高拱壩表深孔碰撞泄洪消能水力特性

雷顯陽，龔久南

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2.杭州國家水電站大壩安全和應(yīng)急工程技術(shù)中心有限公司，杭州 311122)

高壩宣泄洪水時，由于上游水頭高，泄流時將產(chǎn)生高速水流，水流下泄時會對水墊塘底板產(chǎn)生極大的沖擊壓力。1996年五強(qiáng)溪水電站右消力池出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞[1]，正是由于極端洪水期到來時，工程還未完建，在嚴(yán)格控制泄流量情況下，使上下游水位差增大，泄洪時產(chǎn)生巨大的沖擊能量，使下游底板被嚴(yán)重沖刷，沖坑深度達(dá)40 m，更為嚴(yán)重的是沖坑周圍巖體淘刷，使四周殘留的板塊處于危險的倒懸狀態(tài)，嚴(yán)重危及大壩安全。因此，高拱壩水流下泄時往往會產(chǎn)生較大的沖擊壓力，為保證下游沖刷安全，在有足夠的深水墊消剎能量的同時，還需通過水舌在空中消耗部分能量。而表深孔碰撞消能方式，使上下水舌在空中碰撞、摻氣，削弱射流的集中強(qiáng)度，并結(jié)合水墊塘消剎能量能使下泄水流的沖擊壓力大大降低。

表中孔聯(lián)合泄洪時，上下兩股水舌沿各自的挑坎射出，呈拋物線軌跡下落。水舌在空中碰撞，碰撞后的聯(lián)合水流水舌發(fā)生碎裂、分散，摻入大量空氣，形成許多不連續(xù)的水體，水舌縱向擴(kuò)散充分，使單位面積入水量降低[2]。同時，碰撞后分散的水股厚度減小，射入水墊塘后，有利于水下擴(kuò)散，使?jié)摏]流速迅速衰減。而大量空氣的摻入，有利于增加對水股的摩阻力，提高了消能效果[3]。二灘實(shí)測資料表明，水舌碰撞時的入水流速系數(shù)為0.80～0.85，碰撞后的流速系數(shù)下降到0.40～0.60[4]。然而并非兩股水流任意碰撞都能取得良好的消能效果，主要與表深孔孔口型式、水舌碰撞角、流量比、橫向碰撞度有關(guān)。熊賢祿等[5]研究表明，碰撞角越大消能效果越好，表孔水舌宜落在中孔水舌的拋物線上升段，同時碰撞點(diǎn)處兩股水舌的擴(kuò)散寬度應(yīng)相近，才能獲得良好的消能效果；郝中堂等[6]也認(rèn)為各種出流孔口大差動式挑流具有很高的空中消能率，達(dá)60%以上，相應(yīng)的沖刷深度減少50%～80%，同時要使消能更充分，應(yīng)增大表中孔碰撞角。因此，有必要對表深孔不同流量比條件下的水力特性進(jìn)行充分研究，為類似工程布置提供參考。

1 模型試驗(yàn)布置

模型試驗(yàn)裝置由供水設(shè)施、上游水庫、下游水墊塘及回水設(shè)施四部分組成，整個模型高為4.1 m，上游水庫凈高2.45 m、寬1.3 m、長5 m，壩身布置1個表孔和1個深孔，泄流表孔孔口寬為0.15 m，溢流剖面采用水電溢流面(water and electricity overflow surface,WES)曲線，深孔寬為0.08 m，高度為0.09 m，俯角為5°。表孔堰頂距水墊塘底板高Ha=3.8 m，深孔底板距離水墊塘底板的高度為2.71 m；試驗(yàn)水墊塘的長度L=3.64 m(水墊塘起點(diǎn)樁號為0 cm)、高度ha=0.93 m、水墊塘至壩軸線長度l=0.77 m。模型試驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示。

圖1 模型試驗(yàn)裝置立面布置圖Fig.1 Elevation layout of model test equipment

圖2 表深孔聯(lián)合泄洪模型圖(1∶50)Fig.2 Model diagram of combined flood discharge of surface and deep holes (1∶50)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表深孔泄流水流流態(tài)

為了衡量表孔和深孔流量比值對水力特性的影響，定義表深孔流量比ε為

(1)

式(1)中：Q表為表孔泄流量，L/s；Q深為深孔泄流量，L/s。

模型試驗(yàn)中，表深孔共同泄流時，固定總流量為40 L/s，通過深孔閘門的開啟程度調(diào)節(jié)上游水庫水位，以得到調(diào)節(jié)各種表深孔流量比ε。

表孔單獨(dú)泄流時，水舌呈透明狀，摻氣不明顯，出現(xiàn)挑流水舌入水流明顯沖擊水墊塘底板的現(xiàn)象，旋滾區(qū)內(nèi)水流含有大量氣泡，落水區(qū)域附近水面波動明顯；深孔單獨(dú)泄流時，因水舌入水角度較小，射流在尚未達(dá)到水墊塘底板時即開始改變主流方向，流線彎曲，沒有出現(xiàn)入水射流明顯沖擊水墊塘底板的現(xiàn)象，旋滾區(qū)域接近二道壩，水面壅高，水面波動大。

表深孔聯(lián)合泄洪時，水流呈拋物線型式，水舌從表深孔射出，在空中發(fā)生碰撞，碰撞后水舌發(fā)生明顯破碎、散裂，并摻入大量空氣，形成大量不連續(xù)的水股，沿不同方向射出，落入下游水墊塘中，形成復(fù)雜的水氣混合二相流動。ε=1.5∶1時，表孔水舌寬度大、流量大，在與深孔同軸碰撞時，表孔水舌兩邊的水股沒有明顯沖散開來，中間水股與深孔碰撞較充分，深孔水舌挑距明顯減??；ε=1∶1時，表孔水舌碰撞充分，但混合水體存在明顯的柱狀水股，深孔并沒有充分碰撞；ε=1∶1.5時，表孔流量小，經(jīng)過與深孔的碰撞，濺灑現(xiàn)象比較明顯，落水橫向范圍增大，深孔水舌只是表面碰撞破碎，主流沒充分散裂?？梢?，小股深孔水舌碰撞大股表孔水舌，可起到分散水流的作用，而小股表孔水舌碰撞大股深孔水舌效果較差(圖3)。

2.2 不同流量比與水墊塘最大時均壓力關(guān)系

利用模型試驗(yàn)，分別測量了不同表深孔流量比及單表、深孔泄流條件下水墊塘底板的動水壓力分布，單孔泄流時流量為20 L/s，聯(lián)合泄流時總流量為40 L/s。

當(dāng)表孔流量增加、深孔流量減小時，聯(lián)合水舌落水點(diǎn)下游處水墊塘底板壓力隨表深孔流量比的增大而減小，上游處的底板壓力隨流量比的增大而增大。上游處形成兩個壓力峰值，由于深孔水流的沖擊作用，水墊塘中軸線上的水舌被撞散消能，而表孔水舌兩翼沒有充分散裂，猶如水柱直接落水水墊塘內(nèi)。隨著ε增大，表孔兩翼的水舌流量增大，對水墊塘底板的沖擊作用加大，提高了動水沖擊壓力。當(dāng)ε=3∶1時，聯(lián)合水舌落水區(qū)域下游的動水壓力幾乎消失，表孔落水點(diǎn)處壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深孔處。不同表深孔泄流比水墊塘的時均壓力分布圖如圖4、圖5所示。

圖3 表深孔同軸碰撞聯(lián)合水舌落水區(qū)域圖Fig.3 Surface deep hole coaxial collision combined with water tongue falling area diagram

圖4 不同表深孔泄流比水墊塘?xí)r均壓力分布圖Fig.4 Average pressure distribution of plunge pool with different surface-depth hole discharge ratio

水墊塘內(nèi)的時均壓力最大值Pmax與表深孔流量比的關(guān)系如圖6所示，可見對于水墊塘整體時均壓力，當(dāng)ε<1.06時，水墊塘內(nèi)的時均壓力Pmax隨ε的增大而減?。划?dāng)ε=1.06時，聯(lián)合水舌水墊塘內(nèi)上下游水舌落水點(diǎn)時均壓力最大值相等，Pmax達(dá)到最小值為3.6×0.098 kPa；當(dāng)ε>1.06時，水墊塘內(nèi)的時均壓力Pmax隨ε的增大而增大。因此，不同表深孔流量比情況下，當(dāng)ε近似為1時，即表深孔泄量與深孔泄量相近時，水墊塘底板時均壓力達(dá)到最小值。

圖5 不同流量比水墊塘?xí)r均壓力圖Fig.5 Average pressure in plunge pool with different flow rates

圖6 時均壓力最大值Pmax與ε關(guān)系Fig.6 Maximum average pressurePmax and ε relationship

2.3 不同工程中表深孔流量比與水墊塘?xí)r均壓力關(guān)系

由二灘[7]、溪洛渡[8]、小灣[9]、白鶴灘水電站模型試驗(yàn)所測資料可以得到，高拱壩壩身泄洪不同的運(yùn)行方式下，表深孔的流量比不同，對水墊塘產(chǎn)生的沖擊壓力相差較大。而如何調(diào)節(jié)表深孔下泄水流的流量比，使水墊塘底板沖擊壓力達(dá)到最小，對工程安全運(yùn)行意義重大。不同工程中表深孔流量比與水墊塘?xí)r均壓力關(guān)系如表1所示。

實(shí)際工程中，高拱壩基本上是采用多表孔碰撞多深孔的泄洪消能方式，表深孔為非同軸錯開布置，南京水利科學(xué)研究院在對白鶴灘水電站[10]泄洪消能水力特性進(jìn)行研究時，得出當(dāng)0.8<ε<1.0時，水舌空中碰撞消能效果較好，ε>1.0以后水墊塘底板沖擊壓力呈明顯上升趨勢。而在對溪洛渡水電站進(jìn)行研究時，也可得出ε=0.91時，水墊塘的消能效果最好。由于白鶴灘、溪洛渡、小灣水電站的表孔個數(shù)小于深孔個數(shù)，同時深孔下泄時入水角度小于表孔，對水墊塘的沖擊壓力也小，因此水墊塘壓力最小的情況下，ε也略小于1.0。而本試驗(yàn)是在一表一深孔的同軸碰撞下進(jìn)行的，得出的表深孔泄洪消能的最佳比值為1.06，同時二灘水電站的研究成果也表明流量比接近于1.0時，水墊塘的沖擊壓力最小，結(jié)合實(shí)際工程模型和概化模型試驗(yàn)研究成果，可以認(rèn)為ε約為1.0時，壩身泄洪消能效果最好，如圖7所示。

表1 不同工程表深孔流量比與水墊塘?xí)r均壓力關(guān)系Table 1 Relationship between discharge ratio of surface deep holes and average time pressure in water cushion pond in different projects

圖7 不同工程表深孔流量比與水墊塘沖擊壓力關(guān)系圖Fig.7 Relationship diagram between flow rate ratio of deep holes and impact pressure of plunge pool in different projects

3 結(jié)論

通過對比不同表深孔流量比的同軸碰撞水力特性，分析了不同表深孔流量比條件下碰撞水舌落水區(qū)域及時均壓強(qiáng)關(guān)系，主要得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)表深孔同軸碰撞時，ε從1.5∶1到1∶1.5，水舌落水區(qū)域隨表孔流量的減少而增大，并且整體落水區(qū)域向下游擴(kuò)展。從水流流態(tài)看，小股深孔水舌同樣能使表孔水舌充分散裂，表孔流量越小，聯(lián)合水舌的主體水流越偏向于深孔水舌。

(2)不同表深孔流量比條件下，聯(lián)合泄洪對水墊塘的沖擊壓力變化明顯。當(dāng)ε<1.06時，水墊塘內(nèi)時均壓力Pmax隨ε的增大而減??；ε=1.06時，聯(lián)合水舌水墊塘內(nèi)上下游水舌落水點(diǎn)壓力達(dá)到最小；ε>1.06時，水墊塘內(nèi)的時均壓力Pmax隨ε的增大而增大。在與部分大型水電站模型試驗(yàn)研究結(jié)果對比分析可以得出：ε約為1.0時，空中碰撞消能效果最好，水舌對水墊塘的沖擊壓力最小。