張葉林，朱瑞晨，吳世勇，吳時(shí)強(qiáng)，白音包力皋

(1. 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；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100000)

對(duì)應(yīng)常態(tài)混凝土重力壩而言，不存在以簡(jiǎn)化溢流面施工為主要目的臺(tái)階溢流面，通常采用的底流消能方式為Y型寬尾墩+光滑溢流面+消力池(戽)的方式，例如國(guó)內(nèi)的五強(qiáng)溪、安康等常態(tài)混凝土重力壩。然而，從Y型寬尾墩+光滑溢流面的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，特別是下游低水位而單孔開(kāi)度較大的情況下，Y 型寬尾墩所形成的挑射水流對(duì)消力池底板產(chǎn)生了較大的沖擊和脈動(dòng)壓力，對(duì)底板的安全運(yùn)行構(gòu)成了一定的隱患[1-2]，需要通過(guò)泄洪調(diào)度試驗(yàn)明確各閘孔的開(kāi)啟運(yùn)行規(guī)則，嚴(yán)格控制‘低水位大開(kāi)度’的不利運(yùn)行工況。常態(tài)混凝土的光滑溢流面若采用X型寬尾墩，在沒(méi)有了臺(tái)階溢流面的阻滯消能作用下，下部開(kāi)口水舌會(huì)形成動(dòng)水墊附壁效應(yīng)[3]，雖然可以更加有效減小消力池底板的沖擊和脈動(dòng)壓力，但會(huì)帶來(lái)消力池底板的流速較高且小流量下的消能效果較差的問(wèn)題。而在常態(tài)混凝土壩上采用臺(tái)階溢流面與最初在碾壓混凝土壩上以簡(jiǎn)化溢流面施工為主要目的思路不符，且與下游光滑溢流面采用滑模施工的工藝對(duì)比而言可能還增加了混凝土分倉(cāng)和立模的施工難度，所以目前鮮有常態(tài)混凝土壩采用臺(tái)階溢流面的實(shí)際案例。

對(duì)應(yīng)碾壓混凝土重力壩而言，采用臺(tái)階溢流面的初衷并不是通過(guò)臺(tái)階來(lái)刻意改變寬尾墩與消力池(戽)聯(lián)合消能的水力特性，而是根據(jù)碾壓混凝土分層高度和通倉(cāng)碾壓的施工特點(diǎn)，以簡(jiǎn)化溢流面施工程序和節(jié)省工程投資為主要目的。采用臺(tái)階溢流面后，臺(tái)階溢流面可以有效消減掠過(guò)臺(tái)階溢流面的水流流速，配合寬尾墩構(gòu)成的突擴(kuò)和底部小挑坎的摻氣設(shè)施，可以改善和強(qiáng)化溢流面的摻氣條件，具有可靠的減蝕效果。目前Y型和X型寬尾墩+臺(tái)階溢流面的組合方式在我國(guó)大朝山、索風(fēng)營(yíng)、思林、功果橋等眾多碾壓混凝土壩中得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展[4-5]。而采用X型寬尾墩后，不僅能夠保持Y型寬尾墩收縮射流的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也增加了臺(tái)階溢流面的過(guò)流面積，小流量時(shí)可以充分發(fā)揮臺(tái)階溢流面的消能作用，彌補(bǔ)了Y型寬尾墩的不利工況；大流量時(shí)，部分水流經(jīng)底部開(kāi)口區(qū)通過(guò)臺(tái)階面消能，在消力池內(nèi)形成一定厚度的動(dòng)水墊層，不僅對(duì)上部寬尾墩縱向拉開(kāi)水舌有頂托作用，減輕消力池底板所承受的沖擊壓力，還可減小寬尾墩過(guò)流時(shí)臺(tái)階壩面出現(xiàn)的負(fù)壓，避免水流集中對(duì)臺(tái)階壩面的沖蝕作用[6-8]。

雖然臺(tái)階面溢流面有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于壩高不高且下游淹沒(méi)度較高的情況，特別是下游水位高于寬尾墩出口高程的情況下，寬尾墩下部水舌不能形成很好的摻氣空腔保證摻氣濃度，且水舌入水后受水下部分臺(tái)階溢流面的阻滯消能作用將大為減弱，這樣就失去了臺(tái)階消能和摻氣保護(hù)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，進(jìn)而還可能會(huì)帶來(lái)臺(tái)階溢流面空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)，因而，這種情況下的碾壓混凝土壩采用光滑溢流面可能更加合適。同時(shí)，對(duì)應(yīng)壩高較高的碾壓混凝土壩而言，水流在入消力池前的流速會(huì)達(dá)到較高的量級(jí)，采用臺(tái)階溢流面可能存在較大的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，因而采用光滑溢流面結(jié)合多級(jí)摻氣減蝕措施反而是更為合適的方案。

本文主要是在參考前人對(duì)寬尾墩和臺(tái)階溢流面一體化消能工研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)西藏DG水電站表孔各個(gè)階段泄洪消能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)度，結(jié)合水工模型試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了兩種溢流面、兩種墩型的水力特性和差異，為工程設(shè)計(jì)提供參考和支撐。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

樞紐大壩為混凝土重力壩，壩頂高程3 451.00 m，最大壩高117 m，泄洪建筑物有5個(gè)表孔(14.0 m×21.5 m)和1個(gè)底孔(5 m×8 m)，表孔采用‘寬尾墩+消力戽’的聯(lián)合消能方式，底孔采用挑流消能方式。消能、設(shè)計(jì)和校核工況對(duì)應(yīng)的下泄流量為10 300、13 600 m3/s和17 000 m3/s，表孔溢流面總寬度90 m，堰頂高程3 425.50 m，對(duì)應(yīng)的入池單寬流量分別為101.1、137.8 m3/s·m和175.5 m3/s·m，戽池底板高程3 350.00 m，下游水深為33.0、36.1 m和38.8 m，對(duì)應(yīng)的二元淹沒(méi)度分別為1.24、1.10和1.16，略小于巖灘工程經(jīng)驗(yàn)推薦的戽流消能的淹沒(méi)度應(yīng)大于或等于1.2。

1.2 模型概況

可研階段的整體水工模型采用正態(tài)模型，模型比尺1∶60，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)確定相關(guān)物理量比尺。為保證試驗(yàn)段流態(tài)不受模型邊界影響，模型模擬范圍確定為上游河道(水庫(kù))至壩軸線上游700 m處，高程低于3 451.0 m的地形，下游河道至壩軸線1 300 m處，高程低于3 390.0 m的地形，壩下0+290 m到樁號(hào)壩下0+670 m之間380 m范圍內(nèi)河床做成動(dòng)床，整個(gè)模型平面尺度約37.0 m×6.0 m(長(zhǎng)×寬)。

招標(biāo)技施階段的表孔單體水工模型采用正態(tài)模型，采用2個(gè)邊表孔及1個(gè)中表孔進(jìn)行模擬，模型比尺1∶40，溢流表孔模型從進(jìn)水口至戽池下游護(hù)坦末端全部采用有機(jī)玻璃按設(shè)計(jì)圖紙加工制作，護(hù)坦末端約100 m長(zhǎng)的河道采用水泥、磚石制作。模型進(jìn)水口安裝在2.5 m×2.5 m的水箱上，水箱下部接供水管路，最大供水能力約1.2 m3/s。

兩個(gè)階段的水工模型試驗(yàn)主要研究了消能、設(shè)計(jì)和校核工況下的水力特性參數(shù)，主要是結(jié)合河床及兩岸基巖抗沖能力較好的條件，在維持底板高程不變不增加開(kāi)挖量的前提下采用消力戽池的型式，對(duì)應(yīng)著重研究表孔光滑、臺(tái)階溢流面和Y型、X型寬尾墩的體型及水力特性，以滿足工程泄洪消能要求。

2 光滑溢流面下的Y型、X型寬尾墩

2.1 體型參數(shù)對(duì)比

在采用光滑溢流面的同等條件下，對(duì)Y型和X型寬尾墩的收縮率、收縮角、切口高度、前后位置和邊孔是否對(duì)稱等影響因素進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，著重從水舌出流形態(tài)、戽池內(nèi)流態(tài)、底板壓力分布等水力參數(shù)進(jìn)行評(píng)判，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的體型對(duì)比研究，選出了Y型寬尾墩和X型寬尾墩的代表體型進(jìn)行模型試驗(yàn)比較。寬尾墩代表對(duì)比體型如圖1所示。

圖1 Y型寬尾墩和X型寬尾墩代表體型詳圖(單位：m)

2.2 流態(tài)、水面線對(duì)比

Y型寬尾墩出墩水舌呈現(xiàn)豎‘1’字水舌形態(tài)，水舌較為穩(wěn)定，上部水翅較少。X型寬尾墩出墩水舌呈現(xiàn)‘工’字型水舌形態(tài)，水舌中下部穩(wěn)定性較好，上部水舌在特定的臨界水位下存在水翅。兩種墩型下的消力戽池內(nèi)三元水躍流態(tài)明顯，水體混摻劇烈，摻氣充分、呈絮白色狀態(tài)，出戽摻氣水流在尾坎下游150～250 m處逐漸耗散，與下游水體平順連接。由流態(tài)對(duì)比結(jié)果看，兩種墩型都呈現(xiàn)了各自的水舌形態(tài)和流態(tài)特點(diǎn)，都能滿足泄洪消能要求，Y型寬尾墩水舌穩(wěn)定性較好。同時(shí)，由于采用了光滑溢流面，小流量情況下的X型寬尾墩下部水舌呈現(xiàn)了一定的附壁特性，未能充分摻混，因而在消力戽池尾坎處水面線略有上鼓的現(xiàn)象。

2.3 壓力、流速分布對(duì)比

各工況下，Y型和X型寬尾墩溢流面壓力和消力戽池底板壓力的變化規(guī)律大致相同，水流入池處的沖擊壓力在消力戽池前部較高，而后在消力戽池的中部壓力變緩，在消力戽池的尾坎處又略為上升。Y型、X型寬尾墩的壩面測(cè)點(diǎn)壓力最大值分別為48.36×9.81 kPa和41.48×9.81 kPa，Y型寬尾墩的沖擊高壓區(qū)域峰值比X型寬尾墩的峰值要大，且分布范圍也要大一些，沖擊壓力主要是由收縮束窄的上部水舌造成，相對(duì)于Y型寬尾墩，X型寬尾墩除了收縮比較小外，下部開(kāi)口的水舌起到了很好的動(dòng)水墊[6]作用，改善了沖擊區(qū)的最大壓力，壓力分布相對(duì)Y型寬尾墩也均勻很多。

從脈動(dòng)壓力的數(shù)據(jù)上看，也呈現(xiàn)壓力分布的類似規(guī)律，同一工況下，反弧段末端和消力戽池頭部區(qū)域內(nèi)動(dòng)水作用相對(duì)較明顯，該區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)脈動(dòng)壓力最大值，隨著泄流量下降，反弧段末端及消力戽池頭部脈動(dòng)壓力均方根值逐漸減小。Y型寬尾墩推薦方案測(cè)量最大脈動(dòng)壓力均方根值為6.71×9.81 kPa，X型寬尾墩對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力均方根值均有大幅減小，最大值為4.26×9.81 kPa，兩種體型的優(yōu)勢(shì)頻率區(qū)域都為0～5 Hz。

從流速分布上看，Y型和X型寬尾墩呈現(xiàn)類似分布規(guī)律，消力戽池尾坎處底部流速大(約5～12 m/s)，面部流速小(約1～5 m/s)，海漫段流速分布與尾坎處的流速分布相反，面流速大(約3～9 m/s)，底流速小(約1～4 m/s)，下游河床段水流縱橫向擴(kuò)散，逐漸調(diào)整均勻，與下游河道平順連接。X型寬尾墩尾坎處斷面平均流速約為4.63～6.77 m/s，大于Y型寬尾墩的斷面平均流速3.96～5.52 m/s；同時(shí)，受尾坎的作用，兩種體型出坎水流都有一定的涌動(dòng)現(xiàn)象，X型的涌動(dòng)現(xiàn)象也大于Y型寬尾墩，進(jìn)一步驗(yàn)證了在光滑溢流面的條件下X型寬尾墩下部開(kāi)口水舌的動(dòng)水墊作用和附壁效應(yīng)。

現(xiàn)代地震危險(xiǎn)性評(píng)估通過(guò)結(jié)合震源的完全分布和它們發(fā)生的概率來(lái)計(jì)算一個(gè)地區(qū)內(nèi)預(yù)期地震的震動(dòng)強(qiáng)度水平。利用地震波衰減模型來(lái)確定地震動(dòng)（例如，Boore et al，1997），這些模型量化震動(dòng)強(qiáng)度如何隨離開(kāi)斷層的距離而衰減。這種關(guān)系的本質(zhì)是正在研究的重點(diǎn)，與委員會(huì)報(bào)告中記述的影響震動(dòng)強(qiáng)度的其他參數(shù)，如當(dāng)?shù)赝寥罈l件的影響和路徑效應(yīng)，包括盆地內(nèi)地震能量的放大和陷落等均同等重要。

3 X型寬尾墩下的光滑、臺(tái)階溢流面

結(jié)合X型寬尾墩和臺(tái)階溢流面的特點(diǎn)，在可研階段對(duì)X型寬尾墩+臺(tái)階溢流面的方案也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與X型寬尾墩+光滑溢流面進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比，臺(tái)階尺寸1.2 m×0.9 m。為了保證臺(tái)階溢流面的摻氣效果，在X型寬尾墩出口處設(shè)置了小挑坎，與第一級(jí)臺(tái)階面形成了2.4 m高的摻氣空腔，出墩水舌在挑出多級(jí)臺(tái)階后才與臺(tái)階面接觸，確保摻氣效果。同時(shí)，由于X型寬尾墩下部水舌的頂托作用，消力戽池前段的沖擊壓力相對(duì)于光滑溢流面有一定程度的降低，因而采用X型寬尾墩+臺(tái)階溢流面后將反弧半徑由光滑溢流面的33 m調(diào)整為15 m。溢流壩段體型剖面如圖2所示。

圖2 X型寬尾墩+臺(tái)階溢流面+消力戽池溢流壩段剖面(單位：m)

從流態(tài)上看，臺(tái)階溢流面在小流量情況下消能效果明顯優(yōu)于光滑溢流面，臺(tái)階面起到了很好的消能作用，X型寬尾墩下部水舌摻氣充分。而大流量情況下，采用臺(tái)階溢流面后的消力戽池內(nèi)水體相比光滑溢流面的摻氣量有一定的提升，水面更加穩(wěn)定，光滑溢流面下尾坎處的水面線上鼓現(xiàn)象也基本消失。這也說(shuō)明了臺(tái)階溢流面對(duì)于X型寬尾墩下部水舌的阻滯消能作用，改善了光滑溢流面情況下X型寬尾墩下部水舌的附壁效應(yīng)。

從壓力上看，臺(tái)階溢流面與光滑溢流面的消力戽池內(nèi)壓力分布呈現(xiàn)類似規(guī)律，沖擊區(qū)域都位于反弧末端，臺(tái)階溢流面時(shí)消力戽池底板最大時(shí)均壓力值和最大脈動(dòng)壓力均方根分別為43.77×9.81 kPa和5.44×9.81 kPa，大于光滑溢流面情況下的41.48×9.81 kPa和4.26×9.81 kPa，這也進(jìn)一步論證了臺(tái)階溢流面對(duì)于X型寬尾墩下部開(kāi)口水舌的阻滯消能作用，削弱了水舌的動(dòng)水墊作用和附壁效應(yīng)。臺(tái)階溢流面與光滑溢流面尾坎和海漫處的流速分布規(guī)律基本一致，無(wú)明顯差異。

4 臺(tái)階溢流面+X型寬尾墩大比尺模型試驗(yàn)

從大朝山的常規(guī)模型試驗(yàn)和減壓模型試驗(yàn)對(duì)比上看[9]，常規(guī)模型試驗(yàn)測(cè)得的臺(tái)階溢流面摻氣濃度較高，可以有效控制空化空蝕的發(fā)生，但是減壓試驗(yàn)的空化噪聲測(cè)試分析結(jié)果卻表明會(huì)發(fā)生空化，臺(tái)階溢流面可能會(huì)發(fā)生空蝕破壞。兩種試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)矛盾的主要原因是減壓試驗(yàn)情況下，相似真空度高達(dá)95%，無(wú)法正常通入空氣，水流挾帶空氣能力減小，致使水流摻氣量難以達(dá)到大于飽和含氣量的要求，發(fā)生空化成為必然。因而，減壓模型試驗(yàn)空化測(cè)試結(jié)果不能反映原型臺(tái)階溢流面的真實(shí)情況，且臺(tái)階溢流面的摻氣減蝕效果也很難從減壓試驗(yàn)中得到論證。

在可研階段，由于模型比尺較小，對(duì)臺(tái)階溢流面+X型寬尾墩(體型見(jiàn)圖2)出口小挑坎的摻氣空腔形態(tài)觀測(cè)不夠清晰，且未對(duì)臺(tái)階溢流面的流速分布、壓力分布、摻氣濃度進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，不能夠有效分析臺(tái)階溢流面的空化空蝕特性，同時(shí)在減壓模型試驗(yàn)不適用于分析臺(tái)階溢流面空化空蝕特性的情況下，通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)對(duì)水流流態(tài)、摻氣條件和摻氣濃度的認(rèn)真研究仍然是較為可靠的方法。

4.1 流速壓力及空化數(shù)

從壓力分布上看，水平臺(tái)階面均為正壓，且壓力不大，部分臺(tái)階立面存在負(fù)壓，負(fù)壓值也基本在-20.0 kPa以內(nèi)。底板壓力和可研階段的趨勢(shì)類似，數(shù)值上略有差異，最大時(shí)均壓力值為43.62×9.81 kPa，最大脈動(dòng)壓力均方根值為6.47×9.81 kPa。

根據(jù)流速和壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算了臺(tái)階溢流面的空化數(shù)，水流空化數(shù)在0.20～2.28之間，臺(tái)階面空化數(shù)較低部位主要發(fā)生在中部第13臺(tái)階附近立面存在負(fù)壓區(qū)域，最小空化數(shù)僅0.2，但仍然小于一般判斷可能發(fā)生空化的初生空化數(shù)。一般情況下，水流空化數(shù)小于0.3時(shí)就容易發(fā)生空化水流，像臺(tái)階溢流面這樣的復(fù)雜流態(tài)如果不考慮摻氣減蝕因素，第7-18臺(tái)階面發(fā)生空化空蝕的可能性較大。

4.2 摻氣空腔及摻氣濃度

從摻氣空腔上看，X寬尾墩末端底空腔及側(cè)空腔聯(lián)通狀況良好，摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣空腔長(zhǎng)度約為第一至第六臺(tái)階之間的長(zhǎng)度，基本滿足臺(tái)階式溢流堰底部摻氣空腔6～8個(gè)臺(tái)階摻氣空腔長(zhǎng)度的摻氣減蝕要求。

從摻氣濃度上看，臺(tái)階面摻氣濃度呈現(xiàn)了沿程降低的規(guī)律，上部平均摻氣濃度在50.0%以上，末端平均摻氣濃度也基本在6.0%以上，戽池底板平均摻氣濃度相對(duì)臺(tái)階面也有所降低，平均摻氣濃度也在2.5%～8.0%之間。對(duì)比大朝山、索風(fēng)營(yíng)等類似工程模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)的摻氣濃度研究成果，由于摻氣濃度的縮尺效應(yīng)，原型實(shí)際摻氣濃度遠(yuǎn)大于模型測(cè)量值，且一般認(rèn)為摻氣濃度大于3%～4%的情況下就能起到很好的摻氣減蝕作用，摻氣濃度大于8%時(shí)就可以有效防止空蝕破壞[10-11]。因此DG水電站溢流表孔臺(tái)階面和戽池底板的摻氣濃度基本都在7%和3%以上，能起到保護(hù)臺(tái)階面和戽池底板避免空蝕破壞的作用。

同時(shí)，高海拔低氣壓地區(qū)對(duì)摻氣濃度的影響是需要繼續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)大朝山原型觀測(cè)摻氣濃度試驗(yàn)[9-10]，原型觀測(cè)臺(tái)階溢流面的30%～50%摻氣濃度遠(yuǎn)大于模型試驗(yàn)的20%，摻氣濃度存在較大的安全裕度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)模型試驗(yàn)針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段的需要，研究了Y型、X型寬尾墩在光滑溢流面及臺(tái)階溢流面下的水力特性，同時(shí)采用大比尺模型重點(diǎn)研究了X型寬尾墩+臺(tái)階溢流面的摻氣特性，為工程設(shè)計(jì)提供支撐和參考，主要結(jié)論如下：

1)對(duì)于光滑溢流面而言，兩種墩型都能滿足消能要求，采用Y型寬尾墩要嚴(yán)格控制表孔調(diào)度運(yùn)行，避免‘大開(kāi)度、低水位’的工況，采用X型寬尾墩要嚴(yán)格控制下部開(kāi)口高度，避免下部水舌形成較強(qiáng)的水墊附壁效應(yīng)，影響消能效果；

2)對(duì)應(yīng)臺(tái)階溢流面而言，臺(tái)階可以有效削弱X型寬尾墩下部開(kāi)口水舌的動(dòng)水墊作用和附壁效應(yīng)，在中小流量下的消能效果較好；

3)在大比尺模型下，寬尾墩末端小挑坎能夠形成很好的摻氣空腔，摻氣效果較好，摻氣濃度量級(jí)與類似工程數(shù)據(jù)基本一致，具有可靠的減蝕效果，后續(xù)可通過(guò)原型觀測(cè)進(jìn)一步論證高海拔低氣壓地區(qū)對(duì)臺(tái)階溢流面摻氣濃度的影響。