郭學(xué)仲，王 影，趙 青

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

高150m左右的拱壩工程共同特點是上游一般是暴雨區(qū)，洪水來流量大；壩下游河谷狹窄、山高坡陡。壩頂設(shè)3個溢流表孔，壩身不設(shè)或設(shè)一個、兩個中孔，洪水全部由壩身下泄，泄洪能量完全由壩下游水墊承擔，對壩下游產(chǎn)生較大的射流沖擊。因此表孔末端的挑流體形是消能的關(guān)鍵。由于高速水流具有靈敏性，故利用各孔不同形式的差動坎，使水流導(dǎo)向和水股變形，對高速水股進行定向拋射，達到空中擴散消能，并跌入位置適宜的下游水墊中。使水下不疊加、不集中，分散消能，減少入水單寬流量，從而減小水墊塘底板受力或壩下游河床沖深。

1 差動坎的參數(shù)選擇

以四川某工程為例，最大壩高127m，最大泄流量3286m3/s，壩頂設(shè)3個溢流表孔，孔寬12m。原方案為挑流消能，泄洪時水舌入水較集中呈“一”排開，使壩下游沖深達22.0m。推薦方案是3個表孔為俯沖跌流式、出口末端設(shè)異型差動齒坎和壩下設(shè)水墊塘消能形式。

為減少工程量，節(jié)省投資，要求盡可能地降低二道壩的高程和減少水墊塘的長度。因此，若使水墊塘底板受力小，則須水舌落水適當橫向擴散充滿河道，縱向拉開增大入水范圍，充分利用下游有限的水體消能，減小入水單寬流量。但由于河道狹窄加之拱壩各孔射流向心集中的作用，要實現(xiàn)水舌橫向、縱向有較大的擴散，難度很大。為此，利用異型差動齒坎 （即各表孔選擇不同形式的差動坎），分散來流水股，讓水舌入水分區(qū)分層，沿弧線散開。通常在左右兩個邊孔設(shè)挑流坎，在中間孔設(shè)跌流坎。

1.1 差動齒坎高度的確定

由于表孔堰面出口為俯角35°，需控制表孔末端各差動坎上水舌的挑距，才能使各孔水舌入水分區(qū)。因此，根據(jù)質(zhì)點運動的拋射理論，得到水舌在從挑坎挑出至落入下游水面運動期間的水舌挑距可按下式估算[1]：

式中 L—水舌挑距，m，考慮拱壩水流向心集中影響，則L還應(yīng)乘以0.90～0.95的折減系數(shù)；v1—坎頂水面流速，m/s；v—坎頂平均流速，m/s；H0—水庫水位至坎頂?shù)穆洳睿琺；θ—挑坎的挑角，°；h1—坎頂豎直方向水深，m；h—坎頂平均水深，m；h2—坎頂至水墊塘底板高差，m； φ—堰面流速系數(shù)，采用東勘院的經(jīng)驗公式

其中，S1為堰面流程，m。

式（1）中，由于h2遠大于h1，故可不計h1值，則

根據(jù)式（2），先假設(shè)各孔水舌入水挑距L1，再計算得各孔差動齒坎的挑角角度，并確定坎高。

而中孔的跌流坎和各孔齒槽的水舌射距按自由跌落消能估算：

式中 Ld—射距，m；q—單寬流量，m3/s；z—跌坎至水墊塘底板高差，m。

根據(jù)式（3），設(shè)中孔水舌入水射距Ld，再計算得跌流坎的坎高，同時確定俯角角度。

1.2 差動坎寬、齒槽寬度選擇及布置

為了便于施工機械使用，一般要求齒槽寬度最小為2.0m。因此取左右兩個邊孔齒槽寬2.0m，坎寬10.0m；中間孔坎寬取孔寬的一半為6.0m，置于孔中，則兩邊齒槽寬各3.0m。兩個邊孔差動坎置于靠中墩一側(cè)，與兩個邊墩構(gòu)成齒槽。

1.3 試驗驗證

依以上設(shè)計得到的各孔差動坎的體型參數(shù)，經(jīng)過模型試驗觀測，根據(jù)水墊塘設(shè)計標準，按水墊塘底板最大時均沖擊動水壓力△P＜15×9.81kPa（混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范的允許值）的控制標準，檢驗差動坎的體型參數(shù)的合理性；如果△P＞15×9.81kPa，則根據(jù)水舌流態(tài)、水墊塘底板受力區(qū)域的分布特征，調(diào)整差動坎挑（跌）角角度，使△P值滿足要求。還可進一步優(yōu)化各孔差動坎的體型參數(shù)，并達到降低二道壩高程、減少水墊塘長度的目的，為設(shè)計單位推薦一個經(jīng)濟、合理的拱壩消能方案。

2 流態(tài)特征

模型試驗觀測到，每孔水舌都發(fā)生兩種出流流態(tài)，一是挑流齒坎上的挑流，它將水流挑落在下游較遠的水墊中；另一種是齒槽水流，它沿著堰面俯角跌落在距壩較近的水墊中。兩邊孔挑流坎的側(cè)向擴散使流經(jīng)齒面的孔口水流在空中側(cè)向交匯，并與齒槽水流連成一體，各自形成近似1/4橢圓形水舌，兩邊孔水舌在下游水面搭接，形成大缺口橢圓弧線。中間孔水流在跌流坎兩側(cè)擴散作用下，與其兩側(cè)齒槽水流連成一體，形成小缺口橢圓形弧線跌落于水面。由于左右兩邊孔差動坎挑流角度不同，故其所形成的大缺口橢圓弧線不具對稱性。

由于3股水流在3個不同差動坎的作用下，被橫向、縱向拉開，水舌分層出流、分區(qū)入水，呈線狀跌入水墊塘，入水范圍增大，動水墊作用加強，入水單寬流量減小了，使塘底板受力減小。

水墊塘內(nèi)多股射流沖擊底板，在擴散運動中，其底部相互影響復(fù)雜多變，相互交匯，又受到水墊塘邊壁的碰撞折沖，使水墊塘內(nèi)水流紊動劇烈，水面跌宕起伏，并摻有大量空氣。水墊塘內(nèi)水流分為4個區(qū)域：（1）靜水區(qū)，在壩腳到射流水舌之間區(qū)域，水面基本平穩(wěn)，有水面波動和回流；（2）射流入水區(qū)，此區(qū)水流波動劇烈，水滴飛濺；（3）回流區(qū)，在水舌入水前后，沿水墊塘兩側(cè)邊坡形成回流；（4）旋滾區(qū)，在水舌入水與二道壩之間，水體挾帶著大量的氣體，水團翻滾，摻混剪切、擴散。

3 水墊塘底板受力

從水墊塘底板最大時均沖擊動水壓力△P的等值線分布（如圖1）可以看出：各孔水舌入水沖擊底板時，沿近似橢圓曲線分布的區(qū)域，1號孔和3號孔形成的外缺口橢圓弧線（在0+55m～0+78m范圍），2號孔水舌形成較明顯的小缺口橢圓軌跡（在0+55～0+70m之間），完全再現(xiàn)了水舌入水流態(tài)的特點。當水墊塘設(shè)計標準、500年一遇洪水，流量Q=3085m3/s時，水墊塘底板最大時均沖擊動水壓力△P=11.09×9.81kPa，滿足混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范的允許值。

4 工程應(yīng)用實例

圖1 水墊塘底板動水沖擊壓力等值線圖

云南某一工程為混凝土雙曲拱壩，最大壩高116m。壩頂設(shè)3個俯沖式跌流泄洪表孔，每孔凈寬12m。深孔位于主河床處的壩身中部，設(shè)兩孔，孔口尺寸3.5m×5.5m，水墊塘寬37.2m、長112m。工程具有落水集中、消能區(qū)河道狹窄的特點。

修改方案是在原方案表孔堰面出口設(shè)異型差動齒坎，試驗觀測到，3表孔單獨泄洪 （深孔不參與）時，由于壩下游河谷狹窄、山高坡陡，泄洪水流砸擊岸坡現(xiàn)象嚴重。因泄流量的要求，表孔的溢流寬度不能減小，但又必須限制泄洪水舌的入水寬度，因此采取側(cè)收縮措施，即讓左右兩邊孔的邊墩向拱中心收縮，右孔右側(cè) 、左孔左側(cè)各向孔中收縮1.0m，收縮角度10°，使水舌落入河道內(nèi)。但受側(cè)收縮的影響，所形成的入水單寬流量增大，致使壩下游水墊塘底板最大時均沖擊動水壓力超過15×9.81kPa。如果為減小底板受力而加高水墊塘下游二道壩的高程（二道壩高10m），這樣會使工程量加大、增加投資。為此加大左右兩孔挑坎角度（挑角20°），即坎的高度增加 （高3.5m、寬9.0m），使側(cè)收縮的邊墩與差動坎間形成不對稱的3m寬窄縫，窄縫使左右兩孔水舌外側(cè)立體分層出流，與坎上水舌搭接形成橫著的“L”線形，左右兩孔水舌空中交匯，在水面連成“凹”形弧線，中間孔水舌獨自形成小缺口橢圓弧線跌落于水面。由于3表孔泄洪水舌分區(qū)、分層，使設(shè)計洪水500年一遇、泄流量Q=3526m3/s時，水墊塘底板最大動水沖擊壓力△P=12.67×9.81kPa，滿足規(guī)范要求。

云南另外一工程為碾壓混凝土拱壩，壩高167.50m，壩頂中央設(shè)3個表孔，孔寬12m；兩個沖沙中孔置于表孔中墩底部，出口控制斷面為3.0m×4.5m。原方案表孔中墩末端的挑流鼻坎做成窄縫，便于集中水流與中孔射流水舌互相碰撞，水墊塘底寬46m，長174m，水墊塘二道壩高35m。工程仍具有壩高、落水集中、消能區(qū)河道狹窄等特點。

試驗主要內(nèi)容為：調(diào)整表、中孔消能形式，降低二道壩高程，減少工程量、減小投資。

試驗研究在3表孔采取了異型差動齒坎、在左右兩邊孔加側(cè)收縮的消能形式，兩個沖沙中孔采用窄縫消能形式，將二道壩高降低到23m。即堰面出口俯角35°，左、右邊孔坎寬9.86m、高2.45m、俯角5°，置于孔靠中墩側(cè)。在其上，同一起點各設(shè)一挑角5°的小挑坎，寬5m、高0.7m，置于差動坎上中墩的另一側(cè)。中間孔坎寬7.0m、高1.34m、俯角20°，位于孔中。左邊孔左側(cè)、右邊孔右側(cè)各向孔中收縮1.7m，收縮角度12°，左、右邊墩與差動齒坎間縫寬2.0m。兩沖沙中孔孔底高程1365.0m、孔口尺寸3.0m×4.5m，突擴、突跌形式不變。僅對出口段進行修改，將擴散段改為直段，跌坎后改為1∶5的斜坡，出口高程為1362.02m，寬3.8m。后接窄縫消能形式：收縮段長6.0m，收縮比為0.53，出口寬2.0m。

試驗觀測到，在差動齒坎挑流的作用下，分散來流水股，使其跌落于水面的弧線碰撞，但不疊加，兩邊表孔和中表孔水舌以半橢圓弧跌落于壩下水墊塘。兩沖沙中孔受窄縫收縮影響，兩孔水舌各呈掃帚狀撒向塘內(nèi)，先與表孔中間孔水舌碰撞，再與左右兩表孔碰撞，使水舌落水橫向擴散充滿河寬，縱向拉開。當渲泄消能防沖設(shè)計100年一遇洪水、泄流量Q=3660m3/s時，出塘水流與下游河道水流較平順銜接。水墊塘底板最大時均動水沖擊壓力△P=13.11×9.81kPa，該消能方案滿足設(shè)計單位要求。

此外，重慶某工程混凝土雙曲拱壩，最大壩高160m。3個泄流表孔每孔凈寬12m，也采用了異型差動齒坎加側(cè)收縮的消能和跌流加水墊塘消能形式，使在消能防沖設(shè)計100年一遇洪水、泄流量Q=2842m3/s時，底板最大時均動水沖擊壓力△P為11.92×9.81kPa，滿足規(guī)范要求。