某大坝导流底孔泄水流态优化研究

查龙青，周 招，黄曼茹

(1.东华工程科技股份有限公司，合肥 230024；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.长江科学院，武汉 430010)

在水利水电工程枢纽施工导流过程中，为合理有效地安排施工进度、节省工程投资，通常会选择分期导流：即前期修筑纵向围堰利用束窄天然河床导流，后期利用底孔泄洪闸临时导流泄洪。将临时导流底孔与永久建筑物相结合，既能在前期起到导流泄洪、防洪度汛作用，又能为大坝后期安全运行起到放空、供水、排砂等作用。但在底孔导流泄洪期间，由于上游库区来流不规律变化，底孔泄洪闸洞室内下泄水流极易形成明满交替、冲击洞室壁面以及泄洪闸进水口伴随立轴吸气漩涡、出水口高速折冲水流冲刷岸坡基岩等不良水流流态问题，为此对导流底孔水流流态优化研究就显得尤为突出[1,2]。

陈秀瑜[3]通过综合试验研究，并以三峡枢纽底孔导流(最大坝高181 m)为背景，概述导流底孔泄流时容易引起的问题：底孔体型与空蚀破坏、底孔流态、泄流能力等；Y·I·马利克[4]等通过水力学计算和物理模型试验对巴基斯坦达苏坝底孔(坝高233 m)水力参数进行测试。殷彤等[5]结合桐子林电站(最大坝高240 m)针对大单宽流量导流明渠提出采用消、导相结合的综合防护措施能有效地减轻下游冲刷。郭瑾瑜[6]则针对GD3高水头表孔溢流堰(最大坝高150 m)通过Realizablek-ε模型对比研究不同体型闸墩后水翅形态，并指出斜尾墩有助于调整表孔闸室出闸水流流态。

综合国内外关于导流底孔的研究，其主要集中在高水头底孔研究，且缺乏对导流底孔出水口及其下游明渠内流态做相应系统分析。本文以某大坝二期导流为工程背景[7,8]，其底孔泄洪闸在度汛期间作为临时导流建筑物，但在导流泄洪过程中发现底孔泄洪闸进水口前出现间隙立轴漩涡、出水口伴随持续性水翅，因此，有必要采取措施改善底孔流态。

1 工程概况

该水电站施工导流分期进行：一期修筑纵向围堰、利用右岸天然河床形成明渠导流；二期导流是利用上游不过水横向挡水围堰、下游底孔泄洪闸衔接开挖明渠临时度汛，其中挡水围堰由直径达40 cm的浆砌石抹面，抗冲流速较高。底孔坝段宽13.6 m，坝顶高程114.00 m，坝顶宽10.0 m，与电站引水坝段相邻。底孔上游布置纵向长达10 m平台，平台高程83.50 m，底孔坝段共对称布置2泄洪闸，泄洪闸尺寸为2.5 m(宽)×3.5 m(高)，进口呈椭圆形，底孔泄洪闸底板高程为85 m，洞室出口布置3.3 m×4.0 m×2孔(宽×高×2孔)弧形工作闸门，底孔坝段剖面图如图1所示。

图1 底孔坝段剖面图(单位：m)Fig.1 cross-sectional view of dam section

底孔泄洪闸下游衔接等宽矩形断面明渠，明渠宽13.6 m、底部高程84.5 m，纵向坡比为1∶100，明渠依山所建，基岩完好，但在明渠中部(0+170 m～0+230 m)附近明渠轴线呈107°急剧向右岸偏转，且偏转段两岸地势较低，仅达到94 m高程，其平面布置图如图2所示。导流设计流量为365 m3/s，相应底孔前库水位为102 m，库区上游不过水围堰堰顶高程103 m。为更好地了解导流底孔度汛泄洪流态，本文特别对二期导流过程制作物理模型、为设计和工程施工提供可预见参考和借鉴。

图2 导流底孔平面图(单位：m)Fig.2 layout of diversion bottom outlet

2 模型设计

3 原设计方案问题研究

3.1 流 态

当入库流量达到二期导流标准365 m3/s时，底孔泄洪闸充当临时导流泄洪建筑物所用，库前水位为99.88 m，上游横向围堰附近水位为101.32 m，低于围堰堰顶高程，坡脚流速较小，仅有0.3～1.5 m/s，远低于浆砌石抗冲流速。说明底孔泄洪闸以及上游横向围堰足以满足导流度汛要求。但在底孔泄洪闸进水口前伴随间歇性立轴游弋漩涡，且漩涡出现频率较大，平均两分钟达到5次，每次最长持续时间达到35 s[9]。此外由于底孔泄洪闸出口与下游明渠未布置横向衔接致使高速出闸水流急剧向两侧扩散形成折冲水流，而且2相邻底孔泄洪闸出水口存在2 m宽横向间隙，致使高速出闸水流在明渠进口交汇、碰撞，并激起高达4.0 m水翅(图3)。

图3 原设计方案水翅流态Fig.3 Water-ring pattern of original design

3.2 流速分布

在导流设计标准洪水工况下，下游导流明渠及上游泄洪闸内各沿程断面流速分布如表1所示。库前淹没较深，库区内流速较弱，但底孔进水口流速急剧上涨、最大达到8.37 m/s，洞室内流速继续增大，至出水口流速已达到14 m/s。由于下游明渠内横向过流宽度骤然扩大至2.4倍，引起出水口下泄水流形成有压射流，并急剧向两侧扩散、偏折，造成明渠轴线附近形成高达4 m持续性水翅，水翅最远距离达到9 m[如图3(b)所示]。折冲水流在下游明渠内左右回窜，流速普遍达到10 m/s以上，并在明渠弯曲段(0+170 m-0+230 m)由于离心力作用折冲水流急剧向左岸偏移，左右两侧流速分布极不均匀，左侧高达10.20 m/s，右侧仅有6.15 m/s，而且左侧雍高水流甚至偶有飞溅水股漫过明渠导墙，冲击外围山体，存在安全隐患。

表1 明渠断面流速分布 m/s

注明：0+000 m为底孔溢流坝轴线，下同。

3.3 沿程水位分布

导流底孔下游布置矩形断面明渠，但受地形限制，明渠在0+170-0+230 m区域以107°急剧向右侧偏折，极易造成折冲水流冲击明渠边墙，引起失稳破坏。明渠内沿程水位如图4所示，明渠上游部分(0+30 m～0+170 m)附近两侧水位基本一致，相差甚微，但至弯曲段(0+170-0+230 m)水流急剧向左岸汇聚、形成明显雍高，左岸最高水位达到89.8 m、右岸仅有86.6 m，两侧落差达3.2 m，甚至左岸偶尔水体漫过导墙、冲击山体，至明渠下游直线段内两侧水位逐渐恢复平稳。

图4 明渠沿程水位Fig.4 water level distribution along open channel

4 优化方案

当库区入库流量达到导流设计标准365 m3/s时，原方案底孔上游水位仅有99.88 m，底孔进水口高程90.10 m，底孔淹没深度仅有9.78 m，淹没深度不足[10]，底孔泄流能力过大，底孔进水口淹没深度正处于立轴漩涡临界淹没水深，泄流时易携卷空气掺混形成立轴漩涡。而在底孔泄洪闸洞室内，下泄水流呈有压封闭状态，泄洪闸洞室出水口呈压坡段，洞室断面纵向收缩，下泄水流纵向压缩，流速激增。底孔出水口与矩形明渠两侧边壁无任何衔接处理，水流自底孔自由出流，横向过流断面骤增，水流向两侧边壁扩散，形成折冲水流；两底孔出水口隔墙厚3 m，高速水流自底孔畅泄迅速向出水口下游轴线附近交汇集聚，填满出水口下游真空地带，两股高速水流呈小角度交汇碰撞，形成高达4 m的不良持续性水翅，并造成明渠直线段内横向水面不均匀，纵向集聚大量能量，易冲刷明渠泄槽底板。交汇水流受明渠边壁约束，触碰边壁易形成折冲水流，并引起水位壅高，甚至淹没边壁导墙，严重影响水流流态。

图5 各方案平面布置图(单位：m)Fig.5 Layout of each program

4.1 明渠流速分布

入库流量达到365 m3/s时，各方案导流明渠内沿程断面流速如表2所示。下游明渠内布置纵向隔墩以及边墩，两方案均显著改善上游库区流态，稍稍增大底孔前淹没深度、消除不良漩涡，库前最高水位并未上涨至围堰顶部高程103 m，而且二期围堰坡脚处流速亦稍稍降低至在1.0 m/s。

比较两方案明渠内沿程流速，可发现底孔进水口流速无明显变化，但在出水口流速稍稍增大，两方案普遍达到15～16 m/s。其中在椭圆形隔墩方案中高速下泄水流紧贴椭圆形隔墩边壁下泄，并在隔墩末端仍然存在少许飞溅水股，下游明渠弯曲段(0+200 m附近)流速较大、普遍达到6～10 m/s左右，左右两侧流速相差较原设计方案显著下降至3 m/s。而方案2中楔形隔墩显著调整隔墩末端表中底层流速，促使底孔泄洪闸出闸水流表中底层水流以更小夹角分层汇合，避免大幅度横向碰撞，隔墩末端持续性水翅以及下游明渠内折冲水流完全消除，明渠流态如图6所示，沿程水面呈现“细小鳞片状”，明渠下游弯曲段两侧流速显著降低、均在6～8 m/s，横向分布更加均匀。

表2 各方案明渠流速分布 m/s

图6 楔形隔墩方案明渠流态图Fig.6 Flow pattern of open channel in wedge pier program

4.2 明渠水位沿程分布

各方案下游明渠内沿程水位如图7所示，方案一、方案二上游库水位稍有增高，分别达到101.22、101.34 m，泄洪闸前淹没深度亦随之增加，闸前不良持续性漩涡消除。底孔泄流能力有所降低，但仍能满足二期导流要求。方案一高速出闸水流沿着隔墩边壁顺势下泄，并在隔墩末端顺着椭圆形曲线交汇，下泄水流稍有起伏水股、落差较小，但仍有0.6 m左右，下游明渠上游段横向水位落差稍稍降低，但仍有1 m左右，弯曲段左右两侧水位分布达到89.5、86.2 m，两侧落差仍然有3.2 m。而在方案二楔形隔墩方案中两底孔表中底层出闸水流渐进式向明渠中部偏转、交汇、融合，明渠上游段下泄水流横向水位落差显著减低至0.5 m左右，明渠弯曲段左右两侧水位分布达到90.4、88.6 m，两侧水位差仅有1.8 m。

图7 各方案明渠沿程水位分布Fig.7 water distribution along open channel in each program

综合比较椭圆形隔墩方案以及楔形隔墩方案，均可发现两方案虽稍稍降低底孔泄流能力、提升上游库水位，但降低围堰坡脚流速，仍能满足导流设计要求，无需变更原二期围堰结构形式。其中楔形隔墩有助于调整底孔泄洪闸出闸表中底层水流分层交汇、融合，显著消除闸室进口立轴漩涡以及下游明渠内大幅度折冲水流，下游明渠弯曲段两侧水位落差较小，水面呈鱼鳞状，纵向分布更均衡。

5 楔形隔墩后期运行效果

本文提出在泄洪闸出水口布置纵向楔形隔墩旨在改善出闸水流流态，优化下游明渠内流速分布，但导流底孔在施工导流期间临时度汛仅发挥其部分功效，其作为永久性泄洪建筑物务必考虑水利枢纽设计洪水位工况以及校核洪水位工况运行效果。

该工程设计及校核洪水位工况库前水位分别达到112.94、113.30 m，远高于二期导流设计标准洪水位，在该工况下底孔泄洪闸前淹没深度依次达到22.84、23.2 m，底孔泄洪闸泄流能力均能满足该工况要求。增设楔形隔墩后底孔前流态依旧平稳，并未不良漩涡及大幅度紊动，出闸水流流速达到16 m/s左右，楔形隔墩末端高速水流顺势纵向下泄，并未激起强烈碰撞以及折冲水流，下游明渠内水流较深，各断面横向分布更加均匀，左右两侧水位落差基本在0.3 m以内，沿程水位基本无波动起伏，流态较佳。

6 结 语

在原二期导流设计洪水方案中，底孔虽能够达到泄洪要求，但在泄流过程中伴随有明显间歇性漩涡和持续性不良水翅，严重影响底孔运行安全和下游明渠内水 流流态稳定。本文通过物理模型试验，分别提出在两底孔泄洪闸下游增设椭圆形隔墩以及楔形隔墩，得出以下结论。

(1)楔形隔墩虽稍稍束缚底孔泄洪闸泄流能力，但其雍高上游水位、增强底孔前淹没深度，仍然满足导流设计要求，并有效地消除底孔泄洪闸前不良间歇性漩涡。

(2)楔形隔墩调整高速出闸水流流层分布，使相邻闸室纵向出闸水流表中底层渐进式交汇、碰撞，并改善明渠内横向流速分布，有效地避免大角度交汇、碰撞引起的持续性水翅以及明渠内折冲水流，在设计及校核洪水位工况下游明渠内流态更加平稳。

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参考文献：

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