阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择

赵荥　杨敏　齐春风

摘要：以新疆阿尔塔什水利枢纽泄洪建筑物为研究对象，通过1∶50水工模型试验比选消能方式，对比研究了采用平底板水垫塘方案下的塘内水动力特性和采用护坡不护底方案下的水垫塘冲刷形态。通过脉动压力与上举力的分布，推测了水垫塘的可能破坏范围；通过流态分析和冲刷分析，对挑坎体型进行了优化。不同型式挑坎对水垫塘的冲刷影响的比较分析表明，优化后的挑坎能够起到调整水舌和冲坑形态、减少坡脚冲刷的作用，经优化后该工程水垫塘采用护坡不护底的方案是可行的，并可供类似工程参考。

关键词：模型试验；消能防冲；水力特性，冲刷；挑坎优化；曲面贴角

中图分类号：TV135 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05012406

Selection of Energy Dissipation Scheme in Plunge Pool for Altash Project

ZHAO Xing，YANG Min，QI Chunfeng

（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：In this paper，Altash hydropower station was chosen as the research object.The best energy dissipation scheme was selected based on 1∶50 hydraulic model.It could be studied by comparing the hydraulic characteristics in the flat bottom water cushion pool and scouring patterns in the cushion pool with lining slope but no bottom protection.By measuring pulsating pressure and uplift force，the possible damage range in the cushion pool could be predicted.And through the analysis of the flow pattern and scouring patterns，the shape of flip bucket of spillway tunnel could be optimized.The comparative study showed that the optimized flip bucket could change trajectory nappe forms，adjust scour pit shapes，reduce the slope erosion and it was feasible for this cushion pool to adopt the form of the lining slope but no bottom protection with the optimized flip bucket.The results can provide reference for similar projects.

Key words：model test；energy dissipation and erosion control；hydraulic characteristics；sediment scour；shape optimization for flip bucket；curved surface bucket

20世纪以来，我国高拱坝设计高度逐渐增加，其中，二滩水电站最大坝高达到240 m，通过大量试验与研究论证，二滩采用了“坝身表中孔联合分层泄水，水舌空中碰撞消能，下设水垫塘二道坝消能，辅以岸边泄洪洞泄洪”的建筑物布置与消能方式，之后的工程（如：小湾水电站等）大都采用了这种“二滩模式”。这种衬砌水垫塘通过板块锚固、止水缝设计、缝间止水、底板下排水等可以在一定程度上保护下游不受破坏。但是，当水垫塘的设计不当或施工质量不满足要求时，衬砌水垫塘也会发生破坏。比较典型的有俄罗斯的萨扬·舒申斯克水电站、我国的五强溪水电站[1]、安康水电站[2]鱼塘水电站等，在运行一段时间后消力池底板均出现了一定程度的破坏需要及时修复。而随着新建待建大坝的量级达到300 m级，水垫塘底板破坏的可能性更大。

在水垫塘基岩条件较好时，不一定要衬砌水垫塘，只需对冲刷部位预挖、对断层进行处理、基岩锚固和两岸护坡等，其造价比衬砌水垫塘低得多。由此，提出了“护坡不护底水垫塘”的方案。国内外已有一些工程采用这种水垫塘，证明了不衬砌水垫塘具有控制消能防冲、提高工程经济效益等优势。如土耳其的伯克坝[3]、南非的卡其坝[4]利用加高二道坝来形成不衬砌水垫塘；巴西的图库鲁伊溢洪道采用预挖冲坑。国内的莲花水电站[5]、水布垭水电站[6]、糯扎渡水电站[7]下游也采用了预挖不衬砌水垫塘。特别是巴西的图库鲁伊大坝的不衬砌水垫塘成功渡过了11 000 m3/s的洪水[8]，证明了不衬砌水垫塘有良好的消能防冲作用。

对于本工程来说，下游覆盖层较深、基岩较好，下游有充足水垫，因此考虑采用预挖护坡不护底水垫塘，并通过调整挑坎体型减小下游冲刷。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，为大（1）型Ⅰ等工程。枢纽工程泄水建筑物由表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞组成。表孔溢洪洞共布设两条，均位于左岸山体中；中孔泄洪洞位于左岸1号表孔溢洪洞与2号表孔溢洪洞右侧，其洞身段轴线与表[CM（22]孔溢洪洞轴线平行，且与1号溢洪洞洞身段的轴线

水平距离40 m。设计洪水位时，三孔下泄流量均接近2 000 m3/s。2条表孔和中孔出口下游联合设置水垫塘，将水流挑入水垫塘中消能。下游水垫塘开挖尺寸为150 m×105 m，底板高程为1 650 m。后接天然河道，河床岩性为薄层泥晶灰岩，抗冲流速为3～4 m/s，工程平面图见图1。

2 模型布置

试验模型按重力相似准则设计，采用正态模型，几何比尺Lr=50。泄水建筑物使用有机玻璃制作；在平底板水力特性试验中水垫塘衬砌板块使用加重橡胶制作；在护坡不护底试验中水垫塘按动床模拟，按抗冲流速选取散粒体冲刷材料，河床按相似比尺依据提供的河床砂砾石颗粒级配模拟[910]。模型上游模拟3个泄洪建筑物进口地形，满足进流条件相似要求。库区及下游河道均按实际地形模拟，试验模型布置见图2。

3 水垫塘底板水动力荷载

3.1 时均压力分析

大量试验证明，射流对水垫塘的冲击压力可能达到相当大的数值。本次试验在水垫塘底板上共布置260个时均压强测点，见图3，左岸第一列（记作：左0+0）布置在左岸坡脚处，间隔15 m布置第二列，之后间距10 m布置其它列测点，并考虑到水舌的冲击范围在消0+30～消0+110范围内局部加密测点，并用测压管测量时均压强。各试验条

件见表1，在工况1的泄流条件下，三孔水舌落点在消0+080附近，位于水垫塘中部偏向下游，挑距较远，水流潜底之后形成壁射流区[1112]。尾渠之后，水面趋于稳定并与下游宽阔河道相接，观察护坦末端的流态可以看出，各工况下水流经过水垫塘消能后，流态已基本趋于稳定，不会对下游河床造成较大冲刷，说明水垫塘的体型可以满足消能的需要。

的分布对比图，在纵向上看，时均压力基本呈高斯累计分布函数形状[7]，上游时均压力较低且在在落点上游附近达到最小值。在落点附近，水流旋滚剧烈并大量掺气，致使在消0+040～消0+085范围内压力梯度较大，极差值达到10 m水柱左右。在横向上看，各列时均压力略有不同，主要是由于三孔水舌挑距不同造成的，各列峰值不明显，而水垫塘末尾压力近似与下游水位齐平。其它工况结论与工况1相似。

3.2 脉动压力、上举力分析

水垫塘内水流的脉动压力直接关系到塘内的消能、冲刷及水工建筑物的振动与稳定，本次试验以1号表孔中心线为基准，在水垫塘底板上布置了3列脉动压力测压点，分别为左0+15、左0+55、左0+95。从图5可以看出，脉动压力分布极值出现在桩号0+80～0+95范围内，这是由于水舌摆动及旋滚引起强烈紊动造成的。水垫塘底板脉动压强最大值出现在工况2时，为9.65×9.8 kPa，其它工况约5～6×9.8 kPa。总体上数值比较大，需对底板的稳定性给以足够的重视。

之后，根据原有水垫塘板块设计结合试验动水压力分布的结果在水垫塘底板布置两列（分别定义为A、B列）上举力传感器，各列均与时均压力测点位置对应，每列7个共计14个上举力传感器，板块及传感器布置见图6，板块尺寸为10 m×10 m×3 m。同时考虑板块间及板块与基岩间预留1 mm左右缝隙（即缝隙完全贯通状态）。[CM（22]这样因为这些缝隙的存在，脉动压强必然会沿着这些缝隙传入底板之下。底板块上下表面的压力之差就形成了上举力，并可能导致板块失稳[13]。

试验结果表明，工况1水垫塘底板单位面积上举力见图7。A列的最大上举力出现在桩号“消0+110”处，单位面积最大上举力为16.186×9.8 kN/m2；B列的最大上举力出现在桩号“消0+105”处，单位面积最大上举力为12.531×9.8 kN/m2。从上举力分布上来看，底板上举力最大值位置略远于脉动压力最大值位置。

综合时均压力、脉动压力及上举力结果来看，在水舌落点附近即冲击射流区底板时均压强较大，这是由于水舌潜底后流向发生改变，一部分动能转化为压能。但是同时压力会沿缝隙传递到底板下表面，一般上表面比下表面的压强大，因而就时均压力来看水舌落点附近板块处于稳定状态。但冲击射流区的脉动压强较大，导致板块失稳主要是脉动压强。在壁面射流区，板块下表面的压强会超过上表面的压强，引起板块失稳。从图上看到在0+80～0+125范围内上举力很大，在工况2止水完全破坏的情况下，单位面积最大上举力达到26.211×9.8 kN/m2。若以板块最大上举力作为失稳标准[14]，则A列的最大上举力远超过了浮重4.2×9.8 kN/m2，因此至少需要锚固力22.011×9.8 kN/m2才能达到稳定状态。

4 护坡不护底试验

原型河床岩性为薄层泥晶灰岩，抗冲流速为3～4 m/s。按照如下经验公式计算：

式中：V为抗冲流速；d为泥沙粒径；K为系数，取值为5～7，本文取中间值6。

将模型水垫塘设置为动床模型[15]，参考提供的抗冲流速标准，经模型沙筛选，选取的冲料平均粒径（折算成球体直径）为6.4 mm。按模型几何比尺Lr=50换算原型泥沙粒径为32 cm，相当于原型抗冲流速339 m/s，满足试验条件。铺沙高程为1 650 m，每次试验结束后，重新使用相同模型沙填平动床，并在水垫塘内充满水模拟下游初始水垫，保证每组试验下游水垫塘冲刷条件相同。而在冲刷试验后，为便于测量下游冲坑形态，从上游至下游共布置了14个测量断面，相邻断面间隔10 m，桩号分别为消0+000、消0+010……。各断面上12个测点，共168个冲坑测点，并使用水准仪进行测量。

4.1 原方案冲刷试验

水垫塘冲刷试验参考了平底板水垫塘试验，冲料填充高程为原水垫塘高程1 650 m，试验按表1试验组次进行，各工况冲刷历时2 h以上，相当于原型15 h泄洪。在原方案中，1号表孔采用矩形差动式挑坎[16]；2号表孔和中孔采用扩散式斜切导向坎[17]。中孔圆弧右边墙半径600 m、2号表孔圆弧左边墙半径150 m。

试验发现，在各工况泄流条件下，1号表孔水舌在空中呈扇形展开，水舌厚度较均匀，且落点位于水垫塘中部，在中部形成冲刷坑。而中孔和2号表孔位于1号表孔两侧，水舌由于斜切坎的作用在横向和纵向上都有扩散，但是导向不明显仍有部分水舌落于两边坡附近，造成坡脚较深冲刷。在工况1三孔全开泄流时，冲坑基本左右对称。水垫塘末尾水流紊动剧烈造成较大冲刷，水垫塘前端水流流速较低，水流从末端经左右岸回流形成堆积，前端坡脚无较大冲刷，冲坑深度3.9 m。左右坡脚有较大冲刷，特别是靠近水垫塘下游冲坑深度分别达到了17.4 m和15.3 m，左岸冲刷较右岸严重，水垫塘中线上最大冲刷为10 m。

4.2 优化方案简介

为减小下游冲刷，对2号表孔和中孔挑坎进行了优化，设计了7种方案共28组试验，详细优化体型参数见表2。

方案1-方案3主要从挑坎导墙半径出发，逐渐减小

了2号表孔和中孔的导墙半径，以期达到使两孔水舌远离边墙，水舌落点向中部聚集的作用；方案4是在方案1的基础上，在2号表孔和中孔挑坎体型之后各加上了一向上翘起的舌型坎[18]，以期利用顺水

流方向的曲率以及挑坎出口末端的弧形曲线，加大水流的横向扩散；方案5～7采用了方案4中孔的布置形式，将2号表孔挑坎修改为曲面贴角坎[19]，即在挑坎末端左侧加上“贴角”，该贴角在迎水曲面上是有一组等半径的圆弧组成，随着高度提升在最高点圆弧收缩成一点。

4.3 流态分析

试验发现，方案1-方案3随着导墙半径的不断减小，出流水舌向水垫塘中部聚集，见图8中方案1、方案3，中孔水舌有明显的偏转，均远离边墙，但同时导墙侧水舌不断加厚。因此，修改导墙半径可以明显的改变水舌的出流角度，调整水舌落点位置。而与方案4流态对比可以发现，2号表孔和中孔的横向扩散更为明显，特别是2号表孔水舌的右边缘和中孔的左边缘呈半透明的破碎状，但是两孔水舌的另外一侧边缘水舌仍较厚。经过方案5的修改，可以明显看出2号表孔水舌的两侧边缘均呈破碎状，主流主要集中在水舌的中部。而随之方案6、方案7所加曲面贴脚的增大，2号表孔水舌主流继续向右边缘移动，偏离水舌中心。因此，曲面贴角坎不仅具有导向和扩散的作用还可以调整水舌的主流分布。

挑坎水舌的出流情况也直接影响了水垫塘内的流态和下游冲刷，在各方案工况1中方案1、5的塘内流态较为对称，两侧岸坡处均有回流，水垫塘出口水流稳定；而其它方案水舌落点分布较差，塘内回流不对称易造成局部冲刷。

4.4 冲刷分析

从上图可以看出，方案1中因水舌远离边坡，坡脚冲刷略有改善，左右岸坡脚最大冲坑深度达到了16.6 m、11.6 m；同时水垫塘中部冲刷坑深度增加到8.8 m，中部落点下游的堆积高度有所降低。随着导墙半径的继续减小，方案2和方案3的中线冲刷深度和左右岸冲刷深度有加深的趋势，并且左岸冲刷明显较右岸严重，这是由于修改中孔半径后导致水垫塘内主流向左岸偏转，左岸水流紊动加剧，这样容易造成水垫塘内水流不对称引起左右岸坡脚局部冲刷。

方案4的冲刷坑中线最大冲深7.5 m，形态明显改善，尤其右岸边坡冲深均在10 m以内，但左岸下游冲刷仍较深，最大达到了16.4 m。这是由于水垫塘内水流不对称造成的。

在方案5-方案7中，以R2=100 m、R3=43.8 m、D3=4 m组合抗冲刷效果最好。[HJ1.82mm]冲刷坑整体呈勺型，中线上冲刷深度最大达到13.4 m；水垫塘左岸冲刷明显减小，最大冲深仍在左岸末端约为11 m；水垫塘右岸仅在末端一个测点处有较深的局部冲刷（15.6 m），其他部位的冲刷均在10 m以内。

综合考虑水流形态、冲刷坑形态及左右岸冲刷深度，方案5效果最佳，两岸坡脚冲刷得到改善，降幅达34%。由此可见，采用护坡不护底水垫塘时，通过修改挑坎体型、改变出流形态并辅以必要的边坡防护措施是能够满足工程消能防冲需要的。

5 结论

本文以模型试验为主，对比验证了下游平底板水垫塘和不护底水垫塘的消能防冲效果，试验结果表明：该工程采用平底板水垫塘，是可以满足工程消能需求的，但由于底板脉动压力和上举力较大，因此需要很大的锚固力（最大锚固力为22×9.8 kN/m2）。而采用不护底水垫塘，在原设计的基础上，下游存在较大冲刷，但经过挑坎优化之后可以明显改善坡脚的淘蚀状况，坡脚冲刷降幅达34%，水垫塘内最大冲刷深度仅13.4 m，如配合固结灌浆等工程措施进行护坡，可以得到很好的下游防护效果。

综上所述，本工程水垫塘消能方式选择护坡不护底形式是可行的，本文的挑坎优化方式和护坡不护底试验模式可以应用在相似工程，为其他工程的消能防冲设计提供参考。[HJ1.35mm]

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