羅 暢，徐 威，杜少磊，張文皎

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐是孔庫(kù)雷河(Konkouré)干流河段水電規(guī)劃的第二個(gè)梯級(jí)，水庫(kù)總庫(kù)容74.89億m3，裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量2 016 GWh。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程215.50 m，壩頂長(zhǎng)度1 164 m，最大壩高120.5 m。工程為Ⅰ等大(1)型，大壩按1 000年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核，正常蓄水位210 m，設(shè)計(jì)洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，極端最高洪水位214.42 m，校核洪水位樞紐總下泄流量為4 458 m3/s，溢流壩下泄流量為2 410 m3/s，泄洪底孔泄量為2 048 m3/s。樞紐建筑物主要包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、泄流底孔、發(fā)電引水壩段、發(fā)電廠房等工程。

泄洪底孔壩段長(zhǎng)25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬19.20 m。泄流底孔左側(cè)為導(dǎo)流底孔壩段和廠房壩段，右側(cè)為溢流壩段(見(jiàn)圖1)。泄流底孔為短有壓進(jìn)口的壩身無(wú)壓泄水孔，分為2孔，進(jìn)口體型為橢圓曲線，進(jìn)口底坎高程130 m，進(jìn)口段后設(shè)置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門(mén)和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門(mén)各一道，壓坡段位于弧形閘門(mén)上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門(mén)與弧形閘門(mén)之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過(guò)排水管流向下部的基礎(chǔ)廊道。工作弧門(mén)后設(shè)置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側(cè)各設(shè)0.5 m的突擴(kuò)，跌坎內(nèi)埋設(shè)2個(gè)直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長(zhǎng)64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎挑角30°，鼻坎頂高程為125.958 m。

1 泄流能力

泄流底孔為短有壓進(jìn)口的壩身無(wú)壓泄水孔，泄流能力按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，并與模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)表1)。

表1 泄洪底孔泄流能力計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

可以看出，計(jì)算值與模型試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，試驗(yàn)值比計(jì)算值稍大。

2 摻氣減蝕

泄流底孔最大運(yùn)行水頭83.56 m，泄槽最大流速超過(guò)35 m/s，高速水流和空化空蝕問(wèn)題比較突出。有壓出口段多采用側(cè)向突擴(kuò)、底部突跌的摻氣設(shè)施，水舌離開(kāi)門(mén)座后沿豎直與水平兩個(gè)方向擴(kuò)散，在一定條件下可形成相互貫通的側(cè)空腔和底空腔，使水流摻氣，對(duì)下游固壁形成保護(hù)，但也可能惡化流態(tài)，引發(fā)空化、空蝕等問(wèn)題，其主要原因是進(jìn)氣不暢、過(guò)流邊界的施工不平整度過(guò)大等。

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦的突擴(kuò)和跌坎體型參考尺寸，并參考其他工程的突擴(kuò)突跌布置實(shí)例，泄流底孔弧門(mén)后側(cè)擴(kuò)的寬度為0.5 m，跌坎的高度為1.2 m。

模型試驗(yàn)對(duì)泄流底孔的摻氣措施進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)突擴(kuò)突跌后的水流流態(tài)，空腔長(zhǎng)度，流道壓力，通氣孔風(fēng)速，摻氣濃度等進(jìn)行了觀測(cè)(見(jiàn)圖2)。模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，閘孔后突擴(kuò)和跌坎體型能在左右兩側(cè)和跌坎處形成空腔，空腔范圍隨水位升高增大，兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅。模型試驗(yàn)觀測(cè)到上游水位150～180 m時(shí)，弧門(mén)出口兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅，水位達(dá)到正常蓄水位和校核水位時(shí)水翅高度明顯減小。各水位條件下兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅均位于門(mén)鉸下游，且未觸及門(mén)鉸，水位越高，產(chǎn)生水翅位置距離門(mén)鉸越遠(yuǎn)。

圖2 泄流底孔突擴(kuò)突跌布置圖

模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，底板斜坡段的空腔末端位置，出現(xiàn)較小負(fù)壓值，最大負(fù)壓為0.42 m水柱，兩邊側(cè)墻空腔末端位置，也出現(xiàn)較小負(fù)壓值，最大負(fù)壓為0.65 m水柱。底板水舌射流沖擊區(qū)，底板壓力出現(xiàn)一個(gè)峰值，而后壓力值沿程減小，至挑流鼻坎反弧段由于離心力導(dǎo)致底板壓力增大。校核洪水時(shí)射流最大沖擊壓力達(dá)到14.2 m水柱，反弧段最大壓力達(dá)到21.7 m。底孔壓力段壓力分布均勻，且符合正常分布規(guī)律，體型設(shè)計(jì)合理。

模型試驗(yàn)觀測(cè)正常蓄水位和校核洪水的工況下均形成穩(wěn)定而完整的空腔，正常蓄水位底空腔長(zhǎng)度約25.5 m，左右側(cè)通氣孔風(fēng)速為15.84 m/s和16.40 m/s，校核水位底空腔長(zhǎng)度約26 m。左右側(cè)通氣孔風(fēng)速為16.73 m/s和16.42 m/s。

模型試驗(yàn)對(duì)正常蓄水位和校核洪水的工況下的摻氣濃度進(jìn)行了測(cè)量，下游底部水流摻氣濃度沿程衰減，至跌坎下游約70 m遠(yuǎn)處摻氣濃度仍接近3%，鼻坎末端大于3%，表明摻氣設(shè)施對(duì)泄槽斜坡段具有較好的摻氣保護(hù)能力。由于水流出閘孔后受體型突擴(kuò)影響，水舌在側(cè)向增加摻氣，水舌沖擊側(cè)墻后也形成充分摻氣。模型試驗(yàn)的結(jié)果表明摻氣減蝕設(shè)施可形成穩(wěn)定而完整的空腔，對(duì)底孔明流斜坡段具有較好的減蝕保護(hù)效果。

3 挑流消能

在中、高水頭的泄水建筑物中，下泄水流的動(dòng)能較大，工程中常采用挑流消能的方式，其特點(diǎn)是：泄水建筑物泄放的高速水流為挑坎所導(dǎo)引，將水流先拋射到空中，水流在空中摻入大量空氣，形成逐漸擴(kuò)散的水舌，然后在距壩趾較遠(yuǎn)處落入下游水墊中；水舌在水墊中繼續(xù)擴(kuò)散，并在主流前后形成兩個(gè)大漩流，同時(shí)消散大部分動(dòng)能；當(dāng)擴(kuò)散水舌的沖刷能力大于河床抗沖能力時(shí)，河床變形，形成沖刷坑，直至水流的沖刷能力小于河床抗沖刷能力時(shí)，沖刷坑才能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)泄水建筑物下游地質(zhì)條件較好時(shí)，為充分利用下游河道的抗沖刷能力，采用挑流消能方式是比較經(jīng)濟(jì)合理的。挑流水舌在空中受大氣的拖曳和卷吸作用發(fā)生破碎，并在與下游水體碰撞時(shí)產(chǎn)生激濺，霧化降雨難以避免。考慮到蘇阿皮蒂水利樞紐壩址位置河道較寬，地形坡度較緩，且距離發(fā)電廠房也有一定距離，泄洪霧化對(duì)環(huán)境和重要建筑物不會(huì)產(chǎn)生太大影響，因此選擇挑流消能作為泄流底孔的消能方式。

挑流消能水力計(jì)算的主要任務(wù)有：根據(jù)水力條件，確定挑坎體型、計(jì)算水舌挑距、估算沖刷深度等。

連續(xù)挑坎施工簡(jiǎn)便，不易空蝕，但其水流較集中，對(duì)下游河床沖刷不利，考慮到下游河床薄覆蓋層以下為堅(jiān)硬的輝綠巖，巖石的平均飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)170 MPa，抗沖刷能力較強(qiáng)，地質(zhì)條件較好，泄流底孔泄槽末端挑坎采用連續(xù)擴(kuò)散式挑坎。同時(shí)考慮泄流底孔右側(cè)為溢流壩段，左側(cè)為發(fā)電廠房，擴(kuò)散也不宜太寬。

挑流消能的水舌挑距和沖刷深度根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，并與模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)表2)。

表2 泄洪底孔挑流消能挑距與沖坑深計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上比較結(jié)果可以看出，挑距計(jì)算值與模型試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，沖坑計(jì)算值與模型試驗(yàn)的結(jié)果差異較大。出現(xiàn)這種情況的原因，除了挑流水舌的表面和挑坎挑射角度不同，最重要的復(fù)雜因素是挑流水舌在空氣中的摻氣擴(kuò)散作用，水舌挑離挑坎已經(jīng)摻氣，拋射到空氣中后又進(jìn)行摻氣擴(kuò)散，情況極為復(fù)雜。但是沖刷深度無(wú)論是計(jì)算值還是試驗(yàn)值，沖坑上游坡度均大于1/2.5，不影響壩趾基巖穩(wěn)定，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

蘇阿皮蒂水電站的泄流底孔承擔(dān)宣泄洪水保證大壩安全的重要任務(wù)，其水力特性復(fù)雜，通過(guò)理論計(jì)算并通過(guò)模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，泄流底孔的泄量計(jì)算值與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致，突擴(kuò)突跌的摻氣體型能夠達(dá)到摻氣減蝕的效果，挑流消能的計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的結(jié)果稍有差異，但不影響壩趾基巖穩(wěn)定。