高拱坝非对称泄洪消能布置优化试验研究

辜晋德，徐建荣，彭 育，薛 阳，赵建钧, 颜志庆

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029； 2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司, 杭州 310014)

1 研究背景

我国西南地区水能资源丰富，在该地区兴建的水电工程大多具有 “高水头、大泄量、窄河谷”的特点，坝身泄流量、泄洪功率均达到世界顶级水平，泄洪消能问题十分突出，泄洪安全问题成为了拱坝设计的关键技术之一[1]。20世纪90年代建成的二滩水电站，坝高超过200 m，通过大量技术论证及研究，最终采用“分层出流、空中碰撞、水垫塘消能”的坝身消能布置方式，同时也提出了“水垫塘动水冲击压力不高于15×9.8 kPa”的水垫塘安全控制标准，为高坝建设积累了宝贵的经验，其消能模式及控制标准也被许多水电工程采用[2-3]。随着工程技术的进步，新建水电工程的坝高不断攀升，坝身泄量也不断增大。为了进一步提高消能效率，许多新建的高坝工程在采用二滩消能模式的基础上，结合自身工程特点，基于分散水舌的原则，提出了各具特色的消能布置方式[4]。对于出口流速较高的深孔，水舌落水点可通过调整深孔挑角实现纵向分散；而表孔出口流速较低，水舌落水点可调整范围有限，再加上拱坝体型的特点，水舌容易向心集中。因而表孔的布置大多配合一些促进横向扩散的措施，同时相邻孔口挑角(俯角)不能太接近，以避免水舌横向交叠。表1列举了国内部分大型拱坝的消能布置参数，其中如锦屏一级水电站就在水垫塘消能安全裕度较高的前提下采用收缩式表孔，降低碰撞雾化效应的同时加大了水舌横向距离[5-6]；溪洛渡、小湾、构皮滩等工程则是在表孔出口设置了不同形式的齿坎，以实现水舌的纵向分散。文献[7]统计了部分国内外大型水电工程的水垫塘消能参数，指出当水垫塘水体消能率低于15 kW/m3时，通过合理的布置基本能将水垫塘动水冲击压力控制在15×9.8 kPa以内。

表1 国内部分高拱坝泄洪消能布置参数[8-12]

白鹤滩水电站泄洪参数位居同类工程前列，水垫塘单位水体消能率更是高达17 kW/m3，高于表1中所列的同类工程，下游消能问题突出，其使用的孔口非对称布置方式在同规模的工程中尚属首创。本文通过物理模型试验对不对称布置下的水垫塘消能问题进行了研究，为同类工程消能布置方案提供参考。

2 非对称方案的提出

在建的白鹤滩水电站位于金沙江下游，枢纽由拦河坝、泄洪消能设施和引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程829 m，最大坝高279 m。所处河谷较窄，呈不对称“V”型，枯水期河道水面宽仅50～90 m，工程按照千年一遇洪水设计，洪峰经水库调节后下泄流量仍然达到44 197 m3/s，坝身泄量达到30 000 m3/s，根据工程实际情况，坝身设置6个表孔、7个深孔泄洪，采用表深孔碰撞及水垫塘的消能模式[13]。

从泄流量及泄洪功率来看，白鹤滩工程与溪洛渡相当，但受地形限制，白鹤滩溢流宽度较小，溢流坝段仅能布置6个表孔，这就意味着泄洪单宽流量更大，消能难度更高。当泄洪表孔数量为偶数时，若采用对称布置方式，则无论如何排布，由于拱坝的向心作用及水舌的横向扩散，中间两表孔下泄水流不可避免地会在水垫塘中重叠，导致局部压力过大。若加设齿坎或可促进水舌纵向分散，但对齿坎附近的局部空化问题则需要进一步研究[14]。因此，根据分散水舌的原则，提出一种非对称的交错布置方式：将表孔分为3组：1#表孔和4#表孔采用俯角35°，水舌落点较为靠近坝趾；2#表孔和5#表孔采用5°挑角，配以舌型坎挑出水流并促进水流横向扩散，挑距最远；3#表孔及6#表孔采用15°俯角，水舌落点位于前2组水舌之间。该布置方案通过不同俯角将水舌纵向分为3层，落点位于同一层的水舌之间间隔2个表孔的宽度，相邻孔口之间挑角差距为20°～40°，避免了水舌重叠，同时充分利用了水垫塘消能空间[15]。

相对于表孔，深孔水舌具有出口流速高、空中挑距长的特点，采用对称布置方式，通过调整挑角控制水舌落点。坝身表孔与深孔间隔布置，深孔布置在表孔闸墩内，7个深孔溢流前缘在平面上近似呈弧线左右对称布置。1#、7#深孔出口采用俯角5°，其它5孔均采用挑角。2#、6#深孔为3°挑角，3#、5#深孔为12°挑角，4#深孔为25°挑角；出口后弧形闸门边墙向两边各突扩0.6 m，扩散角4°。平面上，4#、7#深孔身沿径向布置；1#、2#、3#、5#、6#深孔孔身采取平面压力转弯的方式，孔身轴线在控制点前采用径向布置，孔身轴线在控制点后偏转角分别为：+1°、+3°、+4°、-4°、-2°。

3 水工模型试验结果及分析

3.1 原布置方案试验

为了验证白鹤滩坝身泄洪孔口非对称布置方式的合理性，南京水利科学研究院根据设计方案建立了白鹤滩1∶50整体水工模型，对坝身布置方案的合理性进行了试验验证。

坝身各表孔单独泄洪时的水舌落水点如图1所示。从图1可以看出，表孔水舌落水点分为3组，各组水舌落点之间有明显距离，同组水舌之间没有明显重叠。深孔水舌呈V型排布，中间深孔挑距最远，两侧深孔挑距最近，水舌之间层次分明。表、深孔水舌落水点分布合理，试验过程中可以观测到，当表、深孔水舌各自单独泄洪时，水垫塘内流态平顺，没有明显不良流态出现。在校核流量下(坝身泄量30 000 m3/s)，表、深孔联合泄洪(见图2)，表孔水舌与深孔水舌在空中碰撞后分散进入水垫塘。由于表、深孔的交错布置，每一股表孔水舌均与2～3个深孔水舌碰撞，表、深孔水舌碰撞后合并为一团水雾跌落水垫塘，水垫塘水流紊动剧烈。

图1 表孔水舌落点分布

图2 表、深孔联合泄流水舌流态

水垫塘底板上的动水冲击压力是水垫塘安全评估的主要参数，也是泄洪消能布置方式是否合理的重要指标。为了测量水垫塘底板动水冲击压力，在模型水垫塘底部安装1 000个测压管及300余个脉动压力传感器，对泄洪时的底板动水压力及脉动压力进行了高密度测量。

为了便于描述，在水垫塘建立平面坐标：以坝轴线为x轴，以水垫塘纵向为y轴，坝轴线与水垫塘中心线交点为原点，水垫塘左侧为负，右侧为正。模型实测动水冲击压力Δp如图3所示。试验结果表明，当表孔单独泄洪时，1#表孔落水点靠近水垫塘左侧边壁，水垫相对较浅，导致1#表孔落水点附近出现明显冲击压力，压力峰值约为10×9.8 kPa；深孔单独泄洪时，水垫塘底部没有发现明显冲击压力；表、深孔联合泄洪时，在水舌跌落范围内(y=160～240 m)出现较明显的冲击压力，该范围内出现2个冲击压力峰值，位于水垫塘中心左右两侧，其中左侧冲击压力峰值为9×9.8 kPa，位置坐标为(-29,190) m，右侧冲击压力峰值为15.7×9.8 kPa，位置坐标为(12,190) m，同时也可以测量到该位置脉动压力均方根值超过10×9.8 kPa。试验结果表明，表孔和深孔各自单独泄洪时，水舌分散合理，水垫塘流态良好；表、深孔联合泄洪时，在坝身泄量达到30 000 m3/s的情况下，通过碰撞消能可将水垫塘冲击压力峰值控制在15.7×9.8 kPa，仅略高于控制标准15×9.8 kPa。由此说明表孔不对称的泄洪消能布置方式基本合理，但在表、深孔联合泄洪时安全裕度不足，仍需要进一步优化。

图3 表、深孔联合泄洪水垫塘动水冲击压力分布

3.2 优化方案试验

从试验数据来看，冲击压力峰值出现于水垫塘的右侧，显然是由于右侧表、深孔水舌碰撞后跌落产生。为了探寻导致冲击压力峰值的主要原因，在模型上控制拱坝上下游水位，在开启7个深孔的同时，分别以不同的组合方式开启右侧3个表孔，并测量水垫塘内的动水压力。不同组合方式下水垫塘动水冲击压力峰值及峰值点坐标见表2所示。

表2 不同开启组合水垫塘动水冲击压力

从试验数据可以看出，右侧任意一个表孔与深孔组合下泄时，水垫塘内没有明显冲击压力出现；2个表孔组合时，仅5#表孔及6#表孔组合时，水垫塘内出现明显冲击压力，冲击压力峰值为16.8×9.8 kPa，出现的位置坐标为(18,190) m；右侧3个表孔同时开启时，冲击压力峰值为15.6×9.8 kPa，出现位置坐标为(12,190) m。由此可以判断，水垫塘右侧冲击压力峰值是由5#及6#表孔水舌与深孔水舌碰撞叠加后产生的，4#表孔水舌的加入并不会增加水垫塘右侧的冲击压力。

图4 表深孔水舌轨迹

为了分析水舌之间的碰撞关系，将4#—6#表孔及4#—7#深孔水舌剖面轨迹绘于同一图上，如图4所示。从图4可以看出，4#表孔水舌较为靠近坝趾，与5#、6#表孔水舌有较明显的距离，4#表孔与深孔水舌碰撞角度较大，碰撞点较高，因而碰撞效果较好，从试验结果也可以看出4#表孔的加入并没有增大水垫塘的冲击压力。从图4也可以发现，虽然5#表孔设置了挑角，但由于表孔溢流堰较短，5#与6#表孔水舌虽有间隔但距离较近，在校核水位下，表孔水舌厚度增加，5#与6#表孔水舌间距将进一步减小，同时2个表孔水舌与深孔水舌碰撞角度较小，碰撞分散水舌的效果有限，与深孔水舌碰撞合并后仍会在一定范围内重叠，从而导致局部冲击压力增大[16]。

结合表孔水舌轨迹的分析，降低水垫塘动水冲击压力应从分散5#和6#表孔水舌着手。由于表孔溢流堰流程较短，进一步增大5#表孔挑角对水舌挑距的影响有限，因此尝试增大6#表孔的俯角。从水舌轨迹来分析，当6#表孔俯角调整为25°时，水舌轨迹的剖面投影大致位于4#及5#表孔水舌中间，同时增大6#表孔俯角可以增大表孔水舌与深孔水舌的碰撞角，改善消能效果。在模型上将6#表孔俯角从15°调整为25°，在校核工况下对水垫塘动水冲击压力进行了测量。试验表明，调整6#表孔俯角后，水垫塘动水冲击压力峰值为14.6×9.8 kPa，峰值位置坐标为(24,185) m。调整后动水冲击压力略有降低，虽然可以满足水垫塘动水冲击压力不大于15×9.8 kPa的要求，但安全裕度不足，仍需进一步优化。

从表孔水舌轨迹来看，继续加大表孔俯角可能增大表孔单独泄洪时的动水压力，纵向上优化的空间较小。观察水垫塘动水压力分布(图3)，可以发现在水垫塘中心线附近动水冲击压力较小，说明下泄水流横向上仍有较大的调整空间。进一步的优化应结合深孔平面布置进行调整。图5为可研阶段坝身深孔平面布置，为避免入水水舌的向心集中，5#、6#深孔分别向外侧偏转4°、2°，而1#、2#、3#深孔则分别向外侧偏转1°、3°、4°，这也是造成水垫塘压力分布出现左右2个峰值区而沿中心附近压力较为平坦的原因之一。从图5可以看出，5#和6#表孔水舌入水坐标大约在y=130～140 m附近，与其有碰撞的5#—7#深孔水舌落水点在y=160～200 m范围内，正对应水垫塘冲击压力出现的区域。

图5 深孔优化布置平面

实际上在试验过程中，深孔的挑角布置方案使水舌落水点呈“V”型分散，同组水舌横向上仍有较大的空间。因此针对水垫塘右侧冲击压力集中的问题，尝试将5#和6#深孔平面偏转角向水垫塘中心调整，促使碰撞水流向水垫塘中心移动，以削减水垫塘右侧冲击压力。试验比较了5#、6#深孔平面偏转角分别为(2°、1°)、(1°、1°)和(0°、0°)3种方案，各方案下水垫塘动水冲击压力峰值见表3。试验结果表明，减小5#、6#深孔平面转弯角有利于减小水垫塘右侧底板冲击压强，当5#深孔及6#深孔偏转角为0°时，水垫塘动水冲击压力峰值为11.1×9.8 kPa，最大脉动压力均方根值为8.7×9.8 kPa。

表3 优化方案水垫塘动水冲击压力

试验最终推荐在原不对称布置方案的基础上，修改6#表孔俯角为25°，调整5#和6#深孔偏转角为0°。试验数据表明，优化后的不对称布置方案不仅在表深孔水舌单独泄洪时可以有效避免水舌重叠，同时也能满足坝身大功率泄洪时水垫塘安全控制指标，是一种高效合理的泄洪消能布置方式。

4 结 语

白鹤滩水电站具有高水头、大流量的特点，属于典型的巨型水电工程，同时坝身溢流前沿短，河谷狭窄，泄洪消能技术难度大。在白鹤滩工程采用坝身表孔3组非对称排布，有效避免了表孔泄洪水舌交叠，充分利用了水垫塘消能空间。模型试验研究发现表孔不对称排布导致表、深孔联合泄洪时局部碰撞不充分，引起水垫塘局部压力过大。通过调整边表孔俯角及深孔平面偏转角度可有效降低水垫塘压力峰值，优化后的泄洪消能布置方案可以满足不同泄洪工况下的水垫塘安全要求，为解决类似工程的泄洪消能问题提供了参考。