高拱坝表深孔碰撞泄洪消能水力特性

雷显阳，龚久南

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2.杭州国家水电站大坝安全和应急工程技术中心有限公司，杭州 311122)

高坝宣泄洪水时，由于上游水头高，泄流时将产生高速水流，水流下泄时会对水垫塘底板产生极大的冲击压力。1996年五强溪水电站右消力池出现了严重破坏[1]，正是由于极端洪水期到来时，工程还未完建，在严格控制泄流量情况下，使上下游水位差增大，泄洪时产生巨大的冲击能量，使下游底板被严重冲刷，冲坑深度达40 m，更为严重的是冲坑周围岩体淘刷，使四周残留的板块处于危险的倒悬状态，严重危及大坝安全。因此，高拱坝水流下泄时往往会产生较大的冲击压力，为保证下游冲刷安全，在有足够的深水垫消刹能量的同时，还需通过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、掺气，削弱射流的集中强度，并结合水垫塘消刹能量能使下泄水流的冲击压力大大降低。

表中孔联合泄洪时，上下两股水舌沿各自的挑坎射出，呈抛物线轨迹下落。水舌在空中碰撞，碰撞后的联合水流水舌发生碎裂、分散，掺入大量空气，形成许多不连续的水体，水舌纵向扩散充分，使单位面积入水量降低[2]。同时，碰撞后分散的水股厚度减小，射入水垫塘后，有利于水下扩散，使潜没流速迅速衰减。而大量空气的掺入，有利于增加对水股的摩阻力，提高了消能效果[3]。二滩实测资料表明，水舌碰撞时的入水流速系数为0.80～0.85，碰撞后的流速系数下降到0.40～0.60[4]。然而并非两股水流任意碰撞都能取得良好的消能效果，主要与表深孔孔口型式、水舌碰撞角、流量比、横向碰撞度有关。熊贤禄等[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抛物线上升段，同时碰撞点处两股水舌的扩散宽度应相近，才能获得良好的消能效果；郝中堂等[6]也认为各种出流孔口大差动式挑流具有很高的空中消能率，达60%以上，相应的冲刷深度减少50%～80%，同时要使消能更充分，应增大表中孔碰撞角。因此，有必要对表深孔不同流量比条件下的水力特性进行充分研究，为类似工程布置提供参考。

1 模型试验布置

模型试验装置由供水设施、上游水库、下游水垫塘及回水设施四部分组成，整个模型高为4.1 m，上游水库净高2.45 m、宽1.3 m、长5 m，坝身布置1个表孔和1个深孔，泄流表孔孔口宽为0.15 m，溢流剖面采用水电溢流面(water and electricity overflow surface,WES)曲线，深孔宽为0.08 m，高度为0.09 m，俯角为5°。表孔堰顶距水垫塘底板高Ha=3.8 m，深孔底板距离水垫塘底板的高度为2.71 m；试验水垫塘的长度L=3.64 m(水垫塘起点桩号为0 cm)、高度ha=0.93 m、水垫塘至坝轴线长度l=0.77 m。模型试验装置如图1、图2所示。

图1 模型试验装置立面布置图Fig.1 Elevation layout of model test equipment

图2 表深孔联合泄洪模型图(1∶50)Fig.2 Model diagram of combined flood discharge of surface and deep holes (1∶50)

2 试验结果及分析

2.1 表深孔泄流水流流态

为了衡量表孔和深孔流量比值对水力特性的影响，定义表深孔流量比ε为

(1)

式(1)中：Q表为表孔泄流量，L/s；Q深为深孔泄流量，L/s。

模型试验中，表深孔共同泄流时，固定总流量为40 L/s，通过深孔闸门的开启程度调节上游水库水位，以得到调节各种表深孔流量比ε。

表孔单独泄流时，水舌呈透明状，掺气不明显，出现挑流水舌入水流明显冲击水垫塘底板的现象，旋滚区内水流含有大量气泡，落水区域附近水面波动明显；深孔单独泄流时，因水舌入水角度较小，射流在尚未达到水垫塘底板时即开始改变主流方向，流线弯曲，没有出现入水射流明显冲击水垫塘底板的现象，旋滚区域接近二道坝，水面壅高，水面波动大。

表深孔联合泄洪时，水流呈抛物线型式，水舌从表深孔射出，在空中发生碰撞，碰撞后水舌发生明显破碎、散裂，并掺入大量空气，形成大量不连续的水股，沿不同方向射出，落入下游水垫塘中，形成复杂的水气混合二相流动。ε=1.5∶1时，表孔水舌宽度大、流量大，在与深孔同轴碰撞时，表孔水舌两边的水股没有明显冲散开来，中间水股与深孔碰撞较充分，深孔水舌挑距明显减小；ε=1∶1时，表孔水舌碰撞充分，但混合水体存在明显的柱状水股，深孔并没有充分碰撞；ε=1∶1.5时，表孔流量小，经过与深孔的碰撞，溅洒现象比较明显，落水横向范围增大，深孔水舌只是表面碰撞破碎，主流没充分散裂。可见，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较差(图3)。

2.2 不同流量比与水垫塘最大时均压力关系

利用模型试验，分别测量了不同表深孔流量比及单表、深孔泄流条件下水垫塘底板的动水压力分布，单孔泄流时流量为20 L/s，联合泄流时总流量为40 L/s。

当表孔流量增加、深孔流量减小时，联合水舌落水点下游处水垫塘底板压力随表深孔流量比的增大而减小，上游处的底板压力随流量比的增大而增大。上游处形成两个压力峰值，由于深孔水流的冲击作用，水垫塘中轴线上的水舌被撞散消能，而表孔水舌两翼没有充分散裂，犹如水柱直接落水水垫塘内。随着ε增大，表孔两翼的水舌流量增大，对水垫塘底板的冲击作用加大，提高了动水冲击压力。当ε=3∶1时，联合水舌落水区域下游的动水压力几乎消失，表孔落水点处压力已远远大于深孔处。不同表深孔泄流比水垫塘的时均压力分布图如图4、图5所示。

图3 表深孔同轴碰撞联合水舌落水区域图Fig.3 Surface deep hole coaxial collision combined with water tongue falling area diagram

图4 不同表深孔泄流比水垫塘时均压力分布图Fig.4 Average pressure distribution of plunge pool with different surface-depth hole discharge ratio

水垫塘内的时均压力最大值Pmax与表深孔流量比的关系如图6所示，可见对于水垫塘整体时均压力，当ε<1.06时，水垫塘内的时均压力Pmax随ε的增大而减小；当ε=1.06时，联合水舌水垫塘内上下游水舌落水点时均压力最大值相等，Pmax达到最小值为3.6×0.098 kPa；当ε>1.06时，水垫塘内的时均压力Pmax随ε的增大而增大。因此，不同表深孔流量比情况下，当ε近似为1时，即表深孔泄量与深孔泄量相近时，水垫塘底板时均压力达到最小值。

图5 不同流量比水垫塘时均压力图Fig.5 Average pressure in plunge pool with different flow rates

图6 时均压力最大值Pmax与ε关系Fig.6 Maximum average pressurePmax and ε relationship

2.3 不同工程中表深孔流量比与水垫塘时均压力关系

由二滩[7]、溪洛渡[8]、小湾[9]、白鹤滩水电站模型试验所测资料可以得到，高拱坝坝身泄洪不同的运行方式下，表深孔的流量比不同，对水垫塘产生的冲击压力相差较大。而如何调节表深孔下泄水流的流量比，使水垫塘底板冲击压力达到最小，对工程安全运行意义重大。不同工程中表深孔流量比与水垫塘时均压力关系如表1所示。

实际工程中，高拱坝基本上是采用多表孔碰撞多深孔的泄洪消能方式，表深孔为非同轴错开布置，南京水利科学研究院在对白鹤滩水电站[10]泄洪消能水力特性进行研究时，得出当0.8<ε<1.0时，水舌空中碰撞消能效果较好，ε>1.0以后水垫塘底板冲击压力呈明显上升趋势。而在对溪洛渡水电站进行研究时，也可得出ε=0.91时，水垫塘的消能效果最好。由于白鹤滩、溪洛渡、小湾水电站的表孔个数小于深孔个数，同时深孔下泄时入水角度小于表孔，对水垫塘的冲击压力也小，因此水垫塘压力最小的情况下，ε也略小于1.0。而本试验是在一表一深孔的同轴碰撞下进行的，得出的表深孔泄洪消能的最佳比值为1.06，同时二滩水电站的研究成果也表明流量比接近于1.0时，水垫塘的冲击压力最小，结合实际工程模型和概化模型试验研究成果，可以认为ε约为1.0时，坝身泄洪消能效果最好，如图7所示。

表1 不同工程表深孔流量比与水垫塘时均压力关系Table 1 Relationship between discharge ratio of surface deep holes and average time pressure in water cushion pond in different projects

图7 不同工程表深孔流量比与水垫塘冲击压力关系图Fig.7 Relationship diagram between flow rate ratio of deep holes and impact pressure of plunge pool in different projects

3 结论

通过对比不同表深孔流量比的同轴碰撞水力特性，分析了不同表深孔流量比条件下碰撞水舌落水区域及时均压强关系，主要得出了以下几点结论。

(1)表深孔同轴碰撞时，ε从1.5∶1到1∶1.5，水舌落水区域随表孔流量的减少而增大，并且整体落水区域向下游扩展。从水流流态看，小股深孔水舌同样能使表孔水舌充分散裂，表孔流量越小，联合水舌的主体水流越偏向于深孔水舌。

(2)不同表深孔流量比条件下，联合泄洪对水垫塘的冲击压力变化明显。当ε<1.06时，水垫塘内时均压力Pmax随ε的增大而减小；ε=1.06时，联合水舌水垫塘内上下游水舌落水点压力达到最小；ε>1.06时，水垫塘内的时均压力Pmax随ε的增大而增大。在与部分大型水电站模型试验研究结果对比分析可以得出：ε约为1.0时，空中碰撞消能效果最好，水舌对水垫塘的冲击压力最小。