周望武

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

碾壓混凝土筑壩技術在世界大壩建設中得到了大力發(fā)展和廣泛應用[1]，階梯泄洪建筑物隨著RCC筑壩技術的發(fā)展得以在越來越多的工程中采用。下泄水流經(jīng)階梯泄洪建筑物時，通過其階梯底部時發(fā)生的橫向旋滾，水流的劇烈紊動及表面摻氣，使水流很大一部分能量消耗在臺階溢流面上，從而有效減少下游消能設施的結(jié)構(gòu)尺寸，降低工程規(guī)模及工程投資[2]。本文所述梅州抽水蓄能電站下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，若采用平滑溢流壩泄洪，為了消除水流過壩所形成的能量，一般會采用挑流利用下游水墊消能或在下游修建消力池進行水躍消能。與傳統(tǒng)溢流壩消能方式相比，階梯溢流壩具有更突出的優(yōu)勢，階梯溢流壩配合RCC筑壩技術具有易施工、工期短、投資省等特點。

1 概 況

梅州抽水蓄能電站下水庫大壩頂高程419.00 m，正常蓄水位413.50 m，死水位383.00 m，正常蓄水位時庫容4 382×104m3。泄洪建筑物布置于大壩河床部位，由表孔和底孔組成。表孔采用無閘門控制的階梯溢洪道，堰頂高程同正常蓄水位，共2孔，單孔凈寬12 m，總凈寬24.0 m。表孔堰面曲線為WES型曲線，下接階梯泄槽，泄槽坡比1∶0.75，單級階梯高度為1.2 m，水平長度0.9 m；階梯后接下游護坦，護坦高程340.00 m。底孔布置在兩表孔中間，寬度2.5 m，采用短有壓進口，進口高程378.00 m，出口高程377.074 m。泄洪建筑物平面及典型剖面見圖1。

通過試驗，復核泄洪建筑物泄流能力，測驗泄洪建筑物泄洪時的水力特性，觀測下泄水流對下游河床的沖刷情況，論證泄洪建筑設計方案并提出優(yōu)化建議。主要試驗工況見表1。

圖1 泄洪建筑物平面及剖面圖

表1 試驗工況

2 試驗模型

試驗模型依據(jù)重力相似準則設計[3]，采用正態(tài)模型，比尺為1∶30。相應其他物理量比尺見表2。

表2 模型比尺

3 原設計方案試驗

原方案3種特征工況成果表明，階梯溢流面單寬流量3.3～12 m3/(s·m)。階梯初始摻氣位置隨下泄流量的增加而向下游移動，摻氣充分后的階梯面水流為滑移流[5]。階梯角隅內(nèi)形成穩(wěn)定的漩渦，水流剪切作用明顯，大量摻氣。由于尾部階梯與護擔采用的是折線連接，而下游護坦處水墊較淺，水流到達護坦后向上躍起，部分水流脫離護坦面，水流銜接不理想。當表孔單寬流量小于1.0 m3/(s·m)時，階梯前部水流濺起砸落在階梯上，沒有形成均勻滑移流。消能防沖設計水位時，護坦末端沖刷深度小于0.80 m，護坦后左右岸邊最大沖刷深度分別為1.08和1.62 m。

底孔水流出坎后拋射至下游，水舌入水點較集中，下游動床最大沖刷坑由底孔泄洪形成，最大沖深8.2 m。底孔挑坎出口(377.074 m)至護坦面(340.00 m)有37.074 m的高差，布置上欠協(xié)調(diào)。流態(tài)見圖2。

由此可見，需要解決下游護坦水流脫空、小流量階梯前部水流挑起、底孔出口布置欠協(xié)調(diào)以及底孔水舌入水點較集中的問題，需對原設計方案進行修改。

4 底孔優(yōu)化試驗

對底孔縱剖面進行調(diào)整，仍采用短有壓進口，后接斜坡段，出口采用反弧連接，出坎高程降至350.00 m。修改方案見圖3。

圖2 原方案流態(tài)圖

圖3 底孔剖面圖

底孔縱向布置型式改變后(主要體現(xiàn)在出口高程降低)，通過試驗實測底孔出口流速由原方案的25.6 m/s增大至30.6 m/s，水舌入水角度由原方案的35°減小至18°，水舌入水較集中，動床最大沖刷深度由原方案的8.2 m增大至9.5 m，且岸邊也有淘刷，需要對底孔挑坎體型進行修改。流態(tài)見圖4(a)。

窄縫消能工利用挑坎段邊墻收縮來改變射流水舌運動軌跡，可使挑射水舌沿縱向拉開分散入水，挑射水舌窄而高，與空氣接觸面大，消能效率高，可大大減輕對下游河道的沖刷[6-7]。經(jīng)底孔出口窄縫多方案比選，最后確定窄縫挑坎方案為：兩側(cè)對稱收縮，每邊收縮0.6 m，出口寬度為1.30 m，收縮比b/B=0.52。

試驗成果表明，底孔出口采用窄縫挑坎后，水流進入挑坎收縮段時發(fā)生橫向收縮，收縮處形成的沖擊波[8]較小，水深沿程壅高，挑出水舌呈掃帚狀入水，水舌縱向擴散效果較好。下游沖刷位于河中，最大沖深4.5 m。流態(tài)見圖4(b)。

由此可見，底孔挑坎改為窄縫后，出坎水舌縱向拉開，水舌分散度較原挑坎方案好，下游沖刷深度減小5 m，并避免了岸邊淘刷，岸坡可采取護岸不護底的支護型式，減少防護工程量。

圖4 底孔水舌形態(tài)圖

5 表孔優(yōu)化試驗

5.1 體型修改

李楨[9]采用數(shù)值模擬方法研究得出，相同條件下在階梯溢洪道前端采用過渡式階梯，水流更易達到均勻滑行狀態(tài)。在本溢流面堰面曲線末端與階梯連接處(階梯前端)增設4級過渡階梯，單級階梯高度為0.6 m，水平長度0.45 m；階梯末端采用圓弧與下游護坦銜接。見圖5。

圖5 表孔修改方案圖

5.2 泄流能力

泄洪建筑物的泄流能力關系到水工建筑物安全和工程穩(wěn)定運行，因此實際的泄流能力須滿足設計要求。泄流能力試驗成果表明，流量隨水位變化規(guī)律明顯，相同水位下試驗值略大于設計值。表孔試驗泄量值比設計值大0.18%～1.96%，底孔試驗泄量值比設計值大4.70%～8.56%，說明泄洪建筑物泄流能力滿足設計要求。表孔、底孔水位流量關系曲線見圖6。

圖6 表孔和底孔水位流量關系曲線圖

5.3 流態(tài)與流速

階梯前部采用過渡臺階后，各級流量下階梯水流均勻滑行，流態(tài)平順。階梯之間的水流受到邊界約束和主流拖曳作用，在階梯凹角內(nèi)作橫向旋滾運動。從階梯橫向上看，隨著流量的增加，水流紊動發(fā)展不盡相同。這是由于水流除受到階梯面擾動，還受到進口邊墩繞流及兩側(cè)邊墻擾動影響，導致邊墻附近的水流紊動發(fā)展比階梯面其他位置快。從階梯縱向上看，首級階梯水流受的擾動較小，紊流邊界尚未發(fā)展到水面，此時流態(tài)平順。當下泄水流到達一定的階梯數(shù)時，具體為消能防沖工況至第3級附近(左孔、右孔一致)，設計工況至第6級附近(左孔、右孔基本一致)，校核工況至第10級附近(左孔、右孔不同)，紊流邊界發(fā)展到自由水面，水面破碎，水體摻氣充分，下泄水流呈乳白色，紊流摻氣一直持續(xù)到末級階梯，隨后經(jīng)過反弧連接段進入護坦。護坦處水流銜接較好，但3種泄洪工況護坦內(nèi)呈現(xiàn)出不同流態(tài)，消能防沖工況形成三角形水躍，設計工況、校核工況躍首位于護坦外。后續(xù)研究表明，當條件允許，在下游河道適當位置增設二道壩，增加下游水墊厚度，護坦內(nèi)將會形成穩(wěn)定的水躍流態(tài)。3種特征工況流態(tài)見圖7。

階梯溢流面流速隨下泄流量的增加而增大。消能防沖工況，階梯面沿程流速在10.05～10.76 m/s之間；設計工況，階梯沿程流速為11.18～11.35 m/s之間；校核工況，階梯溢流面流速為12.52～13.25 m/s。由于階梯溢流面摻氣充分，發(fā)生空化空蝕的可能性大大降低，保證了階梯溢洪道的泄洪安全。階梯溢流面流速分布見圖8。

圖7 各工況流態(tài)圖

圖8 階梯流速圖

5.4 消能率

水流經(jīng)過階梯溢流面，紊動水流旋滾破碎，水體摻氣充分，在此過程中部分能量耗散。為了計算在泄洪過程中的能量耗散情況，對上游進口斷面和階梯末端斷面建立能量方程，來計算各工況消能率的變化，用兩斷面的能量差值與進口斷面能量之比作為消能率，消能率的計算采用如下公式：

(1)

式中：E1、E2分別為水頭的上游進口斷面和階梯末端斷面的總能量。

在各級流量泄洪運行時，光滑溢流面和階梯溢流面下游末端入池流速及消能率對比見表3，階梯溢流壩末端泄流動能(E=V2/2g)只有光滑溢流面相應動能的37.09%～45.78%，泄流動能消能率達84%以上，階梯溢流面泄流消能作用較明顯。階梯溢流面的消能率隨著單寬流量的增大而緩慢減小(圖9)，階梯面消殺了下泄水流的大部分能量，且消能率具有隨著流量增大而減小的變化規(guī)律，與前人研究成果[10]相一致。

表3 光滑和階梯溢流面動能比較

圖9 單寬流量與消能率關系

6 結(jié) 語

結(jié)合梅州抽水蓄能電站水工模型試驗研究，確定了表孔堰面與階梯連接處增設過渡階梯、階梯末端采用曲線與護坦銜接、底孔縱向布置調(diào)整及出口窄縫挑坎的體型，通過試驗取得以下結(jié)論：

1) 在WES堰面曲線與階梯連接處設置過渡階梯后，下泄小流量洪水時不會發(fā)生水流濺起砸階梯現(xiàn)像，各級流量下堰面階梯水流平穩(wěn)，形成穩(wěn)定的滑移流態(tài)。

2) 階梯末端與下游護坦連接時，采用曲線調(diào)整段過渡，水流銜接更平順。若在下游河道適當位置增設二道壩，將有助護坦內(nèi)水躍流態(tài)形成，減小下游沖刷。

3) 對于布置在泄洪建筑物中間的泄洪底孔且下游河道較窄時，出口采用窄縫挑坎，出坎水舌縱向擴散、分散度較好，可減輕下游沖刷，減少下游防護工程量。

4) 階梯溢流面與光滑溢流面相比，泄流過程中部分能量耗散，消能作用較明顯。階梯溢流面的消能率隨著單寬流量的增大而減小。