhuǎn)角分別為：+1°、+3°、+4°、-4°、-2°。

3 水工模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 原布置方案試驗(yàn)

為了驗(yàn)證白鶴灘壩身泄洪孔口非對(duì)稱(chēng)布置方式的合理性，南京水利科學(xué)研究院根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立了白鶴灘1∶50整體水工模型，對(duì)壩身布置方案的合理性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

壩身各表孔單獨(dú)泄洪時(shí)的水舌落水點(diǎn)如圖1所示。從圖1可以看出，表孔水舌落水點(diǎn)分為3組，各組水舌落點(diǎn)之間有明顯距離，同組水舌之間沒(méi)有明顯重疊。深孔水舌呈V型排布，中間深孔挑距最遠(yuǎn)，兩側(cè)深孔挑距最近，水舌之間層次分明。表、深孔水舌落水點(diǎn)分布合理，試驗(yàn)過(guò)程中可以觀測(cè)到，當(dāng)表、深孔水舌各自單獨(dú)泄洪時(shí)，水墊塘內(nèi)流態(tài)平順，沒(méi)有明顯不良流態(tài)出現(xiàn)。在校核流量下(壩身泄量30 000 m3/s)，表、深孔聯(lián)合泄洪(見(jiàn)圖2)，表孔水舌與深孔水舌在空中碰撞后分散進(jìn)入水墊塘。由于表、深孔的交錯(cuò)布置，每一股表孔水舌均與2～3個(gè)深孔水舌碰撞，表、深孔水舌碰撞后合并為一團(tuán)水霧跌落水墊塘，水墊塘水流紊動(dòng)劇烈。

圖1 表孔水舌落點(diǎn)分布

圖2 表、深孔聯(lián)合泄流水舌流態(tài)

水墊塘底板上的動(dòng)水沖擊壓力是水墊塘安全評(píng)估的主要參數(shù)，也是泄洪消能布置方式是否合理的重要指標(biāo)。為了測(cè)量水墊塘底板動(dòng)水沖擊壓力，在模型水墊塘底部安裝1 000個(gè)測(cè)壓管及300余個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器，對(duì)泄洪時(shí)的底板動(dòng)水壓力及脈動(dòng)壓力進(jìn)行了高密度測(cè)量。

為了便于描述，在水墊塘建立平面坐標(biāo)：以壩軸線為x軸，以水墊塘縱向?yàn)閥軸，壩軸線與水墊塘中心線交點(diǎn)為原點(diǎn)，水墊塘左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正。模型實(shí)測(cè)動(dòng)水沖擊壓力Δp如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)表孔單獨(dú)泄洪時(shí)，1#表孔落水點(diǎn)靠近水墊塘左側(cè)邊壁，水墊相對(duì)較淺，導(dǎo)致1#表孔落水點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯沖擊壓力，壓力峰值約為10×9.8 kPa；深孔單獨(dú)泄洪時(shí)，水墊塘底部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯沖擊壓力；表、深孔聯(lián)合泄洪時(shí)，在水舌跌落范圍內(nèi)(y=160～240 m)出現(xiàn)較明顯的沖擊壓力，該范圍內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)沖擊壓力峰值，位于水墊塘中心左右兩側(cè)，其中左側(cè)沖擊壓力峰值為9×9.8 kPa，位置坐標(biāo)為(-29,190) m，右側(cè)沖擊壓力峰值為15.7×9.8 kPa，位置坐標(biāo)為(12,190) m，同時(shí)也可以測(cè)量到該位置脈動(dòng)壓力均方根值超過(guò)10×9.8 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，表孔和深孔各自單獨(dú)泄洪時(shí)，水舌分散合理，水墊塘流態(tài)良好；表、深孔聯(lián)合泄洪時(shí)，在壩身泄量達(dá)到30 000 m3/s的情況下，通過(guò)碰撞消能可將水墊塘沖擊壓力峰值控制在15.7×9.8 kPa，僅略高于控制標(biāo)準(zhǔn)15×9.8 kPa。由此說(shuō)明表孔不對(duì)稱(chēng)的泄洪消能布置方式基本合理，但在表、深孔聯(lián)合泄洪時(shí)安全裕度不足，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 表、深孔聯(lián)合泄洪水墊塘動(dòng)水沖擊壓力分布

3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，沖擊壓力峰值出現(xiàn)于水墊塘的右側(cè)，顯然是由于右側(cè)表、深孔水舌碰撞后跌落產(chǎn)生。為了探尋導(dǎo)致沖擊壓力峰值的主要原因，在模型上控制拱壩上下游水位，在開(kāi)啟7個(gè)深孔的同時(shí)，分別以不同的組合方式開(kāi)啟右側(cè)3個(gè)表孔，并測(cè)量水墊塘內(nèi)的動(dòng)水壓力。不同組合方式下水墊塘動(dòng)水沖擊壓力峰值及峰值點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2所示。

表2 不同開(kāi)啟組合水墊塘動(dòng)水沖擊壓力

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，右側(cè)任意一個(gè)表孔與深孔組合下泄時(shí)，水墊塘內(nèi)沒(méi)有明顯沖擊壓力出現(xiàn)；2個(gè)表孔組合時(shí)，僅5#表孔及6#表孔組合時(shí)，水墊塘內(nèi)出現(xiàn)明顯沖擊壓力，沖擊壓力峰值為16.8×9.8 kPa，出現(xiàn)的位置坐標(biāo)為(18,190) m；右側(cè)3個(gè)表孔同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，沖擊壓力峰值為15.6×9.8 kPa，出現(xiàn)位置坐標(biāo)為(12,190) m。由此可以判斷，水墊塘右側(cè)沖擊壓力峰值是由5#及6#表孔水舌與深孔水舌碰撞疊加后產(chǎn)生的，4#表孔水舌的加入并不會(huì)增加水墊塘右側(cè)的沖擊壓力。

圖4 表深孔水舌軌跡

為了分析水舌之間的碰撞關(guān)系，將4#—6#表孔及4#—7#深孔水舌剖面軌跡繪于同一圖上，如圖4所示。從圖4可以看出，4#表孔水舌較為靠近壩趾，與5#、6#表孔水舌有較明顯的距離，4#表孔與深孔水舌碰撞角度較大，碰撞點(diǎn)較高，因而碰撞效果較好，從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出4#表孔的加入并沒(méi)有增大水墊塘的沖擊壓力。從圖4也可以發(fā)現(xiàn)，雖然5#表孔設(shè)置了挑角，但由于表孔溢流堰較短，5#與6#表孔水舌雖有間隔但距離較近，在校核水位下，表孔水舌厚度增加，5#與6#表孔水舌間距將進(jìn)一步減小，同時(shí)2個(gè)表孔水舌與深孔水舌碰撞角度較小，碰撞分散水舌的效果有限，與深孔水舌碰撞合并后仍會(huì)在一定范圍內(nèi)重疊，從而導(dǎo)致局部沖擊壓力增大[16]。

結(jié)合表孔水舌軌跡的分析，降低水墊塘動(dòng)水沖擊壓力應(yīng)從分散5#和6#表孔水舌著手。由于表孔溢流堰流程較短，進(jìn)一步增大5#表孔挑角對(duì)水舌挑距的影響有限，因此嘗試增大6#表孔的俯角。從水舌軌跡來(lái)分析，當(dāng)6#表孔俯角調(diào)整為25°時(shí)，水舌軌跡的剖面投影大致位于4#及5#表孔水舌中間，同時(shí)增大6#表孔俯角可以增大表孔水舌與深孔水舌的碰撞角，改善消能效果。在模型上將6#表孔俯角從15°調(diào)整為25°，在校核工況下對(duì)水墊塘動(dòng)水沖擊壓力進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)表明，調(diào)整6#表孔俯角后，水墊塘動(dòng)水沖擊壓力峰值為14.6×9.8 kPa，峰值位置坐標(biāo)為(24,185) m。調(diào)整后動(dòng)水沖擊壓力略有降低，雖然可以滿(mǎn)足水墊塘動(dòng)水沖擊壓力不大于15×9.8 kPa的要求，但安全裕度不足，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

從表孔水舌軌跡來(lái)看，繼續(xù)加大表孔俯角可能增大表孔單獨(dú)泄洪時(shí)的動(dòng)水壓力，縱向上優(yōu)化的空間較小。觀察水墊塘動(dòng)水壓力分布(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)在水墊塘中心線附近動(dòng)水沖擊壓力較小，說(shuō)明下泄水流橫向上仍有較大的調(diào)整空間。進(jìn)一步的優(yōu)化應(yīng)結(jié)合深孔平面布置進(jìn)行調(diào)整。圖5為可研階段壩身深孔平面布置，為避免入水水舌的向心集中，5#、6#深孔分別向外側(cè)偏轉(zhuǎn)4°、2°，而1#、2#、3#深孔則分別向外側(cè)偏轉(zhuǎn)1°、3°、4°，這也是造成水墊塘壓力分布出現(xiàn)左右2個(gè)峰值區(qū)而沿中心附近壓力較為平坦的原因之一。從圖5可以看出，5#和6#表孔水舌入水坐標(biāo)大約在y=130～140 m附近，與其有碰撞的5#—7#深孔水舌落水點(diǎn)在y=160～200 m范圍內(nèi)，正對(duì)應(yīng)水墊塘沖擊壓力出現(xiàn)的區(qū)域。

圖5 深孔優(yōu)化布置平面

實(shí)際上在試驗(yàn)過(guò)程中，深孔的挑角布置方案使水舌落水點(diǎn)呈“V”型分散，同組水舌橫向上仍有較大的空間。因此針對(duì)水墊塘右側(cè)沖擊壓力集中的問(wèn)題，嘗試將5#和6#深孔平面偏轉(zhuǎn)角向水墊塘中心調(diào)整，促使碰撞水流向水墊塘中心移動(dòng)，以削減水墊塘右側(cè)沖擊壓力。試驗(yàn)比較了5#、6#深孔平面偏轉(zhuǎn)角分別為(2°、1°)、(1°、1°)和(0°、0°)3種方案，各方案下水墊塘動(dòng)水沖擊壓力峰值見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，減小5#、6#深孔平面轉(zhuǎn)彎角有利于減小水墊塘右側(cè)底板沖擊壓強(qiáng)，當(dāng)5#深孔及6#深孔偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，水墊塘動(dòng)水沖擊壓力峰值為11.1×9.8 kPa，最大脈動(dòng)壓力均方根值為8.7×9.8 kPa。

表3 優(yōu)化方案水墊塘動(dòng)水沖擊壓力

試驗(yàn)最終推薦在原不對(duì)稱(chēng)布置方案的基礎(chǔ)上，修改6#表孔俯角為25°，調(diào)整5#和6#深孔偏轉(zhuǎn)角為0°。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的不對(duì)稱(chēng)布置方案不僅在表深孔水舌單獨(dú)泄洪時(shí)可以有效避免水舌重疊，同時(shí)也能滿(mǎn)足壩身大功率泄洪時(shí)水墊塘安全控制指標(biāo)，是一種高效合理的泄洪消能布置方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

白鶴灘水電站具有高水頭、大流量的特點(diǎn)，屬于典型的巨型水電工程，同時(shí)壩身溢流前沿短，河谷狹窄，泄洪消能技術(shù)難度大。在白鶴灘工程采用壩身表孔3組非對(duì)稱(chēng)排布，有效避免了表孔泄洪水舌交疊，充分利用了水墊塘消能空間。模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)表孔不對(duì)稱(chēng)排布導(dǎo)致表、深孔聯(lián)合泄洪時(shí)局部碰撞不充分，引起水墊塘局部壓力過(guò)大。通過(guò)調(diào)整邊表孔俯角及深孔平面偏轉(zhuǎn)角度可有效降低水墊塘壓力峰值，優(yōu)化后的泄洪消能布置方案可以滿(mǎn)足不同泄洪工況下的水墊塘安全要求，為解決類(lèi)似工程的泄洪消能問(wèn)題提供了參考。