呂 垚

(江西信江水利電力勘察設(shè)計(jì)有限公司，福建 上饒 334600)

0 引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)效益的不斷提升，政府及相關(guān)部門(mén)逐漸提高對(duì)水利工程的關(guān)注力度。在此背景作用下，大壩泄水建筑物的治理與開(kāi)發(fā)工作作為骨干工程存在，其具備一定的發(fā)電、防洪能力，可通過(guò)水力學(xué)原型觀測(cè)的方式，保證泄水建筑物的布置與運(yùn)行更加合理，規(guī)劃出所需觀測(cè)的重點(diǎn)，測(cè)定泄洪的實(shí)際狀況，滿(mǎn)足水力學(xué)原型觀測(cè)需求，從而促進(jìn)此工程的順利運(yùn)行。

1 大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測(cè)的基本概述

在大壩泄水建筑物中，水力學(xué)原型觀測(cè)是通過(guò)安裝傳感器的方式，控制溢流面狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)水建筑物的運(yùn)行情況，以避免大壩泄水建筑物出現(xiàn)問(wèn)題?，F(xiàn)階段，被廣泛應(yīng)用于施工領(lǐng)域的操作方式為主體建筑混凝土澆筑，運(yùn)用預(yù)埋水力學(xué)的方式，增加通用底座的利用，觀測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)定過(guò)流面的實(shí)際運(yùn)行條件，利用通用的底座蓋板，完成水力學(xué)傳感器的安裝，促使預(yù)埋電纜與信號(hào)電纜完成對(duì)接工作。這樣一來(lái)，工作人員即可憑借往年的施工經(jīng)驗(yàn)，減少安裝環(huán)節(jié)的問(wèn)題，簡(jiǎn)化施工工藝，進(jìn)而保證大壩泄水建筑物的穩(wěn)定運(yùn)行(具體如圖1所示)[1]。

圖1 大壩泄水建筑示意圖

2 大壩泄水建筑物的布置與運(yùn)行方式

2.1 合理布置泄水建筑物，規(guī)劃觀測(cè)重點(diǎn)所在

運(yùn)用論證的方式，保證大壩泄水建筑物布置為河床中間點(diǎn)，使電站分布于河床兩側(cè)，將通航建筑物設(shè)置為左岸。這樣即可保證河床的運(yùn)行空間得到滿(mǎn)足，不會(huì)受到泄洪流量影響，設(shè)置合適的機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)河床寬度的控制，在最短時(shí)間內(nèi)規(guī)劃出泄洪壩段的實(shí)際長(zhǎng)度，以避免存在過(guò)多開(kāi)挖問(wèn)題。此時(shí)，可根據(jù)泄洪孔口，運(yùn)用高程分層的布置方式，完成平面布置工作[2]。

x2/8.4+(4.8-y)2/4.82=1

(1)

X1.85=2×220.85

(2)

由此可知初生狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，但空化強(qiáng)度會(huì)跟隨水頭的增加而產(chǎn)生改變。運(yùn)用試驗(yàn)的方式可知，下游側(cè)壁部分可被規(guī)劃為空化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的區(qū)域，也可作為高危地帶存在[3]。

2.2 掌握泄洪運(yùn)行狀況，確認(rèn)典型洪水蓄泄過(guò)程

根據(jù)往年蓄水狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)入庫(kù)流量以及出庫(kù)流量的控制，將各項(xiàng)參數(shù)一一排列于陣列中，這樣可規(guī)劃處實(shí)際入庫(kù)流量以及最大出庫(kù)流量，運(yùn)用水庫(kù)調(diào)蓄的方式，保證泄洪深孔累計(jì)啟動(dòng)以及關(guān)閉次數(shù)在2 000次以上，這樣則可計(jì)算出單次運(yùn)行時(shí)間，增加常用泄水設(shè)施的應(yīng)用，以保證建庫(kù)活動(dòng)的完整性(如圖2所示)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)目前的表孔累計(jì)啟閉狀態(tài)，即可確認(rèn)樞紐建設(shè)完畢后，泄洪歷時(shí)的具體時(shí)間，規(guī)劃出具體某一年內(nèi)的啟用狀態(tài)[4]。

圖2 往年最大入庫(kù)出庫(kù)流量

以2012年7月為例，在三峽大壩某一泄水段出現(xiàn)了較大的洪水。主要原因在于長(zhǎng)江內(nèi)的水流增加，導(dǎo)致大壩實(shí)際水位上升，打破歷史水位的最高紀(jì)錄。此時(shí)運(yùn)用水庫(kù)攔洪的方式，使庫(kù)內(nèi)水位被控制，增加電站機(jī)組(32臺(tái))的運(yùn)用，使多數(shù)深孔泄洪被開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)總流量的控制，以保證下泄流量在1.6萬(wàn) m2/s以?xún)?nèi)，完成攔蓄工作，將削峰值控制在35.7%，使此案例作為表孔、深孔聯(lián)合泄洪的案例之一。

表1 大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測(cè)參數(shù)及方式

3 大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測(cè)措施

3.1 加強(qiáng)觀測(cè)方法的利用

(1)動(dòng)水壓強(qiáng)。由于大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測(cè)工作的耗時(shí)較長(zhǎng)，其作為一種復(fù)雜的長(zhǎng)期工程存在，其中主要包括施工前期電纜埋設(shè)、儀器底座安裝、泄洪參數(shù)測(cè)定、記錄，后期數(shù)據(jù)整合以及報(bào)告編寫(xiě)等工作。上述工作執(zhí)行完畢需要?dú)v經(jīng)多年之久，使大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測(cè)的實(shí)際參數(shù)被規(guī)劃為動(dòng)水壓強(qiáng)、水流流態(tài)等(具體如表1所示)。

(2)確認(rèn)觀測(cè)結(jié)果。運(yùn)用上表中的預(yù)測(cè)方式，測(cè)定大壩泄水建筑物的物理性質(zhì)(粘滯性)，確保動(dòng)水壓強(qiáng)是可以判別體型優(yōu)良的指標(biāo)之一，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩河床寬度、泄洪霧化程度以及低水位泄洪深度的測(cè)量，這樣可凸顯出射流沖擊壓強(qiáng)，保證所觀測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算出靜水壓強(qiáng)，使工作人員能夠掌握靜水壓強(qiáng)的特性。同時(shí)可根據(jù)高庫(kù)水位的運(yùn)行狀態(tài)，掌握摻氣跌坎射流的實(shí)際壓力，運(yùn)用反射弧的方式，展現(xiàn)出實(shí)際水庫(kù)壓強(qiáng)以及具體壓強(qiáng)變化參數(shù)，運(yùn)用二者重合的方式，明顯掌握各個(gè)區(qū)域參數(shù)的差別。這樣即可了解水頭、壓面的基礎(chǔ)概念，從而運(yùn)用不停的方式來(lái)計(jì)算出重力作用下的靜水壓強(qiáng)：

P=p0+γh

(3)

式中：z為位置水頭(水頭表示重量液體具備的能量)；γ/p為壓強(qiáng)水頭；h為具體時(shí)間。同時(shí)可根據(jù)大壩泄水建筑物的實(shí)際壓力，掌握求力的方向、大小以及作用點(diǎn)，保證壓面可以分為曲面以及平面，結(jié)合往期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出矩形平面并運(yùn)用圖解的方式，了解曲面靜水總壓力的分布在狀況(如圖3所示)

圖3 大壩泄水建筑物壓強(qiáng)分布圖

3.2 水流流態(tài)

由于水流流態(tài)可以直接展現(xiàn)出水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo)?？蛇\(yùn)用庫(kù)水位變化程度測(cè)定的方式，保證表孔壓式進(jìn)水口的設(shè)置深度為35～75 m，則泄流則會(huì)呈現(xiàn)出平穩(wěn)的狀態(tài)，保證前緣水面的總體運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)不利的流態(tài)，確保上流與下流的水流狀態(tài)呈現(xiàn)等比例的趨勢(shì)，使深孔軸線中的夾角能夠測(cè)定，以保證深口進(jìn)口前期前緣不會(huì)出現(xiàn)間歇的狀態(tài)，使水流進(jìn)入明槽后表面會(huì)出現(xiàn)摻氣狀態(tài)，促使庫(kù)內(nèi)水位會(huì)定向升高，從而保證庫(kù)水位在172 m以上，在出挑砍后泄槽水體表面會(huì)出現(xiàn)變化。同時(shí)可通過(guò)流量計(jì)算的方式，掌握大壩泄水建筑物的實(shí)際流量：

Qm3/s=Am/h·vm2

(4)

式中：Q為通過(guò)大壩斷面的流量；v為通過(guò)大壩斷面的流速；而A為通過(guò)大壩斷面的面積。運(yùn)用模擬試驗(yàn)的方式，控制水位的抬升量，保證反弧斷底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化，促使二者之間的差值能夠進(jìn)行單向增大。

3.3 水流空化狀況

由于空化現(xiàn)象產(chǎn)生的水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象較為明顯，且具有較大的危害，嚴(yán)重制約工程以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。因此，在空蝕現(xiàn)象首次出現(xiàn)時(shí)，可確認(rèn)空化問(wèn)題在不久后就會(huì)發(fā)生，這樣則會(huì)出現(xiàn)不單純的水動(dòng)力狀況，在水流與固壁的不斷作用下，會(huì)造成固壁損傷等力學(xué)現(xiàn)象。所以，可通過(guò)庫(kù)位高流速控制的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)空化水流的控制，使水流不會(huì)直接增大。以試驗(yàn)?zāi)M的方式可知，深孔檢修門(mén)槽以及

泄槽之間存在一定的制約，若空化現(xiàn)象發(fā)生，則會(huì)帶來(lái)較大的噪音，凸顯出其高頻特性，使水流空化問(wèn)題隨之而來(lái)，無(wú)法保證寬頻帶的運(yùn)行準(zhǔn)確性，成為不同階段的水流狀態(tài)依據(jù)。此時(shí)可通過(guò)翼型探頭與差壓傳感器安裝的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下噪聲的測(cè)量，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析，以計(jì)算出實(shí)際噪聲功率，運(yùn)用該譜級(jí)差法的方式，了解空化問(wèn)題的特征，進(jìn)而測(cè)定出聲譜極差值，保證工況中的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)水無(wú)空化狀態(tài)以及背景噪音能夠被單獨(dú)確認(rèn)，運(yùn)用135 m低水位作為相應(yīng)頻段內(nèi)的差值，以確保檢修門(mén)槽不會(huì)出現(xiàn)水流空化現(xiàn)象，促使末端鼻坎區(qū)域會(huì)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)空化水流信號(hào)的確認(rèn)。

3.4 通氣風(fēng)速

在大壩泄水建筑物中，若底部存在摻氣問(wèn)題，則空腔形態(tài)無(wú)法在第一時(shí)間內(nèi)被觀測(cè)出來(lái)，使單體模型試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異，運(yùn)用1：20的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)摻氣空腔長(zhǎng)度的判定，以保證回溯水流強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的現(xiàn)象，使大壩泄水建筑物整體態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)減小。這樣即可觀測(cè)到空腔實(shí)際波動(dòng)，使空腔長(zhǎng)度被規(guī)劃為23 m以?xún)?nèi)，整體擺動(dòng)幅度被控制在3～6 m以?xún)?nèi)，促使庫(kù)水位內(nèi)的每項(xiàng)空腔變化都會(huì)更加明顯，經(jīng)觀測(cè)可知整體擺動(dòng)幅值為庫(kù)水位的2.4倍。

3.5 水流中實(shí)際摻氣濃度

各級(jí)庫(kù)水位的深孔狀態(tài)不一，底板摻氣濃度會(huì)成線狀的分布方式，使圓形觀測(cè)顯示參數(shù)存在一定的差異導(dǎo)致其會(huì)隨水位的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變(如圖4所示)。

圖4 庫(kù)水位通氣風(fēng)速變化圖

在此基礎(chǔ)上水位若呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，則摻氣濃度會(huì)定向提升，出現(xiàn)極值，在摻氣跌坎為145 m、165 m、175 m、180 m、185 m處會(huì)在此升高，使其摻氣濃度增加12.9%，由此來(lái)測(cè)定反弧末端的最小值，確保本工程的原型觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低減蝕問(wèn)題帶來(lái)的影響。

3.6 壩下沖刷方式

大壩泄水建筑物周邊區(qū)域多為堅(jiān)固基石，包括相對(duì)完整的花巖崗，地理狀態(tài)較優(yōu)，有利于修建混凝土高壩工作的開(kāi)展，因此會(huì)運(yùn)用挑流消能的方式，完成泄水建筑物的假設(shè)。若河床壩段較低，則會(huì)將下游堤頭設(shè)置在-8 m處，使壩下沖刷深度與下游水位、庫(kù)水位以及下游流量存在密切的關(guān)聯(lián)，規(guī)劃沖坑最深點(diǎn)高程在20 m以?xún)?nèi)，則泄洪壩段則可被規(guī)劃出來(lái)。這樣一來(lái)，僅可指出具體的高庫(kù)水位，以及觀測(cè)出特殊水力狀況，保證明流泄槽段的水流會(huì)通過(guò)間歇的運(yùn)行方式進(jìn)行躍升，避免當(dāng)?shù)厮鞒霈F(xiàn)噴濺問(wèn)題，降低對(duì)攝像機(jī)、照相機(jī)、固定點(diǎn)攝像頭等的影響。這樣則可緩解水工水力學(xué)工程內(nèi)的復(fù)雜邊界問(wèn)題，使高速水氣的運(yùn)行狀態(tài)被觀測(cè)出來(lái)，掌握兩相流問(wèn)題，促使觀測(cè)人員運(yùn)用先進(jìn)的施工工藝，完成底座埋設(shè)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩泄水建筑物的觀測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大壩泄水建筑物在水流高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會(huì)出現(xiàn)空蝕以及空化現(xiàn)象，可通過(guò)水力學(xué)原型觀測(cè)的方式，降低外界影響因素對(duì)建筑物造成的影響，通過(guò)泄洪表孔、深孔的流面狀態(tài)，減少泥沙磨損以及空蝕破壞問(wèn)題出現(xiàn)，控制好挑流消能區(qū)，確保建設(shè)基面狀態(tài)的穩(wěn)定性。若未落實(shí)到位，勢(shì)必會(huì)增加對(duì)建筑物帶來(lái)的影響，因此，運(yùn)用水力學(xué)原型觀測(cè)評(píng)價(jià)控制的方式，可緩解泄洪問(wèn)題，縮短深孔泄洪時(shí)間，以穩(wěn)定此工程的運(yùn)行狀態(tài)。