辜晉德，徐建榮，彭 育，薛 陽，趙建鈞, 顏志慶

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029； 2.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司, 杭州 310014)

1 研究背景

我國西南地區(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，壩身泄流量、泄洪功率均達到世界頂級水平，泄洪消能問題十分突出，泄洪安全問題成為了拱壩設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。20世紀90年代建成的二灘水電站，壩高超過200 m，通過大量技術(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，同時也提出了“水墊塘動水沖擊壓力不高于15×9.8 kPa”的水墊塘安全控制標準，為高壩建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗，其消能模式及控制標準也被許多水電工程采用[2-3]。隨著工程技術(shù)的進步，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，基于分散水舌的原則，提出了各具特色的消能布置方式[4]。對于出口流速較高的深孔，水舌落水點可通過調(diào)整深孔挑角實現(xiàn)縱向分散；而表孔出口流速較低，水舌落水點可調(diào)整范圍有限，再加上拱壩體型的特點，水舌容易向心集中。因而表孔的布置大多配合一些促進橫向擴散的措施，同時相鄰孔口挑角(俯角)不能太接近，以避免水舌橫向交疊。表1列舉了國內(nèi)部分大型拱壩的消能布置參數(shù)，其中如錦屏一級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，降低碰撞霧化效應的同時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，以實現(xiàn)水舌的縱向分散。文獻[7]統(tǒng)計了部分國內(nèi)外大型水電工程的水墊塘消能參數(shù)，指出當水墊塘水體消能率低于15 kW/m3時，通過合理的布置基本能將水墊塘動水沖擊壓力控制在15×9.8 kPa以內(nèi)。

表1 國內(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)位居同類工程前列，水墊塘單位水體消能率更是高達17 kW/m3，高于表1中所列的同類工程，下游消能問題突出，其使用的孔口非對稱布置方式在同規(guī)模的工程中尚屬首創(chuàng)。本文通過物理模型試驗對不對稱布置下的水墊塘消能問題進行了研究，為同類工程消能布置方案提供參考。

2 非對稱方案的提出

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，呈不對稱“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，洪峰經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后下泄流量仍然達到44 197 m3/s，壩身泄量達到30 000 m3/s，根據(jù)工程實際情況，壩身設(shè)置6個表孔、7個深孔泄洪，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看，白鶴灘工程與溪洛渡相當，但受地形限制，白鶴灘溢流寬度較小，溢流壩段僅能布置6個表孔，這就意味著泄洪單寬流量更大，消能難度更高。當泄洪表孔數(shù)量為偶數(shù)時，若采用對稱布置方式，則無論如何排布，由于拱壩的向心作用及水舌的橫向擴散，中間兩表孔下泄水流不可避免地會在水墊塘中重疊，導致局部壓力過大。若加設(shè)齒坎或可促進水舌縱向分散，但對齒坎附近的局部空化問題則需要進一步研究[14]。因此，根據(jù)分散水舌的原則，提出一種非對稱的交錯布置方式：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水流橫向擴散，挑距最遠；3#表孔及6#表孔采用15°俯角，水舌落點位于前2組水舌之間。該布置方案通過不同俯角將水舌縱向分為3層，落點位于同一層的水舌之間間隔2個表孔的寬度，相鄰孔口之間挑角差距為20°～40°，避免了水舌重疊，同時充分利用了水墊塘消能空間[15]。

相對于表孔，深孔水舌具有出口流速高、空中挑距長的特點，采用對稱布置方式，通過調(diào)整挑角控制水舌落點。壩身表孔與深孔間隔布置，深孔布置在表孔閘墩內(nèi)，7個深孔溢流前緣在平面上近似呈弧線左右對稱布置。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；出口后弧形閘門邊墻向兩邊各突擴0.6 m，擴散角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，孔身軸線在控制點前采用徑向布置，孔身軸線在控制點后偏轉(zhuǎn)角分別為：+1°、+3°、+4°、-4°、-2°。

3 水工模型試驗結(jié)果及分析

3.1 原布置方案試驗

為了驗證白鶴灘壩身泄洪孔口非對稱布置方式的合理性，南京水利科學研究院根據(jù)設(shè)計方案建立了白鶴灘1∶50整體水工模型，對壩身布置方案的合理性進行了試驗驗證。

壩身各表孔單獨泄洪時的水舌落水點如圖1所示。從圖1可以看出，表孔水舌落水點分為3組，各組水舌落點之間有明顯距離，同組水舌之間沒有明顯重疊。深孔水舌呈V型排布，中間深孔挑距最遠，兩側(cè)深孔挑距最近，水舌之間層次分明。表、深孔水舌落水點分布合理，試驗過程中可以觀測到，當表、深孔水舌各自單獨泄洪時，水墊塘內(nèi)流態(tài)平順，沒有明顯不良流態(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(見圖2)，表孔水舌與深孔水舌在空中碰撞后分散進入水墊塘。由于表、深孔的交錯布置，每一股表孔水舌均與2～3個深孔水舌碰撞，表、深孔水舌碰撞后合并為一團水霧跌落水墊塘，水墊塘水流紊動劇烈。

圖1 表孔水舌落點分布

圖2 表、深孔聯(lián)合泄流水舌流態(tài)

水墊塘底板上的動水沖擊壓力是水墊塘安全評估的主要參數(shù)，也是泄洪消能布置方式是否合理的重要指標。為了測量水墊塘底板動水沖擊壓力，在模型水墊塘底部安裝1 000個測壓管及300余個脈動壓力傳感器，對泄洪時的底板動水壓力及脈動壓力進行了高密度測量。

為了便于描述，在水墊塘建立平面坐標：以壩軸線為x軸，以水墊塘縱向為y軸，壩軸線與水墊塘中心線交點為原點，水墊塘左側(cè)為負，右側(cè)為正。模型實測動水沖擊壓力Δp如圖3所示。試驗結(jié)果表明，當表孔單獨泄洪時，1#表孔落水點靠近水墊塘左側(cè)邊壁，水墊相對較淺，導致1#表孔落水點附近出現(xiàn)明顯沖擊壓力，壓力峰值約為10×9.8 kPa；深孔單獨泄洪時，水墊塘底部沒有發(fā)現(xiàn)明顯沖擊壓力；表、深孔聯(lián)合泄洪時，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，位置坐標為(-29,190) m，右側(cè)沖擊壓力峰值為15.7×9.8 kPa，位置坐標為(12,190) m，同時也可以測量到該位置脈動壓力均方根值超過10×9.8 kPa。試驗結(jié)果表明，表孔和深孔各自單獨泄洪時，水舌分散合理，水墊塘流態(tài)良好；表、深孔聯(lián)合泄洪時，在壩身泄量達到30 000 m3/s的情況下，通過碰撞消能可將水墊塘沖擊壓力峰值控制在15.7×9.8 kPa，僅略高于控制標準15×9.8 kPa。由此說明表孔不對稱的泄洪消能布置方式基本合理，但在表、深孔聯(lián)合泄洪時安全裕度不足，仍需要進一步優(yōu)化。

圖3 表、深孔聯(lián)合泄洪水墊塘動水沖擊壓力分布

3.2 優(yōu)化方案試驗

從試驗數(shù)據(jù)來看，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，在開啟7個深孔的同時，分別以不同的組合方式開啟右側(cè)3個表孔，并測量水墊塘內(nèi)的動水壓力。不同組合方式下水墊塘動水沖擊壓力峰值及峰值點坐標見表2所示。

表2 不同開啟組合水墊塘動水沖擊壓力

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，右側(cè)任意一個表孔與深孔組合下泄時，水墊塘內(nèi)沒有明顯沖擊壓力出現(xiàn)；2個表孔組合時，僅5#表孔及6#表孔組合時，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)的位置坐標為(18,190) m；右側(cè)3個表孔同時開啟時，沖擊壓力峰值為15.6×9.8 kPa，出現(xiàn)位置坐標為(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，碰撞點較高，因而碰撞效果較好，從試驗結(jié)果也可以看出4#表孔的加入并沒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#表孔水舌間距將進一步減小，同時2個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在一定范圍內(nèi)重疊，從而導致局部沖擊壓力增大[16]。

結(jié)合表孔水舌軌跡的分析，降低水墊塘動水沖擊壓力應從分散5#和6#表孔水舌著手。由于表孔溢流堰流程較短，進一步增大5#表孔挑角對水舌挑距的影響有限，因此嘗試增大6#表孔的俯角。從水舌軌跡來分析，當6#表孔俯角調(diào)整為25°時，水舌軌跡的剖面投影大致位于4#及5#表孔水舌中間，同時增大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°，在校核工況下對水墊塘動水沖擊壓力進行了測量。試驗表明，調(diào)整6#表孔俯角后，水墊塘動水沖擊壓力峰值為14.6×9.8 kPa，峰值位置坐標為(24,185) m。調(diào)整后動水沖擊壓力略有降低，雖然可以滿足水墊塘動水沖擊壓力不大于15×9.8 kPa的要求，但安全裕度不足，仍需進一步優(yōu)化。

從表孔水舌軌跡來看，繼續(xù)加大表孔俯角可能增大表孔單獨泄洪時的動水壓力，縱向上優(yōu)化的空間較小。觀察水墊塘動水壓力分布(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)在水墊塘中心線附近動水沖擊壓力較小，說明下泄水流橫向上仍有較大的調(diào)整空間。進一步的優(yōu)化應結(jié)合深孔平面布置進行調(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#表孔水舌入水坐標大約在y=130～140 m附近，與其有碰撞的5#—7#深孔水舌落水點在y=160～200 m范圍內(nèi)，正對應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

實際上在試驗過程中，深孔的挑角布置方案使水舌落水點呈“V”型分散，同組水舌橫向上仍有較大的空間。因此針對水墊塘右側(cè)沖擊壓力集中的問題，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，以削減水墊塘右側(cè)沖擊壓力。試驗比較了5#、6#深孔平面偏轉(zhuǎn)角分別為(2°、1°)、(1°、1°)和(0°、0°)3種方案，各方案下水墊塘動水沖擊壓力峰值見表3。試驗結(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，當5#深孔及6#深孔偏轉(zhuǎn)角為0°時，水墊塘動水沖擊壓力峰值為11.1×9.8 kPa，最大脈動壓力均方根值為8.7×9.8 kPa。

表3 優(yōu)化方案水墊塘動水沖擊壓力

試驗最終推薦在原不對稱布置方案的基礎(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°。試驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的不對稱布置方案不僅在表深孔水舌單獨泄洪時可以有效避免水舌重疊，同時也能滿足壩身大功率泄洪時水墊塘安全控制指標，是一種高效合理的泄洪消能布置方式。

4 結(jié) 語

白鶴灘水電站具有高水頭、大流量的特點，屬于典型的巨型水電工程，同時壩身溢流前沿短，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組非對稱排布，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。模型試驗研究發(fā)現(xiàn)表孔不對稱排布導致表、深孔聯(lián)合泄洪時局部碰撞不充分，引起水墊塘局部壓力過大。通過調(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足不同泄洪工況下的水墊塘安全要求，為解決類似工程的泄洪消能問題提供了參考。