大坝泄水建筑物水力学原型观测与分析

吕 垚

(江西信江水利电力勘察设计有限公司，福建 上饶 334600)

0 引言

随着时代的不断发展，我国经济效益的不断提升，政府及相关部门逐渐提高对水利工程的关注力度。在此背景作用下，大坝泄水建筑物的治理与开发工作作为骨干工程存在，其具备一定的发电、防洪能力，可通过水力学原型观测的方式，保证泄水建筑物的布置与运行更加合理，规划出所需观测的重点，测定泄洪的实际状况，满足水力学原型观测需求，从而促进此工程的顺利运行。

1 大坝泄水建筑物水力学原型观测的基本概述

在大坝泄水建筑物中，水力学原型观测是通过安装传感器的方式，控制溢流面状态，实时监测过水建筑物的运行情况，以避免大坝泄水建筑物出现问题。现阶段，被广泛应用于施工领域的操作方式为主体建筑混凝土浇筑，运用预埋水力学的方式，增加通用底座的利用，观测电缆的运行状态，测定过流面的实际运行条件，利用通用的底座盖板，完成水力学传感器的安装，促使预埋电缆与信号电缆完成对接工作。这样一来，工作人员即可凭借往年的施工经验，减少安装环节的问题，简化施工工艺，进而保证大坝泄水建筑物的稳定运行(具体如图1所示)[1]。

图1 大坝泄水建筑示意图

2 大坝泄水建筑物的布置与运行方式

2.1 合理布置泄水建筑物，规划观测重点所在

运用论证的方式，保证大坝泄水建筑物布置为河床中间点，使电站分布于河床两侧，将通航建筑物设置为左岸。这样即可保证河床的运行空间得到满足，不会受到泄洪流量影响，设置合适的机组，实现对河床宽度的控制，在最短时间内规划出泄洪坝段的实际长度，以避免存在过多开挖问题。此时，可根据泄洪孔口，运用高程分层的布置方式，完成平面布置工作[2]。

x2/8.4+(4.8-y)2/4.82=1

(1)

X1.85=2×220.85

(2)

由此可知初生状态下会产生空化现象，但空化强度会跟随水头的增加而产生改变。运用试验的方式可知，下游侧壁部分可被规划为空化现象频繁出现的区域，也可作为高危地带存在[3]。

2.2 掌握泄洪运行状况，确认典型洪水蓄泄过程

根据往年蓄水状态进行分析，实现对入库流量以及出库流量的控制，将各项参数一一排列于阵列中，这样可规划处实际入库流量以及最大出库流量，运用水库调蓄的方式，保证泄洪深孔累计启动以及关闭次数在2 000次以上，这样则可计算出单次运行时间，增加常用泄水设施的应用，以保证建库活动的完整性(如图2所示)。在此基础上，根据目前的表孔累计启闭状态，即可确认枢纽建设完毕后，泄洪历时的具体时间，规划出具体某一年内的启用状态[4]。

图2 往年最大入库出库流量

以2012年7月为例，在三峡大坝某一泄水段出现了较大的洪水。主要原因在于长江内的水流增加，导致大坝实际水位上升，打破历史水位的最高纪录。此时运用水库拦洪的方式，使库内水位被控制，增加电站机组(32台)的运用，使多数深孔泄洪被开启，实现对库内总流量的控制，以保证下泄流量在1.6万 m2/s以内，完成拦蓄工作，将削峰值控制在35.7%，使此案例作为表孔、深孔联合泄洪的案例之一。

表1 大坝泄水建筑物水力学原型观测参数及方式

3 大坝泄水建筑物水力学原型观测措施

3.1 加强观测方法的利用

(1)动水压强。由于大坝泄水建筑物水力学原型观测工作的耗时较长，其作为一种复杂的长期工程存在，其中主要包括施工前期电缆埋设、仪器底座安装、泄洪参数测定、记录，后期数据整合以及报告编写等工作。上述工作执行完毕需要历经多年之久，使大坝泄水建筑物水力学原型观测的实际参数被规划为动水压强、水流流态等(具体如表1所示)。

(2)确认观测结果。运用上表中的预测方式，测定大坝泄水建筑物的物理性质(粘滞性)，确保动水压强是可以判别体型优良的指标之一，实现对大坝河床宽度、泄洪雾化程度以及低水位泄洪深度的测量，这样可凸显出射流冲击压强，保证所观测参数的准确性，计算出静水压强，使工作人员能够掌握静水压强的特性。同时可根据高库水位的运行状态，掌握掺气跌坎射流的实际压力，运用反射弧的方式，展现出实际水库压强以及具体压强变化参数，运用二者重合的方式，明显掌握各个区域参数的差别。这样即可了解水头、压面的基础概念，从而运用不停的方式来计算出重力作用下的静水压强：

P=p0+γh

(3)

式中：z为位置水头(水头表示重量液体具备的能量)；γ/p为压强水头；h为具体时间。同时可根据大坝泄水建筑物的实际压力，掌握求力的方向、大小以及作用点，保证压面可以分为曲面以及平面，结合往期数据进行分析，绘制出矩形平面并运用图解的方式，了解曲面静水总压力的分布在状况(如图3所示)

图3 大坝泄水建筑物压强分布图

3.2 水流流态

由于水流流态可以直接展现出水流的运动状态，确认各项指标。可运用库水位变化程度测定的方式，保证表孔压式进水口的设置深度为35～75 m，则泄流则会呈现出平稳的状态，保证前缘水面的总体运行状态，不会出现不利的流态，确保上流与下流的水流状态呈现等比例的趋势，使深孔轴线中的夹角能够测定，以保证深口进口前期前缘不会出现间歇的状态，使水流进入明槽后表面会出现掺气状态，促使库内水位会定向升高，从而保证库水位在172 m以上，在出挑砍后泄槽水体表面会出现变化。同时可通过流量计算的方式，掌握大坝泄水建筑物的实际流量：

Qm3/s=Am/h·vm2

(4)

式中：Q为通过大坝断面的流量；v为通过大坝断面的流速；而A为通过大坝断面的面积。运用模拟试验的方式，控制水位的抬升量，保证反弧断底板脉动压强的标准化，促使二者之间的差值能够进行单向增大。

3.3 水流空化状况

由于空化现象产生的水动力学现象较为明显，且具有较大的危害，严重制约工程以及科学实验的开展。因此，在空蚀现象首次出现时，可确认空化问题在不久后就会发生，这样则会出现不单纯的水动力状况，在水流与固壁的不断作用下，会造成固壁损伤等力学现象。所以，可通过库位高流速控制的方式，实现对空化水流的控制，使水流不会直接增大。以试验模拟的方式可知，深孔检修门槽以及

泄槽之间存在一定的制约，若空化现象发生，则会带来较大的噪音，凸显出其高频特性，使水流空化问题随之而来，无法保证宽频带的运行准确性，成为不同阶段的水流状态依据。此时可通过翼型探头与差压传感器安装的方式，实现对水下噪声的测量，通过对各项数据的分析，以计算出实际噪声功率，运用该谱级差法的方式，了解空化问题的特征，进而测定出声谱极差值，保证工况中的水流运动状态，动水无空化状态以及背景噪音能够被单独确认，运用135 m低水位作为相应频段内的差值，以确保检修门槽不会出现水流空化现象，促使末端鼻坎区域会发生改变，实现对空化水流信号的确认。

3.4 通气风速

在大坝泄水建筑物中，若底部存在掺气问题，则空腔形态无法在第一时间内被观测出来，使单体模型试验结果出现差异，运用1：20的方式实现对掺气空腔长度的判定，以保证回溯水流强度不会出现过大的现象，使大坝泄水建筑物整体态势呈现减小。这样即可观测到空腔实际波动，使空腔长度被规划为23 m以内，整体摆动幅度被控制在3～6 m以内，促使库水位内的每项空腔变化都会更加明显，经观测可知整体摆动幅值为库水位的2.4倍。

3.5 水流中实际掺气浓度

各级库水位的深孔状态不一，底板掺气浓度会成线状的分布方式，使圆形观测显示参数存在一定的差异导致其会随水位的变化而发生相应的改变(如图4所示)。

图4 库水位通气风速变化图

在此基础上水位若呈现升高趋势，则掺气浓度会定向提升，出现极值，在掺气跌坎为145 m、165 m、175 m、180 m、185 m处会在此升高，使其掺气浓度增加12.9%，由此来测定反弧末端的最小值，确保本工程的原型观测结果的准确性，降低减蚀问题带来的影响。

3.6 坝下冲刷方式

大坝泄水建筑物周边区域多为坚固基石，包括相对完整的花岩岗，地理状态较优，有利于修建混凝土高坝工作的开展，因此会运用挑流消能的方式，完成泄水建筑物的假设。若河床坝段较低，则会将下游堤头设置在-8 m处，使坝下冲刷深度与下游水位、库水位以及下游流量存在密切的关联，规划冲坑最深点高程在20 m以内，则泄洪坝段则可被规划出来。这样一来，仅可指出具体的高库水位，以及观测出特殊水力状况，保证明流泄槽段的水流会通过间歇的运行方式进行跃升，避免当地水流出现喷溅问题，降低对摄像机、照相机、固定点摄像头等的影响。这样则可缓解水工水力学工程内的复杂边界问题，使高速水气的运行状态被观测出来，掌握两相流问题，促使观测人员运用先进的施工工艺，完成底座埋设工作，实现对大坝泄水建筑物的观测。

4 结语

综上所述，大坝泄水建筑物在水流高速运转的情况下会出现空蚀以及空化现象，可通过水力学原型观测的方式，降低外界影响因素对建筑物造成的影响，通过泄洪表孔、深孔的流面状态，减少泥沙磨损以及空蚀破坏问题出现，控制好挑流消能区，确保建设基面状态的稳定性。若未落实到位，势必会增加对建筑物带来的影响，因此，运用水力学原型观测评价控制的方式，可缓解泄洪问题，缩短深孔泄洪时间，以稳定此工程的运行状态。