三峡水库蓄水期高水位下泄洪设施运用方式优化

陈 鸿 丽,童 广 勤,熊 堃,张 海 龙,董 宗 师

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430010; 3.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心,湖北 宜昌 443134)

0 引 言

基于泄洪设施运用调度的相关试验研究成果,从泄洪孔水力学、水流流态、下游冲刷、通航影响等方面分析,三峡水库正常运行期采用先开启深孔、后开启表孔的泄洪调度运行方式,泄水设施开启顺序依次为电站机组、深孔、排漂孔、表孔。但2008年和2014年11月三峡水库蓄水期高水位深孔泄洪水力学原型观测发现,由于上游水流斜向进流,部分深孔进口前缘间歇性出现游移状立轴旋涡,直径约1～2 m;随着库水位升高,深孔明流泄槽水流掺气且紊动加剧,高速水流泄槽表面水翅裂散明显,水面产生阵发性的抬升喷溅及坝体振动现象[1]。

立轴旋涡在溢洪道、电站引水管道、导流隧洞等建筑物运行中时有发生,其主要危害表现为恶化水流流态、降低泄流能力,加剧水流脉动、降低空化数、引起建筑物振动甚至造成破坏等。国内龙滩、漫湾、溪洛渡、宝珠寺、枕头坝、水口、紫坪铺等水电工程的原型或模型试验中均出现过立轴旋涡[2-5]。Hecker[6]统计了在美国、日本、加拿大等出现过立轴旋涡的20例工程,其中70%发生了泄流能力减小、结构或机组振动、机组效率降低、拦污栅堵塞等严重问题。工程进水口前立轴旋涡受边界条件和初始环量的影响较大,坝前行进水流受边界条件包括形式、位置、进水方向、地形和建筑物布置等影响,在进水口上方形成一定的初始环量,是立轴旋涡现象出现和发展的重要诱因,大孔口进水口相比小孔口更易产生立轴旋涡[7]。

深孔是三峡大坝的最主要泄洪设施,其正常运用水位145.0～180.4 m,单孔最大泄量2 220 m3/s,具有数量多、孔口尺寸大(7 m×9 m)、运用水头高、运行水头变幅大等特点。针对水库蓄水期高水位条件下深孔泄洪时坝前出现的立轴旋涡和泄槽水流流态不稳定等问题,研究改善坝前水流流态和降低深孔泄槽水流紊动的工程措施,优化泄洪设施运用方式,是保证工程长期安全运行的关键问题之一。

1 工程布置及坝前河势概况

三峡水库坝址位于长江向南凸出的弧形转弯河段,长江从北西320°方向流经坝址,至坝址以下逐渐转向北东70°。枢纽总体布置格局为泄洪坝段位于河床中部,两侧分别为左岸、右岸厂房坝段和非溢流坝段,电站厂房分列在厂房坝段坝后,通航建筑物布置在左岸,茅坪溪防护工程布置在右岸上游茅坪溪出口,右岸白岩尖山体布置地下电站[8],如图1所示。根据泄洪建筑物泄洪流量大、运行水头高、目标任务多等特点,经多年研究论证,三峡泄洪设施采用了坝身泄洪深孔、表孔和导流底孔3层泄洪大孔口的立体交错布置方案[9],如图2所示。

图1 三峡枢纽布置示意Fig.1 Layout of the Three Gorges Project

图2 泄洪坝段3层孔口布置示意Fig.2 Layout of the three-layer orifices in flood discharge dam section

根据三峡水库围堰挡水发电期、初期运行期、正常运行期的不同库水位、洪水流量和泄洪设施投入运行条件,以水力学模型试验为主,辅以数值计算等研究方法,分阶段开展了泄洪设施的调度运用方式和闸门开启次序研究工作。三峡枢纽布置1∶150整体模型试验研究成果表明,枢纽坝前水流流态主要受坝前河势和坝址所处弯道位置的影响。由于水库近坝区域上游河道由峡谷河段向宽谷河段过渡,坝址水面宽度急剧拓展,坝区上游处于河道转弯处,导致上游水流分别在坝前形成左侧、右侧的回流,在右岸凤凰山山咀至上游纵向围堰头部之间,水流形成顺时针方向的回流区,左岸形成反时针方向的回流区。无论采取何种泄洪调度方式,这种回流区总是存在[10]。坝前河势和近坝水流回流流态是前期泄洪调度研究中一直关注的重点问题,也是导致坝前出现立轴旋涡现象的重要诱因之一。

2 研究思路与方法

三峡水库前期开展的泄洪调度研究,主要是基于汛期入库大流量的情况、结合下游防洪要求而进行的,研究中仅考虑左、右坝后电站14～26台机组运用,对汛期深孔单独运行,以及先深孔后表孔调度运用方式的研究较为深入。三峡水库蓄水运用以来,随着长江上游水库群相继投入运行和调节能力不断增强,根据水文情势变化、维护生态环境和中下游供水安全、提高三峡综合利用效益等方面的新要求,三峡水库防洪调度方式研究与优化[11]也随之不断调整。与初步设计阶段相比,现阶段主要对城陵矶防洪补偿调度、水库汛末开始兴利蓄水时间提前、枯期水资源和生态调度要求、汛限水位运行控制调度等进行了优化和调整;同时2012年三峡地下电站6台机组的投入运行,泄洪设施运用的条件较前期研究阶段有较大变化。

基于三峡水库试验蓄水期高水位条件下深孔泄洪时坝前出现的立轴旋涡和泄槽水流流态不稳定等问题,考虑工程坝址所处河道弯曲、坝前进流条件易于形成初始环量的特点,以及深孔孔口尺寸大、运行水头高,坝身泄洪孔采用有压短管、跌坎掺气体型结构[12]的特殊性,本文采用局部和整体模型试验研究、数值模拟计算相结合的方法,分析坝前旋涡形成、影响范围,研究改善水流流态的工程措施,优化蓄水期高水位下泄洪设施运用条件和开启次序,进一步提高泄洪设施运用的安全可靠性,为后续工程建设和运行调度提供依据。主要研究思路与方法如下:

(1) 通过1∶20大比尺深孔泄槽模型,针对高水位下深孔泄槽水体喷溅及坝体振动现象,研究其与进流条件、坝前立轴旋涡、跌坎掺气体型的联系,研究改善深孔泄槽水流水力特性的要求和工程措施。

(2) 对蓄水期坝前流场及旋涡形成条件进行数值模拟计算,探究出现旋涡的原因及其与泄洪调度方式的关系,分析坝前漏斗旋涡的特性及形成条件、旋涡的影响范围,提出避免旋涡的工程措施。

(3) 梳理分析以往的泄洪调度试验成果,结合蓄水期水库调度运行条件的变化情况,利用三峡枢纽1∶100整体水工模型,验证蓄水期高水位下先表孔后深孔泄洪方式的合理性。

根据三峡水库优化调度方案和调度规程,三峡水库汛末按不早于9月10日开始兴利蓄水,一般情况下三峡水库蓄至水位170 m以上基本可控制于10月15日之后,10月底可蓄至水位175 m。三峡水库蓄水期泄洪运用方式优化研究中,库水位170 m以上时间段选取为10～11月,主要研究的洪水流量范围为14 500～45 600 m3/s。

3 深孔泄槽水流特性研究

3.1 泄槽试验模型

1∶20深孔泄槽模型如图3所示。模型按重力相似准则设计,模型掺气坎流速大于7 m/s,满足掺气和通气效果的相似要求。模型采用水位控制系统,上游水库采用高水箱模拟,高水箱尺寸为6 m×5 m×11 m(长×宽×高),布置在深孔进口前30 m处。高水箱设置平水塔以消浪平水,进口前采用竹条全断面消能措施以保证水流正向进流相似。

图3 深孔泄槽模型Fig.3 Deep hole chute model

模型试验内容[13]主要包括:145～175 m库水位下深孔泄槽水舌的水力特性研究;深孔工作门不同开度及启闭过程对泄槽水流水力特性的影响;通气设施运行对泄槽水流水力特性的影响;正向进流和斜向进流以及进口旋涡对泄槽水流水力特性的影响;通气设施和掺气坎体型对水流紊动特性以及空腔紊动特性的影响。

3.2 研究成果

(1) 通过模型试验揭示了深孔泄槽水流强紊动部位及紊动特性:泄槽水流强紊动区域为跌坎掺气水舌内缘至反弧末端,即顺流向桩号0+65～0+105范围,与原型观测的泄槽水体喷溅部位基本一致。深孔泄槽底板水流动水压力、泄槽水面的上下摆动以及跌坎掺气底空腔回水的前后摆幅等随库水位的升高而加剧;库水位170 m以上时,上述参数特征值约为库水位165 m时的1.5～2.4倍。深孔泄槽底板时均压力见图4,深孔跌坎掺气设施空腔形态如图5所示。

图4 深孔泄槽底板时均压力分布Fig.4 Mean pressure distribution on plate of the deep hole chute

图5 深孔跌坎掺气设施空腔形态Fig.5 Cavcavity form in deep hole drop oeration facility

结合原型观测成果分析,在高水位条件下深孔泄洪所引起的泄槽水体喷溅及坝体振动现象,与相应泄流总动能增加、水流紊动增强以及掺气底空腔回水的摆幅增大等密切相关,而掺气底空腔末端回水的往复摆动有可能导致局部水体产生水锤或者气锤冲击波。

(2) 关于深孔进流条件影响的研究表明,上游水流斜向进流将提高泄槽的最大水面高程及泄槽水流的紊动强度,加大空腔内回水的摆幅;坝前旋涡进气对泄槽水流特性的影响很小。当库水位170 m及以上,水流斜向进流角度控制在15°以内时,可有效降低深孔泄槽水流空腔摆动及压力紊动强度。分析认为,上游水流斜向进流、跌坎掺气底空腔长度及空腔内回水的大幅摆动等是引起泄槽水流紊动加剧、水面间歇性向上抬升及喷溅的诱因。因此,水库蓄水期高水位170 m以上深孔运行时,应保持坝前正向进流条件。

(3) 通过体型优化(如减小底空腔通气孔面积、调整跌坎挑角为-3.9°等)可以明显改善高水位下泄槽水流水力特性,缩短掺气坎水舌挑距、减轻空腔内回水摆动幅值,并可减少水锤或者气锤冲击波能量,从而降低泄槽反弧段的瞬时压力波动幅值,避免坝体产生振动。

4 旋涡形成条件数值仿真计算

4.1 数值分析模型

建立了水库近坝区域上游河道三维数学仿真紊流模型,通过计算上游河道来流流场,获取坝前区域边界条件,再将边界条件赋予坝前局部模型,分析坝前流场及旋涡情况。模型范围为上游河道延伸至大坝上游约14 km处,采用单向流模型计算,上游入口边界条件设置为流量入口,上游河道模型如图6所示。坝前局部模型包含深孔、表孔以及坝前地形,模型范围至上游235 m左右,采用VOF,RNGk-ε模型计算,边界条件设置为速度边界,坝前局部模型如图7所示。

图6 上游河道模型Fig.6 Upstream channel model

图7 坝前局部模型(尺寸单位:m)Fig.7 Local model before the dam

针对蓄水期170 m水位以上不同运行工况,利用三维仿真数学模型进行深孔坝前流场及旋涡的数值模拟[14],计算内容包括:不同深孔开启、左右电厂机组运行对坝前流场和旋涡形成及变化趋势的影响;先表孔后深孔运行方式下的坝前流场特性及对深孔进流条件的影响。通过对进口前水流流态、流线、流速分布等水力参数计算,分析旋涡的特性及形成条件,从而研究避免旋涡的工程措施。

4.2 计算结果

(1) 近坝前旋涡是由于上游斜向进流和深孔泄洪共同作用形成的,与深孔偏集中开启及附近局部入流条件有关。当上游流场和深孔进口前水域斜向流动越明显,旋涡就越容易形成。上游河道流场分布如图8所示,根据2014年原型观测工况仿真计算的坝前不同高程流场分布如图9所示。根据各种运行工况下坝前不同高程截面的流场云图分析可知,坝前旋涡均为表面旋涡,其影响深度约30 m左右,旋流不影响深孔进流。

图8 上游河道流场分布Fig.8 Flow field distribution of upstream channel

图9 不同高程时坝前流场分布Fig.9 Flow fields in front of the dam with different elevations

(2) 由于坝址河道弯曲,左岸电厂运行可以减缓上游水流总体向右倾的趋势,使坝前水流方向更趋于正向,有利于抑制旋涡的形成;右岸电厂运行会加剧大坝上游水流向右倾的趋势,增大坝前水体的旋流强度和旋涡出现的几率。

(3) 库水位170 m以上开启深孔泄洪,当深孔开启数量少于5孔时,开启大坝左侧的深孔,坝前整体流场较为均匀,旋流现象不明显;当深孔开启数量多于9孔时,坝前上游水流总体方向基本趋于正向,旋流和旋涡也不易形成。

(4) 在库水位170 m及以上深孔泄洪条件下,如坝前出现旋涡流态,在旋涡附近位置增开表孔泄流,对改善坝前流场和消除旋涡能起到一定程度的作用。

(5) 蓄水期170 m水位以上采取先表孔后深孔的泄洪运用方式,可有效改善坝前斜向进流条件,保证坝前正向进流,不会出现旋涡流态。当表孔下泄流量大于10 000 m3/s时,坝前来流基本正向,可适时开启部分深孔泄洪,有利于深孔明流泄槽水流的稳定性。

5 泄洪调度模型试验研究

5.1 整体模型

试验研究在1∶100水工正态整体模型上进行,模型按重力相似准则设计。模型与原型保持几何相似、水流运动相似和动力相似,同时遵循阻力相似准则。模拟原型河段上起庙河,下至莲沱,全长约30 km,其中枢纽坝轴线上游河段17 km。泄洪坝段下游采用局部动床的方式模拟消能防冲区地形,动床材料选用粒径1.3～1.5 cm的白矾石。

开展了蓄水期库水位170 m以上泄洪调度整体模型试验研究[15],对优先开启表孔泄洪、先深孔后表孔、表孔+深孔联合等泄洪运用方式,从坝前水流流态、泄洪孔流态、下游水流流态及河床冲刷安全等方面进行对比分析,研究蓄水期优先开启表孔泄洪运行方式的可行性,以及蓄水期高水位条件下运用深孔的条件和要求。

5.2 研究结果

(1) 单独开启深孔、单独开启表孔等方式对坝前水流流态影响试验研究表明:由于坝址河道弯曲、坝前河面变宽,上游河道主流从偏左侧渐行至河道中部,若左右电站开启机组台数相近,坝前水流方向总体略向右偏,左、右电厂前均有回流形成。仅开启深孔泄洪,若深孔开启较少孔,集中开启3～4个或两孔间隔1～3个孔,坝前水域均易出现较大旋涡,故若深孔开启少于5孔,尽量两孔间距保证4孔以上;若深孔开启少于11孔,尽量保持间隔1孔及以上。各试验工况坝前的旋涡均为表面旋涡,未发展至深孔孔口。当左电厂过流流量较大时,可以减少大坝上游水流总体向右倾的趋势,坝前流态不出现旋涡或强度较弱,而右电厂过流流量较大时,易增加坝前水流出现旋涡流态几率;地下电站运用对坝前整个流场影响不大。当开启表孔泄洪,表孔水流影响区域的表层水流则较平顺,无旋涡发生。针对发生旋涡的深孔,两侧开启表孔则可减弱甚至破除旋涡。

1∶100泄洪调度模型试验成果与数值模拟研究成果对比分析表明,不同泄洪运用工况下,坝前水流流态基本一致;采用先表孔后深孔的方式,上游流态较好,坝前水流平顺,无旋涡发生;采用先深孔后表孔的方式,坝前水流流态受弯道地势、水流斜向进流和左右电站过流条件等影响,个别工况坝前会出现表面旋涡。

(2) 先表孔后深孔(简称先表孔)、先深孔后表孔(简称先深孔)联合泄洪方式的下游水流流态及冲刷试验研究表明:当流量在34 800 m3/s以上时,先表孔方式下纵向围堰左侧和左导墙右侧最大流速较大,右岸护岸最大流速较小;当流量在30 100 m3/s以下时,先表孔方式下游各部位流速总体较小;先表孔方案下游最大流速区范围较小。当库水位170 m时,先表孔方式的下游河床部位冲深最低点高程比先深孔方式抬升;当库水位175 m时,先表孔方式的下游河床部位冲深最低高程20.5 m,较先深孔方式有所降低,但右纵防冲墙和左导墙附近的冲刷较小;先表孔方式的下游冲刷总体形态优于先深孔方式。不同运行方式时下游河床中部冲坑深点均在高程20 m以上,冲坑上游边缘距离坝趾分别为100 m和75 m,大坝坝基是安全的;纵向围堰左侧防冲墙部位最低冲刷高程均高于建基面高程,左导墙部位未受冲刷。泄洪坝段下游冲刷均是安全的。

(3) 根据泄洪调度模型试验成果,结合数值仿真计算、深孔泄槽水流特性成果综合分析,蓄水期库水位170 m以上采用先开启表孔泄洪的运行方式是可行的。当表孔泄洪流量达到10 000 m3/s之后,坝前来流基本正向,再开启深孔泄洪,其坝前水流流态和深孔泄槽水流特性较好,泄洪坝段的下游冲刷是安全的。

6 结 论

(1) 在高水位条件下,深孔泄洪引起的泄槽水体喷溅及坝体振动现象,与泄流总动能增加、水流紊动增强以及掺气底空腔及回水的摆幅增大等密切相关,与坝前旋涡无直接关系。坝前斜向进流会加剧深孔泄槽水流掺气底空腔的摆幅、水流的紊动强度,引起水体间歇性抬升,是引起坝体振动的主要因素;深孔泄洪时的水流斜向进流角控制在15°以内,会改善泄槽的水流紊动特性。三峡水库蓄水期高水位170 m以上深孔运行时,应保持坝前正向进流。

(2) 三峡水库蓄水期170 m水位以上深孔运行时,坝前旋涡是由于上游斜向进流和深孔泄洪共同作用形成的,与深孔偏集中开启及附近局部入流条件有关。坝前旋涡均为表面旋涡,其影响深度约30 m左右,旋流不影响深孔进流。采取先表孔后深孔的泄洪运用方式,坝前基本为正向进流,流场平顺,不会出现旋涡流态。当表孔下泄流量大于10 000 m3/s时,可适时开启部分深孔泄洪,此时坝前来流基本正向,有利于深孔泄槽水流表面的稳定性。

(3) 蓄水期水位170 m以上采用先开启表孔调度方式,上游流态较好,基本无旋涡发生;下游水流流态较好、分布较均匀,下游流速总体较小,下游冲刷总体形态较优,泄洪坝段下游消能防冲建筑物是安全的。

(4) 蓄水期水位170 m以上时,泄水设施的运用开启顺序为首先由电站机组过流;机组过流量不足时,先开启表孔泄洪;表孔全部开启泄量仍不足,或当水位170 m以上且表孔下泄流量大于10 000 m3/s时,可开启部分深孔泄洪。该结论已纳入《三峡(正常运行期)——葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》(2019年修订版)。