我国特高拱坝坝身泄洪消能技术研究与应用

段文刚，胡 晗，侯冬梅

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

进入21世纪，我国大坝建设快速发展且愈建愈高，200～300 m级特高拱坝接连出现。2000年竣工的雅砻江二滩水电站坝高240 m，是彼时我国最高的大坝；2014年建成的雅砻江锦屏一级水电站坝高305 m，是目前世界第一高坝；1987年建成的格鲁吉亚英古里坝高272 m，是目前国外最高的拱坝。高坝泄洪伴随着能量的传递和释放，不可避免地将对过流边界和周边环境产生影响，时至今日泄水建筑物遭受破坏的实例仍屡见不鲜，高坝泄洪消能是坝工建设与运行的关键技术之一[1]。特高拱坝一般位于大江大河的高山峡谷之间，高水头、大泄量、窄河谷、向心集中特征明显，坝下消能防冲难度加大。我国特高拱坝无论是泄洪建筑物规模还是水力指标(如泄洪落差、泄洪流量和泄洪功率)均居世界前列。本文主要以2000年以来国内新建的11座特高拱坝(坝高≥200 m)坝身泄洪消能布置和水力指标为主要考察对象，进而重点阐明拱坝坝身消能的3种典型创新模式。

1 水垫塘消能评价指标

拱坝坝身通常采用挑跌流水垫塘消能形式，其水流结构复杂，塘内三维流态特征显著，总体呈斜向淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态，见图1。入水射流沿主射流方向可分为3个流动区域，即淹没射流区、冲击区和壁射流区。其中淹没射流区，主流近似遵循线性扩散规律；在冲击区，主流转向，流线弯曲，流速迅速减小，压力急剧增大，对水垫塘底板产生巨大的冲击压力，是造成底板失稳破坏的主要区域，表现出明显的冲击射流特征；而在壁射流区，主流贴底射出，并沿程扩散和迅速跃起，并在主流区的顶部形成大的表面旋滚区，具有明显的淹没水跃特征[2]。

水垫塘消能评价指标主要包括定性和定量两个方面。其一，定性流态控制。水垫塘几何空间尺寸必须满足各级流量泄流时形成淹没水跃，避免水舌直冲干砸两岸边坡，避免水舌过于集中。水跃旋滚区末端距二道坝顶有一段平稳水面，出塘水流基本恢复至正常缓流状态，二道坝下游不宜出现二次水跃。水垫塘长度一般由水舌抛射距离和水跃漩滚长度确定，或根据二道坝上游坝面的动水压力是否接近静水压力来判别。通常由中孔挑射水舌控制，二道坝一般设置在中孔水舌冲击点下游1.5倍水深处。水垫塘宽度根据泄洪水舌入水宽度、河谷地形地质条件、塘内流态等因素综合分析确定。水垫塘深度根据冲击压力和大坝建基面确定，底板高程太高，则水垫深度小，水流对底板的冲击压力大；若底板高程太低，水垫深度大，消能效果虽好，却又造成开挖过多，增加水垫塘工程量，同时影响坝肩抗力体的稳定[3]。其二，定量控制。水垫塘冲击压力ΔPmax应满足规范限值要求，即ΔPmax≤ 15×9.81 kPa[4]。同时，水垫塘底板高程不应低于大坝建基面。

二道坝坝顶高程由水垫塘消能水垫深度、水垫塘检修条件和二道坝坝后的水力条件综合确定。二道坝太低，水垫塘水垫深度可能较小，且检修时需临时加高二道坝，施工难度大；二道坝太高，虽能保证水垫深度较大，但二道坝后可能出现二次水跃不利流态。

2 泄洪消能布置与水力指标

国内部分特高拱坝坝身泄洪消能布置与水力指标见表1[5-16]—表3[17-23]。

表1 国内部分拱坝坝身泄洪消能水力指标(坝高≥200 m)[5-16]Table 1 Hydraulic indices of flood discharge and energy dissipation of some arch dams in China withheights larger than 200 m[5-16]

表2 国内部分拱坝坝身孔口体型与水力指标(坝高≥200 m)[17-23]Table 2 Orifice shapes and hydraulic indices of dam body of some arch dams in China with heightslarger than 200 m[17-23]

表3 国内部分拱坝坝身泄洪消能建筑物特征高程(坝高≥200 m)Table 3 Characteristic elevations of flood discharge and energy dissipation buildings of some arch dams in China withheights larger than 200 m

国外特高拱坝泄流量和泄洪功率较小，接近小了一个数量级(见表4[24])。

表4 国外部分特高拱坝坝身泄洪消能水力指标[24]Table 4 Hydraulic indices of flood discharge and energydissipation of some super-high arch dams abroad[24]

表中孔及水垫塘体型：

(1)表孔。表孔通常采用开敞式WES(美国陆军工程兵团水道实验室)曲线实用堰，超泄能力强。出口形式是研究重点，以大差动俯角布置(最大俯角-35°)和平面扩散为主力体型。为进一步分散水流、减轻坝后水垫塘冲击压力，有时加设分流齿坎。分流齿坎体型复杂，可能诱发形成新的空化源。通常需在其侧壁布设通气孔以达到掺气减蚀的效果。某高拱坝表孔泄洪观测发现，通气孔出现水流倒灌现象，水流逆向进入通风廊道，未能达到掺气减蚀效果。初步分析此处压力梯度变化大，可能为施工定位不准所致(布置在正压区)。对于采用表中孔窄缝水舌交错不碰撞消能方式，表孔出口常采用宽尾墩收缩使其水舌竖向拉开。

(2)中孔(深孔)。中孔为有压泄水孔，出口形式仍是研究重点，总体可分为平底型、上翘型和下弯型等3种类型。对于碰撞消能形式，中孔一般采用上翘型，其挑角可达30°。挑角愈大碰撞消能愈好，但其挑距亦愈远，需要更长的水垫塘与之匹配。平面上伴随着扩散和偏转。有时采用下弯型控导其入水范围。

(3)水垫塘。水垫塘一般为复式梯形断面，主要分为平底型和反拱型两种。拉西瓦是第一个采用反拱型水垫塘的特高拱坝。

目前高拱坝水垫塘消能总体可分为3种模式，即表中孔水舌碰撞消能、表中孔水舌交错不碰撞、表中孔碰撞与不碰撞结合。研究思路和工程应用逐渐从“泄洪消能工程安全”向“泄洪消能工程安全与减轻岸坡泄洪雾化并重”转变。

3 表中孔水舌碰撞消能—二滩模式

表中孔水舌碰撞消能可很好地解决水垫塘底板冲击压力过大的问题，二滩拱坝首次采用并取得了显著效果。

二滩拱坝坝身布设7个表孔和6个中孔。通过采用表中孔水舌碰撞消能，使水流充分裂散掺气，增大入水面积，大大削弱水流冲刷能力。同时，表孔采用大差动俯角、平面扩散、加设分流齿坎等措施，进一步减轻水垫塘底板冲击压力[25]。正常蓄水位7个表孔泄洪时(流量Q=6 260 m3/s)水垫塘底板冲击压力最大，其值为10.0×9.81 kPa(见表5[27])。校核洪水下泄流量增大1倍以上，但水垫塘底板冲击压力却只有表孔泄洪的1/2左右，这说明表、中孔水舌碰撞消能效果非常显著。应该指出的是，表、中孔水舌交汇角愈大(这意味着中孔要采用较大挑角)、两者流量愈接近，并在中孔挑流水舌的上升段碰撞，其碰撞消能效果愈显著。二滩工程创造性地开辟出坝身双层孔口水流空中对撞加坝后人工衬护水垫塘的泄洪方式，成为大流量高拱坝泄洪技术发展的一个里程碑[26]。此后的小湾、拉西瓦、构皮滩、溪洛渡、乌东德和白鹤滩等工程均沿用了这种方式(见图2)。

表5 二滩拱坝各级泄量水力特性[27]Table 5 Hydraulic characteristics of different flood discharge rates of Ertan arch dam[27]

图2 拱坝水舌碰撞消能流态Fig.2 Energy dissipation patterns with jets collision

4 表深孔水舌交错不碰撞—锦屏一级模式

坝身孔口水舌空中碰撞消能的同时，也加剧了泄洪雾化强度，这对于下游边坡稳定性较差的工程造成了一定的隐患。

锦屏一级拱坝坝身布设4个表孔和5个深孔，研究提出了坝身孔口水舌交错不碰撞消能技术。表孔采用新型宽尾墩+底板非完全透空体型，深孔出口采用窄缝挑坎和闸墩平直出流体型，获得了窄长的水舌形态(见图3)，实现了表、深孔水舌横向穿插、纵向拉伸、空中交错、分散入塘的消能目的，大大减轻了坝身泄洪雾化的范围和强度，开创了超300 m级特高拱坝坝身泄洪消能的新型式[28-29]。而且水垫塘底板冲击动压亦满足规范限值要求，正常蓄水位4个表孔泄洪时水垫塘底板冲击动水压力最大，其值为14.2×9.81 kPa[30](见表6)。此消能方式可以充分利用下游河道的纵向空间，特别适合于狭窄河谷中的高拱坝坝身泄洪[31]。在建的叶巴滩工程亦采用类似方式。

图3 锦屏一级拱坝表孔窄缝泄洪流态Fig.3 Flood discharge pattern with narrow slot surface-orifices at Jinping-I arch dam

表6 锦屏一级拱坝各级泄量水力特性Table 6 Hydraulic characteristics of different flooddischarge rates of Jinping-I arch dam

应该指出的是，特高拱坝表孔多为开敞式WES溢流堰，流道短、作用水头小、出流流速低，通常难以形成流态稳定、纵向拉伸效果好的窄缝水舌[32]。表孔出口体型较为复杂，或者延长流道匹配更大的牛腿结构，从而加重拱坝顶部结构设计负担。

5 表中孔碰撞与不碰撞结合—旭龙模式

拱坝坝身泄洪消能探索与应用大致符合“认识—实践—再认识”螺旋式上升的过程。

表、中孔窄缝水舌大流量联合泄洪固然水舌碰撞雾化强度有所减小，但正常蓄水位常遇洪水表孔或中孔泄洪时窄缝水舌裂散充分，其雾化强度又有所加大。同时，水舌纵向拉开入水点下移，势必增加水垫塘长度。此外，还有表孔出口体型结构复杂等问题。能否探索出第三条出路？

旭龙拱坝坝身布设3个表孔和4个中孔。基于水垫塘底板冲击压力小于标准限值、减小两岸水舌碰撞溅水、孔口体型简单的三重要求，在系统梳理拱坝孔口水舌碰撞和窄缝水舌不碰撞消能利弊的基础上，分析认为，水垫塘底板最大冲击压力出现在中部，通常由表孔泄洪或大流量表中孔联合泄洪引起；而两侧岸坡雾化雨强大多由边表孔和边中孔碰撞诱发。通过调整表中孔流量分配比例、边中孔轴线外侧偏转、出口挑角优化等措施，试验推荐采用中间表孔和中孔水舌碰撞消能以减轻水垫塘底板冲击压力，两侧边表孔和边中孔横向交错入水不碰撞以减轻溅水雾化雨强(见图4)。并且孔口流道体型简单，未设分流齿坎，亦未采用“燕尾坎”或其他透空体型，便于施工。

图4 旭龙拱坝模型试验泄洪流态Fig.4 Modelling flood discharge pattern of Xulongarch dam

模型试验表明，正常蓄水位3个表孔泄洪时水垫塘底板冲击压力最大，其值为9.2×9.81 kPa。设计洪水工况岸边雾化雨强仅为100 mm/h，均较以往方案大为降低(见表7)。

表7 旭龙拱坝各级泄量水力特性Table 7 Hydraulic characteristics of different flood discharge rates of Xulong arch dam

由此可见，旭龙拱坝采用表中孔碰撞与不碰撞结合的布置方式，圆满协同解决了水垫塘底板冲击压力、两岸溅水雨强、孔口体型力求简单、坝体局部受力条件等复杂技术难题，为高拱坝泄洪消能布置探索了一条新路子。

6 结 语

国外特高拱坝建设起步较早，20世纪80年代达到高峰，近年建设数量有所减少。我国特高拱坝建设起步较晚，但发展较快，其泄洪消能布置和水力指标均居世界前列。近20 a我国特高拱坝泄洪消能研究进展与工程应用，极大地推动了该领域的技术进步和泄洪消能模式创新。坝身消能逐渐演进为3种典型模式：水舌碰撞的二滩模式、水舌不碰撞的锦屏一级模式、水舌碰撞与不碰撞结合的旭龙模式。研究思路和工程应用逐渐从“泄洪消能工程安全”向“泄洪消能工程安全与减轻岸坡泄洪雾化并重”转变，且水垫塘冲击动水压力均小于15×9.81 kPa(标准限值)。建议开展复杂边界数值模拟研发和原型观测研究。如水垫塘三维流场精细数值模拟、泄洪雾化数值模拟和原型观测、高坝泄洪TDG(总溶解气体)生成与释放过程研究等，进而探讨不同消能模式坝下水生态和环境影响。