三峡大坝泄水建筑物水力学原型观测与分析

段文刚，侯冬梅，王才欢，胡 晗，唐祥甫

（长江科学院 水力学研究所，湖北 武汉 430010）

1 研究背景

长江三峡工程是治理开发和保护长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运和水资源利用等巨大综合效益。坝址位于湖北省宜昌市三斗坪镇，控制流域面积100万km2，多年平均流量14 300 m3/s。枢纽工程由大坝、电站厂房和通航建筑物组成（见图1）。大坝为混凝土重力坝，最大坝高181 m，正常蓄水位175 m，校核洪水最大下泄流量102 500 m3/s，相应泄洪落差97.3 m，泄洪功率居世界之首[1-4]。三峡深孔最大运用水头90 m，单孔流量2220 m3/s，反弧段流速近40 m/s。表孔最大工作水头22.4 m，单孔流量1690 m3/s，反弧段流速35m/s，泄水建筑物高速水流空化空蚀和坝下挑流冲刷问题引为关注。通过水力学原型观测，可了解泄水建筑物运行性态及其水动力特性，判断或预测可能发生的异常状况，以采取必要的处置或防范措施，并有利于优化调度方案，提升认知和科技水平。

近年来，国内外发生了多起不同程度的大型泄水建筑物破坏事故，如美国奥罗维尔溢洪道（2017年）、糯扎渡泄洪洞（2015年）、阿海溢流坝（2013年）、官地溢流坝（2012年）、金安桥溢洪道（2011年）、景洪消力池（2008年）、三板溪溢洪道（2007年）和二滩泄洪洞（2001年）等。初步分析，其破坏原因可能是：①布置与体型设计不合理；②高速水流掺气设施设计不当或通气不充分；③水流脉动压强诱发板块失稳；④施工工艺或施工质量问题；⑤运行调度原因；⑥认知水平的局限，等等。三峡大坝的运行及安全问题也颇为社会所关注。事实上，三峡水库自2003年蓄水以来，已持续开展了10多年的泄洪原型观测，系统观测了深孔135 m、156 m、172 m和表孔162 m、172 m特征库水位泄洪消能水动力特性，重点考察了水流流态、动水压强、水流流速、水流空化噪声、通气风速、水流掺气浓度、坝下冲刷等参数。本文对所获得的宝贵原型系列观测数据进行分析，并与模型试验成果加以对比、补充，既为大坝竣工验收和运行安全评价提供基本的依据，也有助于从一个方面澄清事实，消除社会上一些不必要的误解和担忧。

图1 三峡水利枢纽平面布置

2 泄水建筑物布置与运行

2.1 泄水建筑物布置与观测重点经过多年论证，三峡泄水建筑物布置在河床中部，电站建筑物在河床两侧，通航建筑物布置在左岸山坡[5]。尽管坝址河床开阔，但因泄洪流量大，机组台数多，河床宽度仍嫌不足，需尽量缩短泄洪坝段长度以减少两岸山坡开挖。因此泄洪孔口采用高程上分层布置，平面上相间布置的方式[6-7]。泄洪坝段前缘总长483 m，分为23个坝段（每个坝段宽21 m），共设23个泄洪深孔和22个泄洪表孔。

泄洪深孔布置在坝段中间，采用有压短管接明流泄槽、跌坎掺气的体型方案。有压短管分为进口段、事故检修门槽段和压坡段3部分，压坡段下游侧设弧形工作闸门；明流泄槽段分为直线段和反弧段。深孔顺水流向长113 m，单孔净宽7 m，进口底板高程90 m，进口顶缘和侧壁均采用椭圆曲线，有压段出口控制孔口尺寸7 m×9 m（宽×高）。掺气跌坎高度1.5 m（跌坎高程88.5 m），两侧各设置Ф1.4 m的通气孔。明槽段底板坡比为1∶4，明槽段顶盖板（桩号20+029～059 m）采用平直布置，高程102 m，布置Ф2.0 m的通气管为闸室和明流洞补气。出口设反弧段，采用常规连续挑流消能形式，反弧半径40 m，挑角27°，鼻坎高程80 m，泄槽末端桩号20+105 m[8-9]，深孔体型布置见图2（a）。泄洪深孔是三峡大坝宣泄洪水的主要通道，兼用作施工度汛和水库排沙，运用库水位变幅大（135 m～180.4 m）。明槽段设置了跌坎掺气，应关注各级库水位运行的掺气效果。其次，减压模型试验表明有压段检修门槽下游顶板在高库水位175 m时存在弱空化现象[10]。

泄洪表孔跨横缝布置，为开敞式溢流堰，顺水流向长80.5 m，单孔净宽8 m，堰顶高程158 m，闸门孔口尺寸8 m×17 m（宽×高）。上游堰头采用1/4椭圆曲线x2/8.42+（4.8-y）2/4.82=1，下游堰面采用WES曲线x1.85=2×220.85y，WES下游接1∶0.7的斜直段，出口设反弧段，采用常规连续挑流消能形式，反弧半径30 m，挑角10°，鼻坎高程110 m，泄槽末端桩号20+75.7 m，见图2（b）。表孔设置两道平板闸门，两门槽间距、宽深比、错距等均对门槽空化特性产生影响。一方面，门槽内漩涡流涡心压力低至一定程度会出现空化；另一方面，门槽下游侧壁易导致水流分离而形成空化，尤其下游工作门槽布置于曲线坝面上，门槽空化受控于门槽本身形式和坝面曲率双重影响，使得该门槽减免空化的难度加大[10-11]。工程设计阶段常压和减压试验显示，在库水位180 m以下运行时，堰顶附近为低压区（但未出现负压），溢流面为免空化体型，工作门槽有微弱的初生空化现象，挑流鼻坎末端在库水位175～180 m时有初生状态的微弱空化发生，但空化强度未随水头增大而加剧[12]。综上，工作门槽下游侧壁和泄槽末端挑流鼻坎是可能发生空化的高危区域。

图2 三峡泄水建筑物示意图

2.2 泄洪运行情况三峡水库自2003年蓄水以来，历年最大入库流量和出库流量特征值列于图3（a）。可以看出，最大入库流量为71 200 m3/s，最大出库流量45 800 m3/s，水库调蓄削峰作用明显。截止2016年底，泄洪深孔累计启闭2960次，累计运行136 589 h；表孔累计启闭133次，累计运行1765 h，表明深孔为常用泄水设施。由图3（b）可知，三峡建库以来深孔泄洪历时呈递减趋势，特别是2008年枢纽完建后，深孔泄洪历时大体在4000 h以下，甚至个别年份未启用。

图3 三峡水库历年泄洪情况

2.3 典型洪水蓄泄过程三峡水库自2003年蓄水以来，基本上年年均有洪水，其中2场洪水最为典型。

（1）2012年7月主汛期，三峡水库经历了长江上中游区域性较大洪水。上游朱沱江段水位超历史实测最高纪录，寸滩江段发生自1981年以来最大洪水，7月24日出现了建库以来最大入库洪峰712 000 m3/s，约相当于20年一遇洪水。经过三峡水库拦洪削峰错峰，库水位由155.8 m涨至163.1 m，三峡电站32台机组满发运行，并开启部分深孔泄洪，最大出库流量45 800 m3/s，其中泄水建筑物最大下泄流量约16 000 m3/s（8个深孔）。削峰35.7%，拦蓄洪量52亿m3，降低荆江河段水位1.5～2.0 m。洪水蓄泄过程见图4（a）。

（2）2008年汛后三峡水库首次正常蓄水位175m试验性蓄水，在蓄水末期出现了一次明显涨水过程，11月3日入库洪峰流量达33 000 m3/s，为有水文资料以来同期最大来水，库水位由164.3 m涨至172.6 m。11月3～10日大坝开启了部分深孔和表孔泄洪，最大出库流量达28 100 m3/s，见图4（b），其中泄水建筑物最大下泄流量约15 000 m3/s（6个深孔+3个表孔）。这是三峡大坝170 m以上高库水位深孔、表孔联合泄洪为数不多的实例之一。

图4 三峡大坝典型洪水过程

3 观测方法和工况

3.1 观测方法实施水力学原型观测是个复杂的长期工程，包括大坝施工期仪器底座和电缆埋设、大坝泄洪期间各参数观测记录、后期资料整理分析和报告编写等，通常要持续好多年。三峡大坝泄水建筑物水力学原型观测参数（或项目）主要有：水流流态、动水压强、水流流速、水流空化噪声、空腔负压和通气风速、水流掺气浓度、泄洪雾化和坝下冲刷等，观测方法见表1。

表1 水力学观测参数与方法

3.2 观测工况自2003以来，先后开展了3级库水位深孔和2级库水位表孔泄洪水力学观测，观测工况见表2，仅泄洪观测就持续了12年。

表2 水力学观测工况

4 观测结果

4.1 泄洪深孔

图5 三峡深孔泄洪流态

（1）水流流态。水流流态是直观反映水流运动特性的重要指标。库水位135～175 m泄洪时，深孔有压式进水口淹没深度36～76 m，泄洪前缘水面总体平稳，泄流平顺，未见明显不利流态。由于上游来流方向与深孔轴线呈一定夹角，部分深孔进口前缘间歇性出现游移状立轴旋涡，见图5（a），直径约1～2 m，持续时间4～5 min。水流进入明流泄槽后表面开始掺气，随着库水位升高，明流段流速加大，表面水流充分掺气，呈白色絮状，同时水流紊动加剧，通气孔附近耳闻有较强烈的“啸叫”声。库水位172 m及以上泄洪时，高速水流泄槽表面水翅裂散明显，水面阵发性抬升喷溅，反弧段偶尔可见跃起水翅明显高于高程94 m导墙顶部。出挑坎后水舌挑射下游，消能区水流翻滚剧烈，水面涌浪较大，见图5（b）。水流出左导墙和右岸纵向围堰后分别向两侧扩散，水流径直顶冲左岸电厂下游岸坡凸嘴处、右岸高家溪河岸，激起波浪爬高沿岸坡3～5 m，高家溪以下河道水流逐步调整平顺。

泄洪形成的水雾弥漫在消能区及下游河面上，库水位越高，下泄流量越大，雾化强度越大。现场观测浓雾区主要分布在高程150 m以下空间，薄雾区扩散可超过坝顶高程185 m以上。左右两测孔口开启时，有时薄雾可飘散至左、右两岸电厂屋顶。总体来说，三峡坝址河床宽阔，泄洪雾化影响有限。

（2）动水压强。这是判别体型优劣的重要指标，也是水流空化特性分析的重要依据，有时亦可辅助判别水流流态。各级库水位深孔明流段底板动水压强分布见图6（a）。低库水位135 m泄洪时，掺气跌坎下游30 m坝面可形成明显射流冲击压强，实测其值127 kPa。高库水位运行时，掺气跌坎射流冲击压力区已与反弧段形成的压力增大区域相重合，无法明显区别，表明射落主流已接近或进入反弧段。随着库水位升高，泄槽底板动水压强总体呈增大趋势，最大压力发生在反弧段86～95 m处，之后快速衰减直至反弧末端。库水位172.6 m实测反弧段最大动水压强394 kPa，挑坎末端172 kPa。为便于对比分析，特将深孔单体1：20模型试验成果汇列与此，可见145 m库水位尚有冲击压强，位置较135 m库水位略靠下游，165 m和175 m库水位压强分布规律模型试验成果与原型观测基本一致。同时，模型试验揭示，随库水位抬升，反弧段底板脉动压强标准差呈单向增大趋势，175 m库水位其值 s为50 kPa，见图 6（b）。

（3）水流空化噪声。正如柯乃普所说：空化是最令人讨厌的水动力学现象，其危害既广泛又明显，并且严重地阻碍科学与工程等多方面的发展[13]。空蚀是空化的次生现象，但空化与空蚀是两个不同的概念。空化未必空蚀，空蚀必有空化。空蚀不是单纯的水动力现象，而是水流与固壁相互作用的结果。它是既涉及空化又涉及固壁损伤机制的极为复杂的力学现象。库水位越高流速越大，发生空化水流的可能性增大。以往模型试验研究表明，深孔检修门槽区和泄槽反弧末端是空化高发区域。水流空化噪声具有高频特性，工程上常用水流空化产生的宽频带随机性噪声信号作为空化发展不同阶段的判据，因此运用空化噪声探测技术研究水流空化问题是一种有效的技术手段。通过水下噪声测量和分析可监测空化的初生和发展，分析空化特性并确定空化产生的部位。为了避免环境噪声干扰，水下噪声测量和分析主要在高频段进行，采集分析系统频率为200 kHz。重点分析其功率谱特性，并作1/3倍频程处理。通常采用噪声功率谱级差法来进行空化特性的判断分析，声谱级差值ΔSPL=SPLf-SPLo，其中SPLf为特征工况运动水流总噪声谱级，而SPLo则为动水无空化状态的背景噪声谱级，选用135 m低水位或闸门小开度运行作为背景噪声。通常将ΔSPL值达到5 dB作为空化初生的判别指标；当明显地出现某一类型空化时，相应频段ΔSPL值将达到10 dB以上；当空化较弱，谱级差值ΔSPL介于5～10 dB之间[11-12]。实测库水位172.6 m泄洪时，深孔检修门槽区在整个开门过程和全开稳态运行时，高频段噪声谱级的跳跃均小于5 dB，表明在检修门槽区未出现明显水流空化。泄槽末端挑流鼻坎部位随着闸门开度增大，高频段起伏小于10 dB，表明该部位存在初生空化水流信号。

（4）掺气空腔与通气风速。跌坎底部掺气空腔形态原型无法观测，1∶20单体模型试验结果显示，随着库水位抬升，水舌内缘挑距加大（175 m时主体水舌进入反弧段），空腔回溯水流强度加大，掺气空腔长度并未增大反而呈减小态势（见图7和表3）。库水位165 m及以下时，空腔波动较小，空腔长度22～23 m，摆动幅值3～5 m；库水位175 m时，空腔波动剧烈，空腔长度21 m，摆动幅值达12 m，其摆幅是165 m库水位的2.4倍。

图7 掺气空腔与通气风速

表3 底部空腔长度随库水位变化

掺气空腔负压与通气风速密切相关，一般来说，空腔负压绝对值越大，通气风速越大。为避免强烈的“啸叫声”和噪声污染，规范要求平均风速不超过60 m/s，空腔负压-2.0～-14 kPa。各级库水位掺气空腔负压值见图8，随着库水位抬升，负压绝对值增大，但均在允许范围内，与模型试验结果呈一致规律。原型实测172.6 m库水位时掺气空腔负压值为-4.9 kPa。

通气风速由于现场仪器损坏未获得原型数据，1∶20深孔单体模型试验结果显示，随着库水位抬升，通气风速和单宽通气量呈逐渐增大的趋势。库水位175 m泄洪时，通气风速达71 m/s，测算单宽通气量为25 m3/s·m。

图8 各级库水位掺气空腔负压值与通气风速

图9 深孔明流段底板掺气浓度沿程分布

（5）水流掺气浓度。各级库水位深孔明流段底板掺气浓度沿程分布见图9。原型观测显示，随库水位升高，沿程掺气浓度增大，极值出现在掺气跌坎下游30 m附近，之后掺气浓度快速衰减，至反弧末端降至最低。实测172.6 m库水位最大掺气浓度为12.9%，反弧末端最小值为2.0%。根据以往多个工程原型观测成果，掺气浓度3%以上即可实现掺气减蚀目的。

（6）汛后检查。汛后深孔过流面检查表明：深孔检修门槽区未发现空蚀破坏，坝面和反弧末端亦无明显损蚀破坏，部分深孔明流段水舌的上表面水迹有明显抬高现象。过流面在高速含沙水流的长期冲刷磨损下，部分浅表砂浆被冲掉呈现出麻面，主要表现为过流面大粒径砂石料外露、糙感明显、细部不平整3 mm以内，侧墙过流面部位施工期间遗留的砂线和施工缝，在高速水流作用下出现蜂窝和细小破损[14]。

4.2 泄洪表孔

（1）水流流态。表孔开敞式溢流堰泄洪时，泄洪前缘水面平稳，水流平顺，漂浮物下排顺利。坝面上游10 m以内水流拉动明显，水面跌落凹陷，见图10（a）。泄洪水流绕墩头汇入闸室后，由于流速加大，闸墩头部表面水流脱离边壁。闸室内首先从两侧边壁形成小范围掺气带，逐渐向中部扩展，至泄槽末端表面四周水体全部掺气。由于挑角较小（10°），挑射水流近乎平抛射向下游水垫，见图10（b）。坝下消能区水流漩滚较为剧烈，水体呈白色泡沫状。由于表孔开启泄流孔数较少，泄洪雾化影响范围有限。

图10 表孔泄洪大坝前后景象

图11 表孔溢流坝面动水压强

图12 表孔溢流坝面底部流速

（2）动水压强。表孔溢流坝面动水压强分布见图11，两级库水位呈现相同规律，即水流进入闸室后，沿堰头椭圆曲线和WES曲线动水压强逐渐降低，在堰顶下游25～30 m处达到最低压强（仍为正压），后受反弧段影响压强陡然升高，至桩号20+060 m附近压强达到最大值，之后快速衰减直至泄槽末端。实测172.6 m库水位堰顶下游最小压强5.9 kPa，反弧段最大压强176 kPa，泄槽末端17 kPa。

（3）底部流速。表孔溢流坝面底部流速分布见图12。两级库水位亦呈现相同规律，即沿流程水流流速逐渐增大，至泄槽反弧末端达到极值。并且库水位越高，同一测点测值增大。实测172.6 m库水位WES下游段测点流速14.9 m/s，行至反弧起始断面流速加大至22.9 m/s，反弧末端最大流速27.5 m/s。应该指出的是，本测值为底部流速，实际表面水流流速将更大。

（4）水流空化噪声。表孔工作门槽区和泄槽末端反弧是空化高发区域。库水位172.6 m泄洪时，工作门槽后侧墙和底板，开门过程中高频段噪声谱级均较空气中背景略有升高，随着闸门开度进一步增大，高频段噪声谱级无明显增大，整个开门过程及闸门全开稳态条件下高频段噪声谱级与背景噪声谱级相比升高幅值不超过10 dB，表明工作门槽区未监测到空化水流信号。泄槽末端反弧段挑坎，启门之初高频段噪声谱级较空气中背景值上升约7～10 dB，随着闸门开度增加，高频段较背景值升高约10～25 dB；至闸门全开时，高频段较背景值升高仍有10～20 dB，表明开门过程中及全开稳态条件下，反弧挑坎部位存在轻微空化水流信号。

（5）汛后检查。汛后过流面检查表孔流道未发现空蚀破坏。

4.3 坝下河床冲刷三峡大坝坝址基岩为坚硬完整的花岗岩，地质条件良好，具有修建混凝土高坝的优越地形地质条件，故泄水建筑物采用挑流消能。河床坝段建基面高程较低，最低为4 m，一般在40 m以下[9]。左导墙坝段建基面10 m，下游堤头低至-8 m。

图13 泄洪坝段下游历年冲刷纵剖面图

表4 坝下冲刷特征值（原型观测）

表5 坝下冲刷特征值（1∶100水工模型试验）

由挑流冲刷深度估算公式并结合三峡工程实际，坝下河床冲刷深度与库水位、下游水位（水垫深度）、下泄流量与运用方式（如机组、深孔、表孔、开启方式）等因素密切相关。根据2003年12月、2008年4月、2009年3月和2012年11月三峡坝区水下地形，绘制了泄洪坝段下游历年冲刷纵剖面图（见图13），冲刷深度特征值见表4。

tk=kq0.5H0.25

式中：tk为水垫厚度，自水面算至坑底，m；k为冲刷系数，与基岩构造、节理裂隙特性有关；q为单宽流量，m3/（s·m）；H为上下游水位差，m。

三峡深孔、表孔经过2003—2018年泄洪运行考验，库水位变化范围135～175 m，下游水位66.0～71.5 m，2008年工程完建后最大出库流量46 000 m3/s，泄水建筑物最大下泄流量约16 000 m3/s。其中2003～2007年，三峡工程仍处于施工期，深孔参与施工度汛，运用库水位较低（135～156 m）。2003年12月水下地形为深孔135 m水位运行1个汛期后地形，消能区冲刷地形较为平坦，高程多在30～40 m之间，泄洪8#和18#坝段下游出现两个冲坑，其最深点高程分别为26.5 m和24.5 m，距深孔鼻坎146 m。2008年4月地形可以认为是工程完建后的初始地形，2009年3月地形是三峡水库首次高库水位（172.6 m）泄洪冲刷形成，冲坑最深点高程20.8 m，位于泄洪7#坝段下游117 m，折算其上游坡比为1∶6，远缓于规范要求的1∶2.5。2012年12月地形为建库以来最大入库洪峰712 000 m3/s经拦蓄削峰泄洪冲刷形成的，虽然最大出库流量45 800 m3/s，但库水位较低（163 m以下），下游水位较高，故坝下地形不冲反淤。1∶100水工模型试验坝下冲刷结果[15]见表5，与原型冲刷相近工况总体一致。

5 分析与讨论

应该指出的是，三峡深孔在高库水位（172 m以上）泄洪时出现了特殊的水力现象，明流泄槽段水面间歇性跃升，水翅阵发性喷溅。库水位135 m、156 m和162 m深孔泄洪均未出现，是高库水位泄洪特有的一种流态。其不利影响主要有二：一是少许水流翻越导墙外溢；二是引起附近坝体轻微振动。

高库水位运行深孔高速掺气水流是复杂的水气两相紊流，水翅阵发性喷溅的成因和机理目前尚不完全清楚，超出当前认知边界，但可从水流自掺气（内因）、掺气跌坎和反弧段边界条件（外因）、进口漩涡（外因）等方面展开讨论。原型观测并结合深孔单体1∶20模型试验成果初步分析认为：①高库水位运行水流流速高（约35 m/s），水体紊动剧烈，水流表面发生自掺气容易失稳，175 m库水位反弧段底板脉动压强标准差为50 kPa（是165 m库水位的1.5倍）；②高库水位底部掺气空腔回溯水流摆动幅值加大，通气风速和空腔负压紊动增强。175 m库水位空腔回水摆动幅值达12 m（是165 m库水位的2.4倍）；③跌坎水舌内缘落点进入反弧段，泄槽水面波动较大，反弧段底板及侧壁动水压强紊动剧烈，部分测点瞬时最大值和最小值之差达412 kPa；④气泡逸出膨胀破裂引发；⑤进口漩涡的不良激励；⑥以上诸因素的叠加等。由此可以得到以下启示：①复杂边界的高速水气两相流应引起足够重视，三峡深孔1∶20单体模型可能是当前实验室能做到的最大尺度物理模型（流量1.3 m3/s，高度达6 m），仍存在明显缩尺效应，虽可揭示空腔回水摆动特性，但却不能预演（复演）水翅阵发性喷溅现象。而复杂边界的掺气水流三维数值模拟技术更不成熟；②深孔运行水位变幅大（135～180 m）加大了底部掺气设计难度，应避免掺气水舌落点进入反弧段，边界微小变化亦可能对水流产生较大波动；③任何运行工况（特别是高水位）保持底部稳定的掺气空腔至关重要，既可确保稳定补气又可避免对主体水流扰动。

水工水力学是门工程实践性很强的技术学科，特别是对于复杂边界的高速水气两相流问题，仍需要不断的理论探索和实践检验。

6 结论

三峡大坝泄水建筑物高速水流空化空蚀和坝下挑流冲刷是评价其安全运行的主要指标。原型观测结果显示，泄洪深孔、表孔过流面未见空蚀和泥沙磨损破坏，坝下挑流消能区冲坑最深点高程20.8 m，高于建基面，折算其上游坡比1∶6，远缓于规范要求的1∶2.5，表明三峡大坝泄水建筑物布置总体是成功的。自2003年三峡水库蓄水以来，经受了16个汛期特别是2012年最大入库洪峰流量71 200 m3/s（约相当于20年一遇洪水）的考验，泄水建筑物运行调度正常。同时应该指出的是，深孔虽然泄洪历时较长，但大多在中低库水位165 m以下运行，170 m库水位以上泄洪较少，表孔泄洪历时较短。高库水位、低下游水位运行是其泄洪消能特性评价的控制工况。