我國特高拱壩壩身泄洪消能技術(shù)研究與應(yīng)用

段文剛，胡 晗，侯冬梅

(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

進(jìn)入21世紀(jì)，我國大壩建設(shè)快速發(fā)展且愈建愈高，200～300 m級(jí)特高拱壩接連出現(xiàn)。2000年竣工的雅礱江二灘水電站壩高240 m，是彼時(shí)我國最高的大壩；2014年建成的雅礱江錦屏一級(jí)水電站壩高305 m，是目前世界第一高壩；1987年建成的格魯吉亞英古里壩高272 m，是目前國外最高的拱壩。高壩泄洪伴隨著能量的傳遞和釋放，不可避免地將對(duì)過流邊界和周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，時(shí)至今日泄水建筑物遭受破壞的實(shí)例仍屢見不鮮，高壩泄洪消能是壩工建設(shè)與運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。特高拱壩一般位于大江大河的高山峽谷之間，高水頭、大泄量、窄河谷、向心集中特征明顯，壩下消能防沖難度加大。我國特高拱壩無論是泄洪建筑物規(guī)模還是水力指標(biāo)(如泄洪落差、泄洪流量和泄洪功率)均居世界前列。本文主要以2000年以來國內(nèi)新建的11座特高拱壩(壩高≥200 m)壩身泄洪消能布置和水力指標(biāo)為主要考察對(duì)象，進(jìn)而重點(diǎn)闡明拱壩壩身消能的3種典型創(chuàng)新模式。

1 水墊塘消能評(píng)價(jià)指標(biāo)

拱壩壩身通常采用挑跌流水墊塘消能形式，其水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塘內(nèi)三維流態(tài)特征顯著，總體呈斜向淹沒沖擊射流和淹沒水躍的混合流態(tài)，見圖1。入水射流沿主射流方向可分為3個(gè)流動(dòng)區(qū)域，即淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁射流區(qū)。其中淹沒射流區(qū)，主流近似遵循線性擴(kuò)散規(guī)律；在沖擊區(qū)，主流轉(zhuǎn)向，流線彎曲，流速迅速減小，壓力急劇增大，對(duì)水墊塘底板產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，是造成底板失穩(wěn)破壞的主要區(qū)域，表現(xiàn)出明顯的沖擊射流特征；而在壁射流區(qū)，主流貼底射出，并沿程擴(kuò)散和迅速躍起，并在主流區(qū)的頂部形成大的表面旋滾區(qū)，具有明顯的淹沒水躍特征[2]。

水墊塘消能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括定性和定量兩個(gè)方面。其一，定性流態(tài)控制。水墊塘幾何空間尺寸必須滿足各級(jí)流量泄流時(shí)形成淹沒水躍，避免水舌直沖干砸兩岸邊坡，避免水舌過于集中。水躍旋滾區(qū)末端距二道壩頂有一段平穩(wěn)水面，出塘水流基本恢復(fù)至正常緩流狀態(tài)，二道壩下游不宜出現(xiàn)二次水躍。水墊塘長度一般由水舌拋射距離和水躍漩滾長度確定，或根據(jù)二道壩上游壩面的動(dòng)水壓力是否接近靜水壓力來判別。通常由中孔挑射水舌控制，二道壩一般設(shè)置在中孔水舌沖擊點(diǎn)下游1.5倍水深處。水墊塘寬度根據(jù)泄洪水舌入水寬度、河谷地形地質(zhì)條件、塘內(nèi)流態(tài)等因素綜合分析確定。水墊塘深度根據(jù)沖擊壓力和大壩建基面確定，底板高程太高，則水墊深度小，水流對(duì)底板的沖擊壓力大；若底板高程太低，水墊深度大，消能效果雖好，卻又造成開挖過多，增加水墊塘工程量，同時(shí)影響壩肩抗力體的穩(wěn)定[3]。其二，定量控制。水墊塘沖擊壓力ΔPmax應(yīng)滿足規(guī)范限值要求，即ΔPmax≤ 15×9.81 kPa[4]。同時(shí)，水墊塘底板高程不應(yīng)低于大壩建基面。

二道壩壩頂高程由水墊塘消能水墊深度、水墊塘檢修條件和二道壩壩后的水力條件綜合確定。二道壩太低，水墊塘水墊深度可能較小，且檢修時(shí)需臨時(shí)加高二道壩，施工難度大；二道壩太高，雖能保證水墊深度較大，但二道壩后可能出現(xiàn)二次水躍不利流態(tài)。

2 泄洪消能布置與水力指標(biāo)

國內(nèi)部分特高拱壩壩身泄洪消能布置與水力指標(biāo)見表1[5-16]—表3[17-23]。

表1 國內(nèi)部分拱壩壩身泄洪消能水力指標(biāo)(壩高≥200 m)[5-16]Table 1 Hydraulic indices of flood discharge and energy dissipation of some arch dams in China withheights larger than 200 m[5-16]

表2 國內(nèi)部分拱壩壩身孔口體型與水力指標(biāo)(壩高≥200 m)[17-23]Table 2 Orifice shapes and hydraulic indices of dam body of some arch dams in China with heightslarger than 200 m[17-23]

表3 國內(nèi)部分拱壩壩身泄洪消能建筑物特征高程(壩高≥200 m)Table 3 Characteristic elevations of flood discharge and energy dissipation buildings of some arch dams in China withheights larger than 200 m

國外特高拱壩泄流量和泄洪功率較小，接近小了一個(gè)數(shù)量級(jí)(見表4[24])。

表4 國外部分特高拱壩壩身泄洪消能水力指標(biāo)[24]Table 4 Hydraulic indices of flood discharge and energydissipation of some super-high arch dams abroad[24]

表中孔及水墊塘體型：

(1)表孔。表孔通常采用開敞式WES(美國陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)室)曲線實(shí)用堰，超泄能力強(qiáng)。出口形式是研究重點(diǎn)，以大差動(dòng)俯角布置(最大俯角-35°)和平面擴(kuò)散為主力體型。為進(jìn)一步分散水流、減輕壩后水墊塘沖擊壓力，有時(shí)加設(shè)分流齒坎。分流齒坎體型復(fù)雜，可能誘發(fā)形成新的空化源。通常需在其側(cè)壁布設(shè)通氣孔以達(dá)到摻氣減蝕的效果。某高拱壩表孔泄洪觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，通氣孔出現(xiàn)水流倒灌現(xiàn)象，水流逆向進(jìn)入通風(fēng)廊道，未能達(dá)到摻氣減蝕效果。初步分析此處壓力梯度變化大，可能為施工定位不準(zhǔn)所致(布置在正壓區(qū))。對(duì)于采用表中孔窄縫水舌交錯(cuò)不碰撞消能方式，表孔出口常采用寬尾墩收縮使其水舌豎向拉開。

(2)中孔(深孔)。中孔為有壓泄水孔，出口形式仍是研究重點(diǎn)，總體可分為平底型、上翹型和下彎型等3種類型。對(duì)于碰撞消能形式，中孔一般采用上翹型，其挑角可達(dá)30°。挑角愈大碰撞消能愈好，但其挑距亦愈遠(yuǎn)，需要更長的水墊塘與之匹配。平面上伴隨著擴(kuò)散和偏轉(zhuǎn)。有時(shí)采用下彎型控導(dǎo)其入水范圍。

(3)水墊塘。水墊塘一般為復(fù)式梯形斷面，主要分為平底型和反拱型兩種。拉西瓦是第一個(gè)采用反拱型水墊塘的特高拱壩。

目前高拱壩水墊塘消能總體可分為3種模式，即表中孔水舌碰撞消能、表中孔水舌交錯(cuò)不碰撞、表中孔碰撞與不碰撞結(jié)合。研究思路和工程應(yīng)用逐漸從“泄洪消能工程安全”向“泄洪消能工程安全與減輕岸坡泄洪霧化并重”轉(zhuǎn)變。

3 表中孔水舌碰撞消能—二灘模式

表中孔水舌碰撞消能可很好地解決水墊塘底板沖擊壓力過大的問題，二灘拱壩首次采用并取得了顯著效果。

二灘拱壩壩身布設(shè)7個(gè)表孔和6個(gè)中孔。通過采用表中孔水舌碰撞消能，使水流充分裂散摻氣，增大入水面積，大大削弱水流沖刷能力。同時(shí)，表孔采用大差動(dòng)俯角、平面擴(kuò)散、加設(shè)分流齒坎等措施，進(jìn)一步減輕水墊塘底板沖擊壓力[25]。正常蓄水位7個(gè)表孔泄洪時(shí)(流量Q=6 260 m3/s)水墊塘底板沖擊壓力最大，其值為10.0×9.81 kPa(見表5[27])。校核洪水下泄流量增大1倍以上，但水墊塘底板沖擊壓力卻只有表孔泄洪的1/2左右，這說明表、中孔水舌碰撞消能效果非常顯著。應(yīng)該指出的是，表、中孔水舌交匯角愈大(這意味著中孔要采用較大挑角)、兩者流量愈接近，并在中孔挑流水舌的上升段碰撞，其碰撞消能效果愈顯著。二灘工程創(chuàng)造性地開辟出壩身雙層孔口水流空中對(duì)撞加壩后人工襯護(hù)水墊塘的泄洪方式，成為大流量高拱壩泄洪技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑[26]。此后的小灣、拉西瓦、構(gòu)皮灘、溪洛渡、烏東德和白鶴灘等工程均沿用了這種方式(見圖2)。

表5 二灘拱壩各級(jí)泄量水力特性[27]Table 5 Hydraulic characteristics of different flood discharge rates of Ertan arch dam[27]

圖2 拱壩水舌碰撞消能流態(tài)Fig.2 Energy dissipation patterns with jets collision

4 表深孔水舌交錯(cuò)不碰撞—錦屏一級(jí)模式

壩身孔口水舌空中碰撞消能的同時(shí)，也加劇了泄洪霧化強(qiáng)度，這對(duì)于下游邊坡穩(wěn)定性較差的工程造成了一定的隱患。

錦屏一級(jí)拱壩壩身布設(shè)4個(gè)表孔和5個(gè)深孔，研究提出了壩身孔口水舌交錯(cuò)不碰撞消能技術(shù)。表孔采用新型寬尾墩+底板非完全透空體型，深孔出口采用窄縫挑坎和閘墩平直出流體型，獲得了窄長的水舌形態(tài)(見圖3)，實(shí)現(xiàn)了表、深孔水舌橫向穿插、縱向拉伸、空中交錯(cuò)、分散入塘的消能目的，大大減輕了壩身泄洪霧化的范圍和強(qiáng)度，開創(chuàng)了超300 m級(jí)特高拱壩壩身泄洪消能的新型式[28-29]。而且水墊塘底板沖擊動(dòng)壓亦滿足規(guī)范限值要求，正常蓄水位4個(gè)表孔泄洪時(shí)水墊塘底板沖擊動(dòng)水壓力最大，其值為14.2×9.81 kPa[30](見表6)。此消能方式可以充分利用下游河道的縱向空間，特別適合于狹窄河谷中的高拱壩壩身泄洪[31]。在建的葉巴灘工程亦采用類似方式。

圖3 錦屏一級(jí)拱壩表孔窄縫泄洪流態(tài)Fig.3 Flood discharge pattern with narrow slot surface-orifices at Jinping-I arch dam

表6 錦屏一級(jí)拱壩各級(jí)泄量水力特性Table 6 Hydraulic characteristics of different flooddischarge rates of Jinping-I arch dam

應(yīng)該指出的是，特高拱壩表孔多為開敞式WES溢流堰，流道短、作用水頭小、出流流速低，通常難以形成流態(tài)穩(wěn)定、縱向拉伸效果好的窄縫水舌[32]。表孔出口體型較為復(fù)雜，或者延長流道匹配更大的牛腿結(jié)構(gòu)，從而加重拱壩頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

5 表中孔碰撞與不碰撞結(jié)合—旭龍模式

拱壩壩身泄洪消能探索與應(yīng)用大致符合“認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”螺旋式上升的過程。

表、中孔窄縫水舌大流量聯(lián)合泄洪固然水舌碰撞霧化強(qiáng)度有所減小，但正常蓄水位常遇洪水表孔或中孔泄洪時(shí)窄縫水舌裂散充分，其霧化強(qiáng)度又有所加大。同時(shí)，水舌縱向拉開入水點(diǎn)下移，勢(shì)必增加水墊塘長度。此外，還有表孔出口體型結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。能否探索出第三條出路？

旭龍拱壩壩身布設(shè)3個(gè)表孔和4個(gè)中孔。基于水墊塘底板沖擊壓力小于標(biāo)準(zhǔn)限值、減小兩岸水舌碰撞濺水、孔口體型簡單的三重要求，在系統(tǒng)梳理拱壩孔口水舌碰撞和窄縫水舌不碰撞消能利弊的基礎(chǔ)上，分析認(rèn)為，水墊塘底板最大沖擊壓力出現(xiàn)在中部，通常由表孔泄洪或大流量表中孔聯(lián)合泄洪引起；而兩側(cè)岸坡霧化雨強(qiáng)大多由邊表孔和邊中孔碰撞誘發(fā)。通過調(diào)整表中孔流量分配比例、邊中孔軸線外側(cè)偏轉(zhuǎn)、出口挑角優(yōu)化等措施，試驗(yàn)推薦采用中間表孔和中孔水舌碰撞消能以減輕水墊塘底板沖擊壓力，兩側(cè)邊表孔和邊中孔橫向交錯(cuò)入水不碰撞以減輕濺水霧化雨強(qiáng)(見圖4)。并且孔口流道體型簡單，未設(shè)分流齒坎，亦未采用“燕尾坎”或其他透空體型，便于施工。

圖4 旭龍拱壩模型試驗(yàn)泄洪流態(tài)Fig.4 Modelling flood discharge pattern of Xulongarch dam

模型試驗(yàn)表明，正常蓄水位3個(gè)表孔泄洪時(shí)水墊塘底板沖擊壓力最大，其值為9.2×9.81 kPa。設(shè)計(jì)洪水工況岸邊霧化雨強(qiáng)僅為100 mm/h，均較以往方案大為降低(見表7)。

表7 旭龍拱壩各級(jí)泄量水力特性Table 7 Hydraulic characteristics of different flood discharge rates of Xulong arch dam

由此可見，旭龍拱壩采用表中孔碰撞與不碰撞結(jié)合的布置方式，圓滿協(xié)同解決了水墊塘底板沖擊壓力、兩岸濺水雨強(qiáng)、孔口體型力求簡單、壩體局部受力條件等復(fù)雜技術(shù)難題，為高拱壩泄洪消能布置探索了一條新路子。

6 結(jié) 語

國外特高拱壩建設(shè)起步較早，20世紀(jì)80年代達(dá)到高峰，近年建設(shè)數(shù)量有所減少。我國特高拱壩建設(shè)起步較晚，但發(fā)展較快，其泄洪消能布置和水力指標(biāo)均居世界前列。近20 a我國特高拱壩泄洪消能研究進(jìn)展與工程應(yīng)用，極大地推動(dòng)了該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和泄洪消能模式創(chuàng)新。壩身消能逐漸演進(jìn)為3種典型模式：水舌碰撞的二灘模式、水舌不碰撞的錦屏一級(jí)模式、水舌碰撞與不碰撞結(jié)合的旭龍模式。研究思路和工程應(yīng)用逐漸從“泄洪消能工程安全”向“泄洪消能工程安全與減輕岸坡泄洪霧化并重”轉(zhuǎn)變，且水墊塘沖擊動(dòng)水壓力均小于15×9.81 kPa(標(biāo)準(zhǔn)限值)。建議開展復(fù)雜邊界數(shù)值模擬研發(fā)和原型觀測(cè)研究。如水墊塘三維流場(chǎng)精細(xì)數(shù)值模擬、泄洪霧化數(shù)值模擬和原型觀測(cè)、高壩泄洪TDG(總?cè)芙鈿怏w)生成與釋放過程研究等，進(jìn)而探討不同消能模式壩下水生態(tài)和環(huán)境影響。