高水頭放空洞泄洪消能試驗研究與運用

王才歡，侯冬梅，向光紅

（1.長江科學院水力學研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院樞紐處，武漢 430010）

高水頭放空洞泄洪消能試驗研究與運用

王才歡1，侯冬梅1，向光紅2

（1.長江科學院水力學研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院樞紐處，武漢 430010）

水布埡樞紐放空洞主要承擔水布埡工程施工期后期導流及完建后大壩檢修時放空水庫的任務。它具有水頭高、水位變幅大、流速大、運行時間長等特點，經(jīng)過1∶58水工整體模型多種方案的比較研究，首次提出了一種新型的雙曲雙槽差動鼻坎消能工形式；經(jīng)過2007年超高水位、長時間的泄洪運行檢驗，該消能工成功地解決了放空洞高水頭、大變幅、大夾角、窄河谷且地質條件較差的消能防沖難題；同時，該型鼻坎消能工無任何蝕損。

放空洞；泄洪消能；鼻坎消能工；時均壓力；空化空蝕；水流摻氣；模型試驗

1 研究背景及研究方法

水布埡水利樞紐放空洞位于砼面板堆石壩右岸，全長約1 141.73 m，由引水渠、有壓洞（含喇叭口）、事故檢修閘門井、工作閘門室、無壓洞、交通洞、通氣洞以及出口段（含挑流鼻坎）等組成。由于總體布置所限，水布埡放空洞明流出流方向與河道流向夾角約為60°，挑流水舌在空中轉向難度較大，該處河道底寬僅120 m，雖然河道兩岸邊坡要進行砼防護，但河床地質條件較差，巖性軟弱，基巖抗沖能力僅3.5 m／s。從放空洞的水力指標來看，它的運行水頭高，泄槽單寬最大流量達220 m3／（s·m），挑流鼻坎最大流速40 m／s。消能防沖將面臨嚴峻考驗。同時，由于水布埡放空洞運行水頭變幅高達110m，在高水頭運行時，挑射水舌可能沖擊對岸；在低水頭運行時，水舌有可能挑射不出去而淘刷本岸山坡；這些無疑更增加了放空洞泄洪消能防沖難度。

表1中是當前國內外已建成的一些典型工程的泄洪洞相關指標，從中看出，水布埡工程放空洞消能防沖綜合難度指標名列前茅。

根據(jù)該項工程特點及研究目的，采用水工模型試驗方法進行消能防沖研究，其模型長度比尺為1∶58，系正態(tài)整體模型；模型模擬了水庫、放空洞全長以及下游河道，河床基巖按抗沖流速V＝3.5 m／s進行模擬，據(jù)此選擇模型動床砂為d50＝6 mm的白礬石，模型河床平均鋪砂高程為196 m，兩岸邊坡為整治后的砼護坡，按固定邊界模擬。模型下游河道水位控制僅考慮放空洞泄流量，未計入電站發(fā)電所抬升的下游水位。

關于鼻坎消能工，設計上提出了具體要求：一是鼻坎挑射水舌要充分擴散，以減小河道單位面積上的入水動能；二是要避免水舌沖刷兩岸邊坡，即高水位運行時，主體水舌不超過河道中部1／3水域，低水位運行時，水舌能夠起挑，水舌內緣不沖本岸坡腳，且明流洞頂不能被水流封堵；其三，鼻坎消能工的抗空蝕性要好。

表1 國內外典型工程泄洪洞相關指標Table1 Indexes of typical spillway tunnel projects at home and aboard

2 消能工體型研究及優(yōu)化

2.1 原方案

圖1為設計提出的扭曲鼻坎消能工體型，簡稱原方案，鼻坎左側邊墻末端側向挑角為50°，右側邊墻末端側向挑角為30°。

圖1 原方案鼻坎消能工布置圖Fig.1 Schematic of bucket lip dissipator in the original design

水工模型試驗結果：在高庫水位360 m泄洪運用時，水舌沿河道縱向挑射，挑距較遠，水舌最外緣落點距鼻坎約150 m，但由于鼻坎過于扭曲，部分水舌挑到右岸邊坡上，主體水舌落于河道右側1／4水域內，且水舌分散不夠，動能集中，造成右岸坡腳沖刷嚴重。因此，該型鼻坎消能工不能滿足防沖安全要求，須進行優(yōu)化。

2.2 修改1方案

修改1方案將原方案扭曲鼻坎左側邊墻側向挑射角50°改為15°，右側邊墻側向挑射角30°改為15°。

水工模型試驗結果：在高庫水位360 m泄洪運用時，水舌挑距較遠，外緣落點距離鼻坎約155 m，主體水舌落水區(qū)中心偏河道中心以左約15 m，水舌體較為集中，潛射水體直抵左岸坡腳；河床沖刷試驗情況表明，左岸砼坡腳淘刷嚴重，形成了長約100 m，寬約15 m的沖槽，槽底最低高程180 m，沖深達16 m。在庫水位270 m泄洪運用時，部分水舌內緣未挑離右岸坡腳，有水體沖擊右岸邊坡現(xiàn)象；在庫水位265 m泄洪運用時，鼻坎水舌無力挑射，水流從鼻坎處漫溢跌落到右岸邊坡。

從模型試驗成果可以看出，上述2個鼻坎消能工方案的主要問題在于：一是水舌總體上比較集中，空中擴散不夠充分，對河床產(chǎn)生的沖刷較為嚴重；二是扭曲鼻坎右側底部挑角11°偏小，在中低庫水位泄洪運用時有部分水舌直接落在右岸邊坡或坡腳附近，對邊坡安全產(chǎn)生危害。因此，須從上述2方面尋求突破。

2.3 修改2方案

修改2方案將鼻坎向一側扭曲改為雙向擴散，針對在高庫水位運用時鼻坎左側水舌挑距較遠現(xiàn)象，將鼻坎左側底部挑角加大到53°；并針對低庫水位運用時水舌不能挑射且明流洞尾部可能因鼻坎挑角過大而造成水流封堵洞頂問題，將鼻坎右側底部挑角降低到15°，總體上形成雙向扭曲鼻坎，詳見圖2。

圖2 修改2方案鼻坎消能工布置圖Fig.2 Schematic of bucket lip dissipator in them odified scheme No.2

水工模型試驗結果：在高庫水位360 m泄洪運用時，水舌橫向分散較好，水舌落水區(qū)在河道縱向上的長度達125 m，主體水舌中心約在河道中心偏左岸10 m處，潛射水體有輕微頂沖左岸邊坡現(xiàn)象，岸坡最大波浪爬高達210 m高程；河床沖刷形成了2個獨立的沖坑，較大沖坑位于河心，沖坑最低高程184m，較小沖坑位于左岸坡腳，為一窄長沖槽，沖槽長約90 m，寬約15 m，槽底最低高程183 m。在庫水位270 m泄洪運用時，明流洞尾部未出現(xiàn)水流封頂現(xiàn)象，但挑射水舌基本扭向河道右側，部分水舌內緣直接跌到右岸砼坡腳；河床沖刷亦基本發(fā)生在河道右岸坡腳附近，沖坑最低高程187 m。鑒于放空洞高庫水位泄洪運用時的左岸坡腳河槽沖刷較深，該鼻坎消能工還須作進一步優(yōu)化。

2.4 修改3方案

結合放空洞總體布置變更進行了消能工方案修改。放空洞有壓段長度縮短了200 m，明流洞底坡由i＝0.08變?yōu)?.055，明流洞洞高由13.6 m降低到12.5 m，明流洞終點由高程219.29 m點下移到高程209.88 m點。針對放空洞的總體布置調整以及修改2方案的水舌特性，將鼻坎底部挑角再繼續(xù)加大，同時將鼻坎左側向擴散角由8°增大到20.8°，并在鼻坎左、右兩側各留一個分流槽，防止低水頭運行水流封堵明流洞頂，詳細尺寸見圖3所示。

圖3 修改3方案鼻坎消能工布置圖Fig.3 Schematic of bucket lip dissipator in themodified scheme No.3

在高庫水位360 m泄洪運用時，該鼻坎消能工水舌橫向擴散非常寬，水舌落水區(qū)在河道縱向上長達200 m（約28倍明流洞寬），主要是鼻坎左側向的擴散及分流槽得到了充分的利用，該股水舌以略向河道上游方向運動的趨勢跌入河水中，水舌外緣落點距左岸坡腳最近處約40 m，但該股水體較小，動能不大，實測該股水體引起的左岸邊坡最大波浪爬高約為205 m高程；鼻尾坎中部挑角約66°，寬度9.22 m，該股水舌橫向擴散較充分，入河水體沿河道縱向拉開較長，河床所承受的單位水體動能較小，該股水舌外緣落點距左岸坡腳最近距離約35 m，實測該股水體引起的波浪最大爬高達212 m高程；鼻坎右側分流槽所形成的水舌向河道下游方向擴散，該股水體較為厚實，其落水區(qū)位于河床中央，對左岸坡的影響相對較小。河床沖刷試驗結果表明，在該庫水位泄洪條件下，河床中部有2個沖坑形成：其一是鼻坎左側分流槽水舌落水區(qū)，沖坑高程190.5 m，距左岸坡腳約35 m；其二是鼻坎右側分流槽水舌落水區(qū)，沖坑高程為182 m，距左岸坡腳約55 m。在河床左岸邊，有一窄長溝槽，長約70 m，寬約8 m，最低高程189 m，該溝槽在鼻坎水舌沖擊區(qū)范圍以外，系左岸邊流速過大淘刷形成，實測該區(qū)表面最大流速達5.0 m／s。

在庫水位270 m泄洪運用時，鼻坎水舌橫向擴散亦較開，入河水舌沿河道縱向長度達90 m（約12倍明流洞寬），水舌落水區(qū)基本在河道右側1／4河寬范圍內，鼻坎右側分流槽所產(chǎn)生的水舌內緣跌落在河道右岸坡腳處，對該處河床將產(chǎn)生一定沖刷。河床沖刷試驗結果表明，沖坑部位發(fā)生在水舌落水區(qū)，最低沖坑高程182 m，距右岸坡腳約12 m，沖坑范圍較小。

考慮到放空洞運行水頭變幅大、運用時間長等特點，在模型上進行了從庫水位360 m降至270 m的連續(xù)沖刷過程試驗，模型試驗總歷時9.5 h，相當于原型泄洪72 h。具體試驗過程為：庫水位360 m、下游水位203.7 m時，泄洪沖刷24 h（原型）；庫水位300 m、下游水位202.1 m時，泄洪沖刷24 h；庫水位270m、下游水位200.5 m時，泄洪沖刷24 h。從模型河床最終沖刷情況來看，河道沖刷范圍及沖坑深度基本上是庫水位360 m和270 m單獨泄洪時所形成沖刷地形的疊合，河道左岸坡腳的最大沖深與庫水位360 m時完全一樣，為7.5 m；而河道右岸坡腳處的最大沖深為14.5 m，與庫水位270 m時的終極沖深相同，見圖4所示。

圖4 庫水位360～270 m連續(xù)泄洪沖刷地形Fig.4 Scouring terrain in continuous discharge flood at reservoir water level360-270 m

在庫水位260 m泄洪運用時，無水流封堵明流洞頂現(xiàn)象，明流洞尾部產(chǎn)生水躍流態(tài)，但鼻坎水舌挑起無力，少部分水舌漫溢跌落在岸坡上，該漫溢水體動能不大，采用大塊石拋投防護即可。

從消能防沖總體效果來看，該鼻坎消能工可作為推薦方案。

3 鼻坎消能工壓力特性及空化特性

3.1 時均壓力特性

對推薦方案雙曲雙槽差動鼻坎體型的時均壓力進行了觀測。試驗結果表明，在庫水位270，300，360 m條件下運行時，鼻坎消能工各測點時均壓力分布特性較好，與一般差動式挑流坎相比，坎槽末端側壁雖然仍為低壓區(qū)，但未出現(xiàn)負壓，見圖5所示。

3.2 水流摻氣免蝕分析

模型試驗推薦的能滿足消能防沖要求的鼻坎消能工的時均壓力均為正壓分布，但仍然存在低壓區(qū)，且水布埡放空洞運行時的鼻坎最大流速達40m／s，鼻坎消能工仍然有產(chǎn)生空蝕破壞的可能，須分析可靠性。

水布埡放空洞為有壓接無壓布置方式，進口有壓段長約570 m，出口明流洞段長約510 m，明流洞底坡i＝0.055。在明流洞起始處設有一道突擴突跌摻氣設施，在正常情況下，一道摻氣設施的保護長度約100 m左右，500 m以外的鼻坎消能工不可能被該摻氣設施蔭及。但從紊流邊界層理論來看，當陡槽水流的紊流邊界層發(fā)展到水面后，其明流水面將發(fā)生自摻氣現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)全斷面摻氣現(xiàn)象，從而使過流建筑物免遭空蝕破壞。

有學者根據(jù)國內外6項原型實測的自摻氣發(fā)生點位置x與單寬流量關系［1］，得出了溢流壩前緣至陡槽水流表面開始摻氣和全斷面摻氣的距離經(jīng)驗公式分別為：

水布埡放空洞明流段在庫水位270，300，360 m時的單寬流量分別為78，143，220 m2／s；根據(jù)公式（1）計算的水流表層開始摻氣位置分別為x1＝183，273，364 m，根據(jù)公式（2）計算的全斷面摻氣位置分別為x2＝274，409，546 m。從上述經(jīng)驗公式的計算成果來看，僅庫水位360 m時的全斷面自摻氣位置稍遠于鼻坎消能工位置，但水流表面開始摻氣的位置卻在鼻坎消能工前150 m發(fā)生。文獻［1］公式中的x是從水流流速較小的溢流壩頂前緣作為起始點計算的，而水布埡放空洞的x值是從工作閘門后的明流段起點計算；顯然，該處的水流流速和水流紊動遠大于溢流壩頂前緣處水流，且工作閘門后的突擴突跌摻氣設施又加劇了明流洞水流的紊動，明流洞水流發(fā)生全斷面自摻氣的實際位置比計算值肯定會提前。另外，由于明流洞有500余m長，水流的高速流動及表面沿程挾氣使洞頂氣壓可能低于大氣壓強；在比尺1∶58的水工模型上，在庫水位360 m條件下，試驗測得明流洞頂氣壓低于大氣壓強0.57～1.14 kPa。根據(jù)紊流特性，在大氣壓強較低情況下，其表層的水流渦體更易克服表面張力和阻力的約束而躍出水面，從而使水面自摻氣提前。

綜上分析，水布埡放空洞雙曲雙槽差動鼻坎消能工在實際運行時，其過流水體中將會含有足夠的氣體濃度，鼻坎消能工的安全運用應有保障。

圖5 時均壓力測點布置及壓力特性圖Fig.5 Time-average p ressure characteristics and locations of themeasuring points

4 工程實踐

放空洞建成后，總過水時間超過7個月，其中庫水位350 m以上高水位泄洪26 d，超過最高設計運行水位360 m泄洪8 d，最高運行水位368.66 m。

放空洞運行時，水舌沿河道水流方向擴散充分，在350 m以上高水位條件下，垂直于河道方向的水舌位置基本得到了有效控制。在明流洞山頂?shù)耐L井口處，3 m直徑的通風井在高水位泄洪時發(fā)出持續(xù)不斷的氣流嘯叫聲，根據(jù)原型觀測經(jīng)驗其井口通氣平均風速在60 m／s左右，據(jù)此估算的明流洞進氣量約400 m3／s，約占泄水流量的25%；在鼻坎消能工處，水流呈白色狀，說明水體中含氣充分。

放空洞停止泄洪后，對消能區(qū)沖刷地形進行了實測，實測地形顯示，放空洞出口消能區(qū)河床沖刷地形形態(tài)與水工模型試驗成果基本一致，河床最大沖坑高程約190 m，比模型值抬高了約7 m。放空洞出口下游河床原型沖刷情況表明，放空洞挑流鼻坎消能充分，水舌的分散與歸槽以及河床的沖刷達到了預期的效果。

挑流鼻坎區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)任何空蝕現(xiàn)象，表明鼻坎體型設計合理，抗空蝕性能好。值得一提的是，放空洞過水前，鼻坎右邊槽末端有一塊混凝土表面缺損，經(jīng)過幾個月的泄洪之后，該混凝土缺損基本沒發(fā)生變化，也證明了挑流鼻坎體形具有良好的抗空蝕性能。

5 結 語

水布埡水利樞紐高水頭放空洞經(jīng)過原型超高水位、長時間的泄洪運行，其消能防沖及鼻坎消能工免蝕技術均達到預期要求。主要得益于新型的雙曲雙槽差動鼻坎挑流消能工的提出，該鼻坎出口段兩側邊墻橫向非對稱擴散（左20.8°、右8°）、縱向斜切（左邊墻長27.69 m、右邊墻長37 m）、坎槽式大差動鼻坎（挑角33°～66°），在10～110 m大變幅水頭運行條件下，水舌挑距變幅僅60 m，在鼻坎水流充分擴散減輕沖刷的同時，避免了由于側擴散易導致的空蝕破壞，值得同類型泄洪工程借鑒。

［1］ 王宏碩，翁情達.水工建筑物（專題部分）［M］.北京：水利電力出版社，1991.（WANG Hong-shuo，WENG Qian-da.Hydraulic Engineering Structure（Special part）［M］.Beijing：Hydraulic and Electric Power Press， 1991.）

［2］ 王才歡，張元良，陳 端，等.水布埡水利樞紐放空洞1∶58水工整體模型終結試驗研究報告［R］.武漢：長江科學院，2002.（WANG Cai-huan，ZHANG Yuan-liang，CHEN Duan，et al.Research report on hydraulic completemodel experiment（scale 1∶58）on emptying tunnel of Shuibuya project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2002.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Research and Utilization on Flood Discharging and Energy Dissipating for Emptying Tunnelw ith High Head

WANG Cai-huan1，HOU Dong-mei1，XIANG Guang-hong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Exploration Planning Design Institute，Wuhan 430010，China）

The emptying tunnel of the Shuibuya Projectwill be used for both the diversion during the late construction and the emptying of the reservoir formaintenance after completion of the dam.It possesses the characters of high head，large variation range ofwater level，high velocity and long operation time.Through comparative researches ofmany plans in a scale 1∶58 hydraulicmodel，a new energy dissipator，i.e.hyperbolic differential dentated bucket lip was proposed for the first time，and the scheme successfully has solved the difficult problems about flood discharging and energy dissipating in the emptying tunnel under the conditions of high head，large variation in water level，big spreading angle，narrow valley and poor rock properties；at the same time，this energy dissipator has no any cavitation erosion phenomenon so far.

emptying tunnel；flood discharging and energy dissipating；double-curved differential-dentated bucket lip；energy dissipator

TV135.2

A

1001-5485（2010）04-0036-04

2009-04-22

王才歡（1962-），男，湖北鄂州人，高級工程師，主要從事水工水力學研究，（電話）027-82829863，（電子信箱）wangch＠m(xù)ail.crsri.cn。