高拱壩溢流表孔分流齒坎的布置體型與作用效果

孫雙科，徐建榮，柳海濤，彭 育，薛 陽(yáng)

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；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，浙江 杭州 311122）

1 研究背景

高拱壩是我國(guó)大型水電站的主力壩型之一，自1998年二灘水電站［1-4］建成投產(chǎn)以來(lái)，我國(guó)又陸續(xù)建成了小灣［5-7］、溪洛渡［8-11］、錦屏一級(jí)［12-13］、構(gòu)皮灘［14-17］、白鶴灘［18-19］等300 m 級(jí)大型高拱壩工程，其中錦屏一級(jí)水電站最大壩高305 m，是目前世界第一高拱壩工程，白鶴灘水電站總裝機(jī)容量16 000 MW，是我國(guó)僅次于三峽水電站的第二大水電站。另外，壩高270 m 的烏東德［20-22］水電站也正在建設(shè)中。

我國(guó)大型水電站普遍存在水頭高、流量大的技術(shù)特點(diǎn)，在樞紐布置與泄洪消能方面面臨巨大挑戰(zhàn)，大型高拱壩工程由于大多布置于狹窄的深切河谷段，更加大了相關(guān)問(wèn)題的技術(shù)難度［23］。如表1 所示，我國(guó)幾座代表性高拱壩工程壩身泄量10 100 ～ 32 278 m3/s，上下游總落差140 ～ 225.9 m，而枯水期下游河道寬度則在100 m 以內(nèi)，足見(jiàn)相關(guān)研究的技術(shù)難度。

表1 部分高拱壩壩身泄洪水力學(xué)指標(biāo)

為解決樞紐布置與泄洪消能技術(shù)難題，我國(guó)高拱壩工程大都采用了壩身開(kāi)孔泄洪和岸邊泄洪洞分流的總體布置格局與利用下游人工水墊塘消能的泄洪消能布置方案［24-25］，在壩身泄水建筑物布置上，通過(guò)布置表孔與深（中）孔雙層孔口，并采用不同的鼻坎高程與出射角度，形成多層多點(diǎn)大差動(dòng)出流，以分散挑流水舌跌入下游水墊塘?xí)r的入水能量分布，并通過(guò)水舌的空中碰撞促進(jìn)消能，最終實(shí)現(xiàn)降低水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)與脈動(dòng)荷載的目標(biāo)。

在壩身泄水建筑物體型優(yōu)化布置方面，深（中）孔由于孔身短且流速高，通常采用工作弧門(mén)布置于出口的有壓長(zhǎng)管布置方式，主要通過(guò)優(yōu)化流道軸線偏轉(zhuǎn)角度與出口鼻坎挑角進(jìn)行挑流水舌流態(tài)控制；而溢流表孔由于泄槽內(nèi)流速通常為20 m/s 左右，量值不大，為實(shí)施體型優(yōu)化提供了更多的技術(shù)可能性，除通過(guò)調(diào)整鼻坎出射角實(shí)現(xiàn)分層多點(diǎn)入水之外，還可以采用促進(jìn)水舌橫向擴(kuò)散的舌型坎、促進(jìn)水舌縱向擴(kuò)散的寬尾墩、以及進(jìn)一步分散水舌的分流齒坎等優(yōu)化技術(shù)［24-25］。上述技術(shù)措施在我國(guó)大型高拱壩工程設(shè)計(jì)與科研的不同階段都進(jìn)行過(guò)大量試驗(yàn)研究與分析論證，為最終方案的確定發(fā)揮了重要作用。

本文以高拱壩溢流表孔分流齒坎為主題，在回顧其工程運(yùn)用與前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合白鶴灘水電站可研階段壩身泄洪水工模型試驗(yàn)結(jié)果，探究分流齒坎的布置體型與作用效果，為后續(xù)類似工程提供參考。

2 高拱壩溢流表孔分流齒坎的相關(guān)研究與工程應(yīng)用

作為高拱壩溢流表孔體型優(yōu)化的有效技術(shù)措施之一，分流齒坎方案已在二灘、溪洛渡、構(gòu)皮灘等大型高拱壩工程中得到了實(shí)際運(yùn)用［26-28］。水工模型試驗(yàn)研究表明，表孔增設(shè)分流齒坎，可以促進(jìn)表孔挑流水舌在橫、縱向上的分散，有效降低水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)。

從體型布置看，分流齒坎的類型可以分為雙邊齒坎、雙中齒坎、內(nèi)側(cè)邊齒坎、以及外側(cè)邊齒坎四大類。而分流齒坎的細(xì)部尺寸，則包括齒坎高度、齒坎寬度與挑角三個(gè)最為關(guān)鍵的參數(shù)。已有研究表明，增設(shè)分流齒坎的效果，不僅與分流齒坎的類型、細(xì)部尺寸有關(guān)，而且與不同表孔采用不同齒坎布置的組合方式有很大關(guān)系，需要開(kāi)展大量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究以擇其優(yōu)。我國(guó)目前已建成投產(chǎn)的二灘、溪洛渡、構(gòu)皮灘水電站三座高拱壩工程，均采用了不同的分流齒坎布置方式。

二灘水電站壩身泄洪布置有7 個(gè)表孔與6 個(gè)中孔，表孔堰頂高程1188.5 m，堰上正常水頭11.5 m，每孔寬度11 m，閘墩寬11 m，溢流前緣總寬143 m。為分散水流以適應(yīng)表孔、中孔水流撞擊消能的需要，表孔出流采用自由跌落大差動(dòng)跌坎消能形式，1#、3#、5#、7#孔跌坎俯角30°，2#、4#、6#孔跌坎俯角20°，泄流時(shí)可把水舌沿水流方向分散成兩片。同時(shí)，在2#—6#孔跌坎上布置雙側(cè)分流齒坎，在1#與7#孔外側(cè)布置單側(cè)分流齒坎，以利水舌進(jìn)一步分散。各分流齒的挑角均為20°，為防止分流齒坎出現(xiàn)空化空蝕破壞，每個(gè)齒側(cè)設(shè)置2 個(gè)直徑0.3 m 的通氣孔，并與齒坎下游2 個(gè)直徑0.3 m 的通氣孔相連通。表孔采用大差動(dòng)跌坎加分流齒后，泄流水舌能縱、橫向充分?jǐn)U散，大大減小了水墊塘底板的動(dòng)水壓力。水工模型試驗(yàn)表明，其沖擊動(dòng)壓比不設(shè)分流齒坎時(shí)減小80%以上，消能效果十分顯著［1-4，26］，成功地解決了壩身表孔單獨(dú)運(yùn)行這一最不利工況下的泄洪消能問(wèn)題，為高拱壩、大泄量表孔溢洪道提供了一種新型消能工。

溪洛渡水電站壩身泄洪采用“分層出流、空中碰撞、水墊塘消能”的布置形式，壩身泄洪孔口布置7 個(gè)表孔和8 個(gè)中孔，平面上相間布置。其中表孔尺寸為7～12.5 m×13.5 m（寬×高），溢流堰頂高程586.50 m，設(shè)弧形閘門(mén)，出口為大差動(dòng)挑流齒坎，其中，1#、7#出口鼻坎采用俯角10°，2#、6#采用俯角30°，3#、5#采用水平出流，4#采用俯角20°，為進(jìn)一步促進(jìn)表孔水舌分散，2#—6#表孔出口中間均設(shè)置2 個(gè)中齒坎，將水舌分為3 股較深的水流，從而改變水舌的形狀和落水范圍。中孔尺寸為8～6 m×6.7 m，孔底高程499.5～501.0 m，進(jìn)口設(shè)平板檢修閘門(mén)，孔壁設(shè)鋼襯，出口孔口設(shè)弧形工作閘門(mén)，挑流出流；壩身孔口泄洪挑流水舌均勻歸槽至壩下水墊塘，水墊塘長(zhǎng)360 m，末端設(shè)二道壩。壩身孔口最大泄量30 902 m3/s，約占樞紐總泄量的60%。通過(guò)一系列模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，實(shí)施方案的壩身孔口具備體型設(shè)計(jì)合理，進(jìn)口水流條件良好，流態(tài)穩(wěn)定，在各種水位工況下，壩身泄洪水流歸槽良好，且由于水墊塘水深達(dá)60～80 m，水墊塘底板最大動(dòng)水沖擊壓力不大，僅在宣泄校核洪水時(shí)測(cè)值達(dá)到15.1×9.8 kPa［9］。

構(gòu)皮灘水電站采用“橫向單體擴(kuò)散，縱向分層拉開(kāi)，整體入水歸槽”泄洪消能方式，壩身泄水建筑物由6 表孔與7 中孔組成，表孔堰面為開(kāi)敞式WES 實(shí)用堰，堰頂高程617.00 m，孔口尺寸為12 m×13 m，為減輕水流向心集中的影響并盡可能分散水舌落點(diǎn)，各表孔出口處采用不同出射角度：1#與6#為0°、2#與5#為-20°、3#、4#為-30°，為增加水流的入水層次，在1#、3#、4#、6#出口鼻坎上布置了不同型式的分流齒坎［14，28］，其中1#、6#表孔采用內(nèi)側(cè)邊齒坎，分流齒坎尺寸為6 m×4 m（寬×高），挑角20°；3#、4#表孔采用中齒坎，分流齒坎尺寸為8 m×8 m（寬×高），挑角20°。中孔進(jìn)、出口均為有壓流型式，進(jìn)口有壓直線段斷面尺寸為6 m×8 m，出口斷面尺寸為7 m×6 m。1#、3#、5#和7#中孔為平底型，挑角為0°，2#、4#和6#為上挑型，其中4#中孔挑角為10°，2#和6#中孔挑角為25°。水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明，各工況下水墊塘底板上的沖擊動(dòng)水壓力小于15×9.8 kPa，而6 個(gè)表孔單獨(dú)敞泄時(shí)，水墊塘底板上出現(xiàn)壓力峰值區(qū)，ΔP 接近11×9.8 kPa，表明該運(yùn)行工況是水墊塘工作條件的控制工況。

烏東德水電站在研究過(guò)程中也曾對(duì)分流齒坎布置方案進(jìn)行過(guò)比選研究［29-30］。

3 白鶴灘水電站溢流表孔分流齒坎布置優(yōu)化試驗(yàn)研究

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合效益。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，高289 m，總裝機(jī)容量16 000 MW，多年平均發(fā)電量602.4 億kW·h。

白鶴灘水電站按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核，相應(yīng)洪水流量分別為38 800和46 100 m3/s，壩身設(shè)6 個(gè)表孔（14.0 m×15.0 m）、7 個(gè)深孔（5.5 m×8.0 m），壩下水墊塘消能；岸邊3 條泄洪隧洞（15 m×9.5 m）均布置在左岸。最大下泄流量達(dá)42 355 m3/s，泄洪功率高達(dá)90 000 MW［18，32］。

6 孔溢流表孔對(duì)稱于溢流中心線布置，堰頂高程805 m，孔口寬度14.0 m，高度15.0 m，閘墩寬10 m，溢流前沿總寬131 m。采用大差動(dòng)自由挑（跌）流布置方式，使水舌分層入水，并在平面上采用2° ～ 6°的擴(kuò)散角，使水流橫向擴(kuò)散。其中，1#、4#表孔出口跌角30°；2#、5#表孔出口挑角5°；3#、6#表孔出口跌角15°。在表孔7 個(gè)閘墩下方布置7 個(gè)深孔。深孔體型采用壓力上翹型挑坎，出口高程719 m，出口尺寸5.5 m×8.0 m（寬×高），7 個(gè)深孔分4 組采用不同的挑角，以便入水水舌縱向拉開(kāi)，1#、7#深孔出口挑角為-5°，2#、6#深孔出口挑角為3°，3#、5#深孔出口挑角為12°，4#深孔出口挑角為25°。

項(xiàng)目可行性研究階段，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)展了1∶100 壩身泄洪整體模型試驗(yàn)研究［33-36］，對(duì)表孔布置體型進(jìn)行了一系列優(yōu)化試驗(yàn)研究，對(duì)比了表孔出射角度改變、溢流前緣采用舌形坎、二道壩壩頂高程改變及其不同組合對(duì)水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的影響，提出了階段性優(yōu)化布置方案。在該階段研究中，經(jīng)大量?jī)?yōu)化對(duì)比試驗(yàn)研究，提出在1#、4#表孔挑坎處分別增設(shè)挑角為20°的分流齒坎以進(jìn)一步分散表孔水舌，其中1#表孔采用外側(cè)單邊齒坎布置，分流齒坎寬度為3.6 m；4#表孔采用雙側(cè)邊齒坎布置，分流齒坎下緣寬度均為3.6 m，見(jiàn)圖1。

圖1 白鶴灘水電站壩身表孔與分流齒坎平面布置

1∶100 水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明，1#與4#表孔采用分流齒坎后，在表孔全開(kāi)泄洪與校核洪水運(yùn)行工況下，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)分別由14.15×9.8 kPa、24.69×9.8 kPa 降低至10.15×9.8 kPa、12.74×9.8 kPa，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化研究目標(biāo)。

試驗(yàn)研究過(guò)程中，針對(duì)分流齒坎布置開(kāi)展了敏感性對(duì)比試驗(yàn)研究［34］，對(duì)比試驗(yàn)了4 個(gè)方案，其中方案I 為不設(shè)分流齒坎方案，方案Ⅱ?yàn)?#表孔增設(shè)分流齒坎，4#表孔不設(shè)；方案Ⅲ為4#表孔增設(shè)分流齒坎，1#表孔不設(shè)；方案Ⅳ為1#與4#表孔均增設(shè)分流齒坎，表2 給出了表孔全開(kāi)運(yùn)行與表深聯(lián)合運(yùn)行工況下水電站底板最大沖擊壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，增設(shè)分流齒坎能夠有效降低水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的量值并使之滿足不大于15×9.8 kPa 的技術(shù)要求。在6 表孔全開(kāi)泄洪工況下，盡管4 個(gè)方案的水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)都能滿足不大于15.0×9.8 kPa 的技術(shù)要求，但最大沖擊壓強(qiáng)的量值有比較明顯的差異。單獨(dú)對(duì)1#或4#表孔增設(shè)分流齒坎，更有利于降低水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的量值。進(jìn)一步的分析表明，在6 表孔泄洪時(shí)，各表孔水舌在挑射進(jìn)入水墊塘后在橫向上出現(xiàn)了部分搭接或碰并情況，對(duì)水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的分布有顯著影響，增設(shè)體型合理的分流齒坎后，能夠有效控制各表孔水舌之間的搭接或碰并情況，從而達(dá)到降低水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的目的。

表2 各對(duì)比方案水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)值與出現(xiàn)位置

研究中還發(fā)現(xiàn)，采用分流齒坎后，由于改變了表孔水舌的入水范圍與姿態(tài)，會(huì)對(duì)水墊塘水流流態(tài)產(chǎn)生較明顯的影響，若分流齒坎組合布置方案采用不當(dāng)，則容易導(dǎo)致水墊塘出現(xiàn)偏流流態(tài)，因此在進(jìn)行方案甄別時(shí)，除了需要關(guān)注最大沖擊壓強(qiáng)指標(biāo)外，還需要結(jié)合水墊塘內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)判，以篩除“偽優(yōu)”組合方案。

4 分流齒坎寬度的合理取值研究

利用前述1∶100 整體水工模型，開(kāi)展了分流齒坎寬度合理取值的系列試驗(yàn)研究。試驗(yàn)分兩組，第一組試驗(yàn)是在保留4#表孔采用雙側(cè)分流齒坎的前提下，研究1#表孔外側(cè)分流齒坎寬度的合理取值問(wèn)題，第二組試驗(yàn)是在保留1#表孔采用外側(cè)分流齒坎的前提下，研究4#表孔雙側(cè)分流齒坎寬度的合理取值問(wèn)題。

在系列試驗(yàn)研究中，對(duì)1#表孔外側(cè)分流齒坎采用的寬度有0、0.6、1.2、2.4、3.6、4.8、6.0 和7.2 m共8 個(gè)方案，對(duì)應(yīng)的齒槽比為0～0.417。對(duì)4#表孔外側(cè)分流齒坎采用的寬度有0、1.2、1.2、2.4、3.6、4.2、4.8 和6.0 m 共8 個(gè)方案，對(duì)應(yīng)的總齒槽比為0～0.654。分流齒坎縱向長(zhǎng)度為10.3 m，坎高為3.3 m。

圖2 繪制了第一組試驗(yàn)1#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)之間的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)：

圖2 1#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的關(guān)系

（1）對(duì)于表孔與深孔聯(lián)合泄洪的校核洪水工況，當(dāng)齒槽比為0.10～0.30 時(shí)，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)能夠控制在15.0×9.8 kPa以內(nèi)，齒槽比小于0.10或大于0.30，沖擊壓強(qiáng)最大值都會(huì)高于15.0×9.8 kPa。

（2）對(duì)于表孔單獨(dú)泄洪運(yùn)行工況（包括6 表孔全開(kāi)泄洪與1#、4#表孔泄洪運(yùn)行工況），當(dāng)齒槽比較小時(shí)（約0.05），沖擊壓強(qiáng)最大值為最高，之后大致隨齒槽比的增加而逐漸減小。當(dāng)齒槽比高于0.18時(shí)，均可使最大沖擊壓強(qiáng)控制在15.0×9.8 kPa 以內(nèi)。

（3）表深孔聯(lián)合泄洪工況下，沖擊壓強(qiáng)最大值大致位于0+200 m 附近，而表孔泄洪工況下沖擊壓強(qiáng)最大值大致在0+125 m～0+130 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)，受齒槽比變化的影響不甚明顯，只是在6 表孔泄洪工況下，當(dāng)齒槽比大于0.278 后，最大值所在樁號(hào)下移至0+150 m（此時(shí)沖擊壓強(qiáng)最大值的量值已較?。?。

（4）齒槽比變化對(duì)沖擊壓強(qiáng)最大值的橫向位置有比較明顯的影響，齒槽比越大，沖擊壓強(qiáng)最大值越偏向右側(cè)，無(wú)論是表孔單獨(dú)泄洪工況還是表深孔聯(lián)合泄洪工況均是如此，而當(dāng)齒槽比大于0.278 之后，沖擊壓強(qiáng)最大值的橫向位置則趨于穩(wěn)定。

綜上所述，對(duì)于1#表孔分流齒坎而言，齒槽比取0.18～0.3 是一個(gè)較優(yōu)的取值范圍?？梢?jiàn)，前階段提出的優(yōu)化布置方案中，1#表孔分流齒坎寬度取3.6 m，對(duì)應(yīng)的齒槽比為0.209，是合理的。

有必要指出的是，當(dāng)分流齒坎寬度較小，齒槽比約為0.05 時(shí)，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)會(huì)有明顯的增加，在表孔泄洪工況下甚至達(dá)到了30.0×9.8 kPa 以上。試驗(yàn)觀察表明，造成上述結(jié)果的主要原因在于：當(dāng)分流齒坎寬度很小時(shí)，齒坎的“分流”作用十分有限，而齒坎的存在對(duì)槽部水舌則有明顯的橫向“擠壓”作用，從而顯著影響槽部水舌的空中姿態(tài)，使之明顯向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致入水能量的過(guò)于集中所致。

當(dāng)齒槽比進(jìn)一步增加后，盡管齒坎的存在依然會(huì)有槽部水舌有一定的橫向“擠壓”作用，但“分流”作用也開(kāi)始發(fā)揮作用。上述兩種物理過(guò)程，前者會(huì)形成入池能量的集中，后者則能分散入池能量，當(dāng)“分流作用”強(qiáng)于“擠壓”作用時(shí)，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)就會(huì)得到有效控制。

當(dāng)齒槽比達(dá)到一定量值后（如0.35），最大沖擊壓強(qiáng)又會(huì)出現(xiàn)緩慢的上升，表明分流齒坎的“分流”作用已經(jīng)達(dá)到“極限”狀態(tài)，此時(shí)，相鄰孔口挑流水舌之間碰并情況的改變又成為控制最大沖擊壓強(qiáng)的重要指標(biāo)。

圖3 繪制了第二組試驗(yàn)4#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)之間的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)：

圖3 4#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的關(guān)系

（1）對(duì)于表孔與深孔聯(lián)合泄洪的校核洪水工況，當(dāng)齒槽比為0.125～0.225時(shí)，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)能夠控制在15.0×9.8 kPa 以內(nèi)，齒槽比小于0.125或大于0.225，沖擊壓強(qiáng)最大值都會(huì)高于15.0×9.8 kPa。

（2）對(duì)于表孔單獨(dú)泄洪運(yùn)行工況（包括6 表孔全開(kāi)泄洪與1#、4#表孔泄洪運(yùn)行工況），當(dāng)齒槽比較小時(shí)（約0.065），沖擊壓強(qiáng)最大值為最高，之后大致隨齒槽比的增加而逐漸減小。除齒槽比0.065 之外，試驗(yàn)范圍內(nèi)的其它齒槽比取值均可使最大沖擊壓強(qiáng)控制在15.0×9.8 kPa 以內(nèi)。

可見(jiàn)，對(duì)于4#表孔分流齒坎而言，單個(gè)分流齒坎的齒槽比取0.13～0.23 是一個(gè)較優(yōu)的取值范圍，可以使水墊塘底板最大壓強(qiáng)在不同泄洪運(yùn)行工況下，均保持較低值。

5 分流齒坎挑角的合理取值研究

在保持分流齒坎寬度與下緣高度不變的前提下，改變分流齒坎挑角，進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，研究了-5°、05、5°、10°、15°、20°、25°共7 組挑角布置方案。

圖4 為各泄洪工況下水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)與分流齒坎挑角的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖4 分流齒坎挑角與水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的關(guān)系

（1）對(duì)于表孔泄洪工況而言，分流齒坎挑角越大，越有利于抑制水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的量值。如分流齒坎采用俯角5°與挑角25°時(shí)，1#、4#表孔泄洪工況下最大沖擊壓強(qiáng)值分別為23.85×9.8 kPa、11.30×9.8 kPa，而在6 表孔泄洪工況下最大沖擊壓強(qiáng)值分別為18.45×9.8 kPa、8.10×9.8 kPa，可見(jiàn)采用較大的挑角，更能發(fā)揮分流齒坎的作用效果。

（2）在表深孔聯(lián)合泄洪工況下，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)與分流齒坎挑角并不服從單調(diào)關(guān)系，當(dāng)分流齒坎挑角為15°時(shí)，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)為最小，高于或低于15°時(shí)都會(huì)導(dǎo)致沖擊壓強(qiáng)的緩慢增大。

（3）與表孔工況相比，在表深孔聯(lián)合泄洪工況下，采用不同的分流齒坎挑角，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)的量值變化幅度則較小。如采用俯角5°、挑角15°、挑角25°時(shí)，校核洪水工況下最大沖擊壓強(qiáng)依次為14.34×9.8 kPa、11.24×9.8 kPa、12.54×9.8 kPa。分析表明，在表深孔聯(lián)合泄洪工況下，水墊塘底板的沖擊壓強(qiáng)不僅取決于表孔水舌的分散情況，而且與表孔水舌與深孔水舌的碰并情況有密切關(guān)系。表孔水流的總體分散程度較好，并不意味著與深孔進(jìn)行碰并的部分表孔水股也分散了，當(dāng)表孔分流總體分散性良好，而與深孔碰并的部分表孔水股反而更為集中時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)最大值的進(jìn)一步增大。

6 討論

結(jié)合白鶴灘水電站壩身泄洪整體水工模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了分流齒坎的布置體型與作用效果，研究發(fā)現(xiàn)在1#與4#表孔增設(shè)分流齒坎能夠有效降低水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)。盡管與二灘、溪洛渡、構(gòu)皮灘相比，分流齒坎的體型布置與具體尺寸均有所不同，但均是布置在出口為較大俯角的溢流表孔上才能取得較好的作用效果，在這方面各工程保持了良好的一致性，另外，分流齒坎挑角也均以20°為最優(yōu)［26-28］。

值得指出的是，與二灘、溪洛渡、構(gòu)皮灘水電站在較多溢流表孔上增設(shè)分流齒坎所不同，白鶴灘水電站只是在個(gè)別表孔上布置尺寸較小的分流齒坎即取得了很好的效果。從白鶴灘水電站水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布規(guī)律看，在各種運(yùn)行工況條件下，沖擊壓強(qiáng)分布較多呈現(xiàn)出尖峰形態(tài)，沖擊壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)的范圍往往局限在一個(gè)有限的較小范圍之內(nèi)，因此在個(gè)別表孔上布置分流齒坎即可達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。白鶴灘水電站設(shè)6 個(gè)表孔，表孔挑流水舌分3 層跌入下游水墊塘，因1#與4#表孔出口為俯角，其挑流水舌入水范圍對(duì)水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布具有控制性作用，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)1#與4#表孔增設(shè)分流齒坎后，水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的峰值區(qū)域范圍有所增大，而最大沖擊壓強(qiáng)的量值則有所減小，見(jiàn)圖5 所示。

圖5 增設(shè)分流齒坎前后，表孔與深孔聯(lián)合運(yùn)行條件下水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)空間分布與等值線分布的對(duì)比情況

另一方面，不同的高拱壩工程，水電站底板最大沖擊壓強(qiáng)的控制工況會(huì)有所不同，白鶴灘水電站為表深聯(lián)合泄洪工況，而構(gòu)皮灘則為表孔全開(kāi)運(yùn)行工況。因此在分流齒坎布置的原則上也會(huì)體現(xiàn)出不同。

關(guān)于分流齒坎布置的安全性問(wèn)題，無(wú)疑也是各方面關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)此，我們的基本判斷是只要精心設(shè)計(jì)并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，即可確保其運(yùn)行安全。主要原因是高拱壩表孔出口鼻坎處水流流速通常在20 m/s 左右，量值不大，發(fā)生空化空蝕破壞的潛在威脅較小。岳鵬博等［28］曾針對(duì)烏東德水電站表孔分流齒坎進(jìn)行了減壓試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，只要采用一定半徑的反弧連接壩面與分流齒坎，即可平順?biāo)?，顯著改善分流齒坎區(qū)的空化特性。另一方面，還可通過(guò)設(shè)置通氣孔以避免分流齒坎的側(cè)面出現(xiàn)空化，具體可參考二灘水電站［26］。

7 結(jié)論

在高拱壩工程溢流表孔上設(shè)置分流齒坎具有分散水舌能量、降低下游水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的作用，是一種頗具競(jìng)爭(zhēng)力的體型優(yōu)化技術(shù)措施。本文結(jié)合采用白鶴灘水電站可研階段壩身泄洪水工模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了溢流表孔分流齒坎的布置方法、細(xì)部結(jié)構(gòu)體型及其作用效果，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于該工程而言，1#表孔出口采用外側(cè)單邊齒坎、4#表孔出口采用雙側(cè)邊齒坎的分流齒坎布置方法，是降低下游水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的較優(yōu)布置方案。針對(duì)分流齒坎的寬度與挑角開(kāi)展的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)分流齒坎的寬度宜取表孔出口寬度的0.18～0.23 倍、挑角宜采用15°～20°，是較優(yōu)的細(xì)部結(jié)構(gòu)布置參數(shù)，上述研究成果可供類似工程參考。