高水头放空洞泄洪消能试验研究与运用

王才欢，侯冬梅，向光红

（1.长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计研究院枢纽处，武汉 430010）

高水头放空洞泄洪消能试验研究与运用

王才欢1，侯冬梅1，向光红2

（1.长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计研究院枢纽处，武汉 430010）

水布垭枢纽放空洞主要承担水布垭工程施工期后期导流及完建后大坝检修时放空水库的任务。它具有水头高、水位变幅大、流速大、运行时间长等特点，经过1∶58水工整体模型多种方案的比较研究，首次提出了一种新型的双曲双槽差动鼻坎消能工形式；经过2007年超高水位、长时间的泄洪运行检验，该消能工成功地解决了放空洞高水头、大变幅、大夹角、窄河谷且地质条件较差的消能防冲难题；同时，该型鼻坎消能工无任何蚀损。

放空洞；泄洪消能；鼻坎消能工；时均压力；空化空蚀；水流掺气；模型试验

1 研究背景及研究方法

水布垭水利枢纽放空洞位于砼面板堆石坝右岸，全长约1 141.73 m，由引水渠、有压洞（含喇叭口）、事故检修闸门井、工作闸门室、无压洞、交通洞、通气洞以及出口段（含挑流鼻坎）等组成。由于总体布置所限，水布垭放空洞明流出流方向与河道流向夹角约为60°，挑流水舌在空中转向难度较大，该处河道底宽仅120 m，虽然河道两岸边坡要进行砼防护，但河床地质条件较差，岩性软弱，基岩抗冲能力仅3.5 m／s。从放空洞的水力指标来看，它的运行水头高，泄槽单宽最大流量达220 m3／（s·m），挑流鼻坎最大流速40 m／s。消能防冲将面临严峻考验。同时，由于水布垭放空洞运行水头变幅高达110m，在高水头运行时，挑射水舌可能冲击对岸；在低水头运行时，水舌有可能挑射不出去而淘刷本岸山坡；这些无疑更增加了放空洞泄洪消能防冲难度。

表1中是当前国内外已建成的一些典型工程的泄洪洞相关指标，从中看出，水布垭工程放空洞消能防冲综合难度指标名列前茅。

根据该项工程特点及研究目的，采用水工模型试验方法进行消能防冲研究，其模型长度比尺为1∶58，系正态整体模型；模型模拟了水库、放空洞全长以及下游河道，河床基岩按抗冲流速V＝3.5 m／s进行模拟，据此选择模型动床砂为d50＝6 mm的白矾石，模型河床平均铺砂高程为196 m，两岸边坡为整治后的砼护坡，按固定边界模拟。模型下游河道水位控制仅考虑放空洞泄流量，未计入电站发电所抬升的下游水位。

关于鼻坎消能工，设计上提出了具体要求：一是鼻坎挑射水舌要充分扩散，以减小河道单位面积上的入水动能；二是要避免水舌冲刷两岸边坡，即高水位运行时，主体水舌不超过河道中部1／3水域，低水位运行时，水舌能够起挑，水舌内缘不冲本岸坡脚，且明流洞顶不能被水流封堵；其三，鼻坎消能工的抗空蚀性要好。

表1 国内外典型工程泄洪洞相关指标Table1 Indexes of typical spillway tunnel projects at home and aboard

2 消能工体型研究及优化

2.1 原方案

图1为设计提出的扭曲鼻坎消能工体型，简称原方案，鼻坎左侧边墙末端侧向挑角为50°，右侧边墙末端侧向挑角为30°。

图1 原方案鼻坎消能工布置图Fig.1 Schematic of bucket lip dissipator in the original design

水工模型试验结果：在高库水位360 m泄洪运用时，水舌沿河道纵向挑射，挑距较远，水舌最外缘落点距鼻坎约150 m，但由于鼻坎过于扭曲，部分水舌挑到右岸边坡上，主体水舌落于河道右侧1／4水域内，且水舌分散不够，动能集中，造成右岸坡脚冲刷严重。因此，该型鼻坎消能工不能满足防冲安全要求，须进行优化。

2.2 修改1方案

修改1方案将原方案扭曲鼻坎左侧边墙侧向挑射角50°改为15°，右侧边墙侧向挑射角30°改为15°。

水工模型试验结果：在高库水位360 m泄洪运用时，水舌挑距较远，外缘落点距离鼻坎约155 m，主体水舌落水区中心偏河道中心以左约15 m，水舌体较为集中，潜射水体直抵左岸坡脚；河床冲刷试验情况表明，左岸砼坡脚淘刷严重，形成了长约100 m，宽约15 m的冲槽，槽底最低高程180 m，冲深达16 m。在库水位270 m泄洪运用时，部分水舌内缘未挑离右岸坡脚，有水体冲击右岸边坡现象；在库水位265 m泄洪运用时，鼻坎水舌无力挑射，水流从鼻坎处漫溢跌落到右岸边坡。

从模型试验成果可以看出，上述2个鼻坎消能工方案的主要问题在于：一是水舌总体上比较集中，空中扩散不够充分，对河床产生的冲刷较为严重；二是扭曲鼻坎右侧底部挑角11°偏小，在中低库水位泄洪运用时有部分水舌直接落在右岸边坡或坡脚附近，对边坡安全产生危害。因此，须从上述2方面寻求突破。

2.3 修改2方案

修改2方案将鼻坎向一侧扭曲改为双向扩散，针对在高库水位运用时鼻坎左侧水舌挑距较远现象，将鼻坎左侧底部挑角加大到53°；并针对低库水位运用时水舌不能挑射且明流洞尾部可能因鼻坎挑角过大而造成水流封堵洞顶问题，将鼻坎右侧底部挑角降低到15°，总体上形成双向扭曲鼻坎，详见图2。

图2 修改2方案鼻坎消能工布置图Fig.2 Schematic of bucket lip dissipator in them odified scheme No.2

水工模型试验结果：在高库水位360 m泄洪运用时，水舌横向分散较好，水舌落水区在河道纵向上的长度达125 m，主体水舌中心约在河道中心偏左岸10 m处，潜射水体有轻微顶冲左岸边坡现象，岸坡最大波浪爬高达210 m高程；河床冲刷形成了2个独立的冲坑，较大冲坑位于河心，冲坑最低高程184m，较小冲坑位于左岸坡脚，为一窄长冲槽，冲槽长约90 m，宽约15 m，槽底最低高程183 m。在库水位270 m泄洪运用时，明流洞尾部未出现水流封顶现象，但挑射水舌基本扭向河道右侧，部分水舌内缘直接跌到右岸砼坡脚；河床冲刷亦基本发生在河道右岸坡脚附近，冲坑最低高程187 m。鉴于放空洞高库水位泄洪运用时的左岸坡脚河槽冲刷较深，该鼻坎消能工还须作进一步优化。

2.4 修改3方案

结合放空洞总体布置变更进行了消能工方案修改。放空洞有压段长度缩短了200 m，明流洞底坡由i＝0.08变为0.055，明流洞洞高由13.6 m降低到12.5 m，明流洞终点由高程219.29 m点下移到高程209.88 m点。针对放空洞的总体布置调整以及修改2方案的水舌特性，将鼻坎底部挑角再继续加大，同时将鼻坎左侧向扩散角由8°增大到20.8°，并在鼻坎左、右两侧各留一个分流槽，防止低水头运行水流封堵明流洞顶，详细尺寸见图3所示。

图3 修改3方案鼻坎消能工布置图Fig.3 Schematic of bucket lip dissipator in themodified scheme No.3

在高库水位360 m泄洪运用时，该鼻坎消能工水舌横向扩散非常宽，水舌落水区在河道纵向上长达200 m（约28倍明流洞宽），主要是鼻坎左侧向的扩散及分流槽得到了充分的利用，该股水舌以略向河道上游方向运动的趋势跌入河水中，水舌外缘落点距左岸坡脚最近处约40 m，但该股水体较小，动能不大，实测该股水体引起的左岸边坡最大波浪爬高约为205 m高程；鼻尾坎中部挑角约66°，宽度9.22 m，该股水舌横向扩散较充分，入河水体沿河道纵向拉开较长，河床所承受的单位水体动能较小，该股水舌外缘落点距左岸坡脚最近距离约35 m，实测该股水体引起的波浪最大爬高达212 m高程；鼻坎右侧分流槽所形成的水舌向河道下游方向扩散，该股水体较为厚实，其落水区位于河床中央，对左岸坡的影响相对较小。河床冲刷试验结果表明，在该库水位泄洪条件下，河床中部有2个冲坑形成：其一是鼻坎左侧分流槽水舌落水区，冲坑高程190.5 m，距左岸坡脚约35 m；其二是鼻坎右侧分流槽水舌落水区，冲坑高程为182 m，距左岸坡脚约55 m。在河床左岸边，有一窄长沟槽，长约70 m，宽约8 m，最低高程189 m，该沟槽在鼻坎水舌冲击区范围以外，系左岸边流速过大淘刷形成，实测该区表面最大流速达5.0 m／s。

在库水位270 m泄洪运用时，鼻坎水舌横向扩散亦较开，入河水舌沿河道纵向长度达90 m（约12倍明流洞宽），水舌落水区基本在河道右侧1／4河宽范围内，鼻坎右侧分流槽所产生的水舌内缘跌落在河道右岸坡脚处，对该处河床将产生一定冲刷。河床冲刷试验结果表明，冲坑部位发生在水舌落水区，最低冲坑高程182 m，距右岸坡脚约12 m，冲坑范围较小。

考虑到放空洞运行水头变幅大、运用时间长等特点，在模型上进行了从库水位360 m降至270 m的连续冲刷过程试验，模型试验总历时9.5 h，相当于原型泄洪72 h。具体试验过程为：库水位360 m、下游水位203.7 m时，泄洪冲刷24 h（原型）；库水位300 m、下游水位202.1 m时，泄洪冲刷24 h；库水位270m、下游水位200.5 m时，泄洪冲刷24 h。从模型河床最终冲刷情况来看，河道冲刷范围及冲坑深度基本上是库水位360 m和270 m单独泄洪时所形成冲刷地形的叠合，河道左岸坡脚的最大冲深与库水位360 m时完全一样，为7.5 m；而河道右岸坡脚处的最大冲深为14.5 m，与库水位270 m时的终极冲深相同，见图4所示。

图4 库水位360～270 m连续泄洪冲刷地形Fig.4 Scouring terrain in continuous discharge flood at reservoir water level360-270 m

在库水位260 m泄洪运用时，无水流封堵明流洞顶现象，明流洞尾部产生水跃流态，但鼻坎水舌挑起无力，少部分水舌漫溢跌落在岸坡上，该漫溢水体动能不大，采用大块石抛投防护即可。

从消能防冲总体效果来看，该鼻坎消能工可作为推荐方案。

3 鼻坎消能工压力特性及空化特性

3.1 时均压力特性

对推荐方案双曲双槽差动鼻坎体型的时均压力进行了观测。试验结果表明，在库水位270，300，360 m条件下运行时，鼻坎消能工各测点时均压力分布特性较好，与一般差动式挑流坎相比，坎槽末端侧壁虽然仍为低压区，但未出现负压，见图5所示。

3.2 水流掺气免蚀分析

模型试验推荐的能满足消能防冲要求的鼻坎消能工的时均压力均为正压分布，但仍然存在低压区，且水布垭放空洞运行时的鼻坎最大流速达40m／s，鼻坎消能工仍然有产生空蚀破坏的可能，须分析可靠性。

水布垭放空洞为有压接无压布置方式，进口有压段长约570 m，出口明流洞段长约510 m，明流洞底坡i＝0.055。在明流洞起始处设有一道突扩突跌掺气设施，在正常情况下，一道掺气设施的保护长度约100 m左右，500 m以外的鼻坎消能工不可能被该掺气设施荫及。但从紊流边界层理论来看，当陡槽水流的紊流边界层发展到水面后，其明流水面将发生自掺气现象，随后出现全断面掺气现象，从而使过流建筑物免遭空蚀破坏。

有学者根据国内外6项原型实测的自掺气发生点位置x与单宽流量关系［1］，得出了溢流坝前缘至陡槽水流表面开始掺气和全断面掺气的距离经验公式分别为：

水布垭放空洞明流段在库水位270，300，360 m时的单宽流量分别为78，143，220 m2／s；根据公式（1）计算的水流表层开始掺气位置分别为x1＝183，273，364 m，根据公式（2）计算的全断面掺气位置分别为x2＝274，409，546 m。从上述经验公式的计算成果来看，仅库水位360 m时的全断面自掺气位置稍远于鼻坎消能工位置，但水流表面开始掺气的位置却在鼻坎消能工前150 m发生。文献［1］公式中的x是从水流流速较小的溢流坝顶前缘作为起始点计算的，而水布垭放空洞的x值是从工作闸门后的明流段起点计算；显然，该处的水流流速和水流紊动远大于溢流坝顶前缘处水流，且工作闸门后的突扩突跌掺气设施又加剧了明流洞水流的紊动，明流洞水流发生全断面自掺气的实际位置比计算值肯定会提前。另外，由于明流洞有500余m长，水流的高速流动及表面沿程挟气使洞顶气压可能低于大气压强；在比尺1∶58的水工模型上，在库水位360 m条件下，试验测得明流洞顶气压低于大气压强0.57～1.14 kPa。根据紊流特性，在大气压强较低情况下，其表层的水流涡体更易克服表面张力和阻力的约束而跃出水面，从而使水面自掺气提前。

综上分析，水布垭放空洞双曲双槽差动鼻坎消能工在实际运行时，其过流水体中将会含有足够的气体浓度，鼻坎消能工的安全运用应有保障。

图5 时均压力测点布置及压力特性图Fig.5 Time-average p ressure characteristics and locations of themeasuring points

4 工程实践

放空洞建成后，总过水时间超过7个月，其中库水位350 m以上高水位泄洪26 d，超过最高设计运行水位360 m泄洪8 d，最高运行水位368.66 m。

放空洞运行时，水舌沿河道水流方向扩散充分，在350 m以上高水位条件下，垂直于河道方向的水舌位置基本得到了有效控制。在明流洞山顶的通风井口处，3 m直径的通风井在高水位泄洪时发出持续不断的气流啸叫声，根据原型观测经验其井口通气平均风速在60 m／s左右，据此估算的明流洞进气量约400 m3／s，约占泄水流量的25%；在鼻坎消能工处，水流呈白色状，说明水体中含气充分。

放空洞停止泄洪后，对消能区冲刷地形进行了实测，实测地形显示，放空洞出口消能区河床冲刷地形形态与水工模型试验成果基本一致，河床最大冲坑高程约190 m，比模型值抬高了约7 m。放空洞出口下游河床原型冲刷情况表明，放空洞挑流鼻坎消能充分，水舌的分散与归槽以及河床的冲刷达到了预期的效果。

挑流鼻坎区域没有发现任何空蚀现象，表明鼻坎体型设计合理，抗空蚀性能好。值得一提的是，放空洞过水前，鼻坎右边槽末端有一块混凝土表面缺损，经过几个月的泄洪之后，该混凝土缺损基本没发生变化，也证明了挑流鼻坎体形具有良好的抗空蚀性能。

5 结 语

水布垭水利枢纽高水头放空洞经过原型超高水位、长时间的泄洪运行，其消能防冲及鼻坎消能工免蚀技术均达到预期要求。主要得益于新型的双曲双槽差动鼻坎挑流消能工的提出，该鼻坎出口段两侧边墙横向非对称扩散（左20.8°、右8°）、纵向斜切（左边墙长27.69 m、右边墙长37 m）、坎槽式大差动鼻坎（挑角33°～66°），在10～110 m大变幅水头运行条件下，水舌挑距变幅仅60 m，在鼻坎水流充分扩散减轻冲刷的同时，避免了由于侧扩散易导致的空蚀破坏，值得同类型泄洪工程借鉴。

［1］ 王宏硕，翁情达.水工建筑物（专题部分）［M］.北京：水利电力出版社，1991.（WANG Hong-shuo，WENG Qian-da.Hydraulic Engineering Structure（Special part）［M］.Beijing：Hydraulic and Electric Power Press， 1991.）

［2］ 王才欢，张元良，陈 端，等.水布垭水利枢纽放空洞1∶58水工整体模型终结试验研究报告［R］.武汉：长江科学院，2002.（WANG Cai-huan，ZHANG Yuan-liang，CHEN Duan，et al.Research report on hydraulic completemodel experiment（scale 1∶58）on emptying tunnel of Shuibuya project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2002.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Research and Utilization on Flood Discharging and Energy Dissipating for Emptying Tunnelw ith High Head

WANG Cai-huan1，HOU Dong-mei1，XIANG Guang-hong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Exploration Planning Design Institute，Wuhan 430010，China）

The emptying tunnel of the Shuibuya Projectwill be used for both the diversion during the late construction and the emptying of the reservoir formaintenance after completion of the dam.It possesses the characters of high head，large variation range ofwater level，high velocity and long operation time.Through comparative researches ofmany plans in a scale 1∶58 hydraulicmodel，a new energy dissipator，i.e.hyperbolic differential dentated bucket lip was proposed for the first time，and the scheme successfully has solved the difficult problems about flood discharging and energy dissipating in the emptying tunnel under the conditions of high head，large variation in water level，big spreading angle，narrow valley and poor rock properties；at the same time，this energy dissipator has no any cavitation erosion phenomenon so far.

emptying tunnel；flood discharging and energy dissipating；double-curved differential-dentated bucket lip；energy dissipator

TV135.2

A

1001-5485（2010）04-0036-04

2009-04-22

王才欢（1962-），男，湖北鄂州人，高级工程师，主要从事水工水力学研究，（电话）027-82829863，（电子信箱）wangch＠mail.crsri.cn。