羅 暢，徐 威，杜少磊，張文皎

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐是孔庫雷河(Konkouré)干流河段水電規(guī)劃的第二個梯級，水庫總庫容74.89億m3，裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量2 016 GWh。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程215.50 m，壩頂長度1 164 m，最大壩高120.5 m。工程為Ⅰ等大(1)型，大壩按1 000年一遇洪水設(shè)計，5 000年一遇洪水校核，正常蓄水位210 m，設(shè)計洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，極端最高洪水位214.42 m，校核洪水位樞紐總下泄流量為4 458 m3/s，溢流壩下泄流量為2 410 m3/s，泄洪底孔泄量為2 048 m3/s。樞紐建筑物主要包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、泄流底孔、發(fā)電引水壩段、發(fā)電廠房等工程。

泄洪底孔壩段長25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬19.20 m。泄流底孔左側(cè)為導(dǎo)流底孔壩段和廠房壩段，右側(cè)為溢流壩段(見圖1)。泄流底孔為短有壓進(jìn)口的壩身無壓泄水孔，分為2孔，進(jìn)口體型為橢圓曲線，進(jìn)口底坎高程130 m，進(jìn)口段后設(shè)置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門各一道，壓坡段位于弧形閘門上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門與弧形閘門之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過排水管流向下部的基礎(chǔ)廊道。工作弧門后設(shè)置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側(cè)各設(shè)0.5 m的突擴(kuò)，跌坎內(nèi)埋設(shè)2個直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎挑角30°，鼻坎頂高程為125.958 m。

1 泄流能力

泄流底孔為短有壓進(jìn)口的壩身無壓泄水孔，泄流能力按重力壩設(shè)計規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計算，并與模型試驗的結(jié)果進(jìn)行比較(見表1)。

表1 泄洪底孔泄流能力計算值與試驗數(shù)據(jù)表

可以看出，計算值與模型試驗的結(jié)果基本一致，試驗值比計算值稍大。

2 摻氣減蝕

泄流底孔最大運(yùn)行水頭83.56 m，泄槽最大流速超過35 m/s，高速水流和空化空蝕問題比較突出。有壓出口段多采用側(cè)向突擴(kuò)、底部突跌的摻氣設(shè)施，水舌離開門座后沿豎直與水平兩個方向擴(kuò)散，在一定條件下可形成相互貫通的側(cè)空腔和底空腔，使水流摻氣，對下游固壁形成保護(hù)，但也可能惡化流態(tài)，引發(fā)空化、空蝕等問題，其主要原因是進(jìn)氣不暢、過流邊界的施工不平整度過大等。

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》推薦的突擴(kuò)和跌坎體型參考尺寸，并參考其他工程的突擴(kuò)突跌布置實例，泄流底孔弧門后側(cè)擴(kuò)的寬度為0.5 m，跌坎的高度為1.2 m。

模型試驗對泄流底孔的摻氣措施進(jìn)行了驗證，對突擴(kuò)突跌后的水流流態(tài)，空腔長度，流道壓力，通氣孔風(fēng)速，摻氣濃度等進(jìn)行了觀測(見圖2)。模型試驗的結(jié)果表明，閘孔后突擴(kuò)和跌坎體型能在左右兩側(cè)和跌坎處形成空腔，空腔范圍隨水位升高增大，兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅。模型試驗觀測到上游水位150～180 m時，弧門出口兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅，水位達(dá)到正常蓄水位和校核水位時水翅高度明顯減小。各水位條件下兩側(cè)邊墻水舌沖擊處產(chǎn)生水翅均位于門鉸下游，且未觸及門鉸，水位越高，產(chǎn)生水翅位置距離門鉸越遠(yuǎn)。

圖2 泄流底孔突擴(kuò)突跌布置圖

模型試驗的結(jié)果表明，底板斜坡段的空腔末端位置，出現(xiàn)較小負(fù)壓值，最大負(fù)壓為0.42 m水柱，兩邊側(cè)墻空腔末端位置，也出現(xiàn)較小負(fù)壓值，最大負(fù)壓為0.65 m水柱。底板水舌射流沖擊區(qū)，底板壓力出現(xiàn)一個峰值，而后壓力值沿程減小，至挑流鼻坎反弧段由于離心力導(dǎo)致底板壓力增大。校核洪水時射流最大沖擊壓力達(dá)到14.2 m水柱，反弧段最大壓力達(dá)到21.7 m。底孔壓力段壓力分布均勻，且符合正常分布規(guī)律，體型設(shè)計合理。

模型試驗觀測正常蓄水位和校核洪水的工況下均形成穩(wěn)定而完整的空腔，正常蓄水位底空腔長度約25.5 m，左右側(cè)通氣孔風(fēng)速為15.84 m/s和16.40 m/s，校核水位底空腔長度約26 m。左右側(cè)通氣孔風(fēng)速為16.73 m/s和16.42 m/s。

模型試驗對正常蓄水位和校核洪水的工況下的摻氣濃度進(jìn)行了測量，下游底部水流摻氣濃度沿程衰減，至跌坎下游約70 m遠(yuǎn)處摻氣濃度仍接近3%，鼻坎末端大于3%，表明摻氣設(shè)施對泄槽斜坡段具有較好的摻氣保護(hù)能力。由于水流出閘孔后受體型突擴(kuò)影響，水舌在側(cè)向增加摻氣，水舌沖擊側(cè)墻后也形成充分摻氣。模型試驗的結(jié)果表明摻氣減蝕設(shè)施可形成穩(wěn)定而完整的空腔，對底孔明流斜坡段具有較好的減蝕保護(hù)效果。

3 挑流消能

在中、高水頭的泄水建筑物中，下泄水流的動能較大，工程中常采用挑流消能的方式，其特點是：泄水建筑物泄放的高速水流為挑坎所導(dǎo)引，將水流先拋射到空中，水流在空中摻入大量空氣，形成逐漸擴(kuò)散的水舌，然后在距壩趾較遠(yuǎn)處落入下游水墊中；水舌在水墊中繼續(xù)擴(kuò)散，并在主流前后形成兩個大漩流，同時消散大部分動能；當(dāng)擴(kuò)散水舌的沖刷能力大于河床抗沖能力時，河床變形，形成沖刷坑，直至水流的沖刷能力小于河床抗沖刷能力時，沖刷坑才能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)泄水建筑物下游地質(zhì)條件較好時，為充分利用下游河道的抗沖刷能力，采用挑流消能方式是比較經(jīng)濟(jì)合理的。挑流水舌在空中受大氣的拖曳和卷吸作用發(fā)生破碎，并在與下游水體碰撞時產(chǎn)生激濺，霧化降雨難以避免。考慮到蘇阿皮蒂水利樞紐壩址位置河道較寬，地形坡度較緩，且距離發(fā)電廠房也有一定距離，泄洪霧化對環(huán)境和重要建筑物不會產(chǎn)生太大影響，因此選擇挑流消能作為泄流底孔的消能方式。

挑流消能水力計算的主要任務(wù)有：根據(jù)水力條件，確定挑坎體型、計算水舌挑距、估算沖刷深度等。

連續(xù)挑坎施工簡便，不易空蝕，但其水流較集中，對下游河床沖刷不利，考慮到下游河床薄覆蓋層以下為堅硬的輝綠巖，巖石的平均飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)170 MPa，抗沖刷能力較強(qiáng)，地質(zhì)條件較好，泄流底孔泄槽末端挑坎采用連續(xù)擴(kuò)散式挑坎。同時考慮泄流底孔右側(cè)為溢流壩段，左側(cè)為發(fā)電廠房，擴(kuò)散也不宜太寬。

挑流消能的水舌挑距和沖刷深度根據(jù)重力壩設(shè)計規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計算，并與模型試驗的結(jié)果進(jìn)行比較(見表2)。

表2 泄洪底孔挑流消能挑距與沖坑深計算值與試驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上比較結(jié)果可以看出，挑距計算值與模型試驗的結(jié)果基本一致，沖坑計算值與模型試驗的結(jié)果差異較大。出現(xiàn)這種情況的原因，除了挑流水舌的表面和挑坎挑射角度不同，最重要的復(fù)雜因素是挑流水舌在空氣中的摻氣擴(kuò)散作用，水舌挑離挑坎已經(jīng)摻氣，拋射到空氣中后又進(jìn)行摻氣擴(kuò)散，情況極為復(fù)雜。但是沖刷深度無論是計算值還是試驗值，沖坑上游坡度均大于1/2.5，不影響壩趾基巖穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

蘇阿皮蒂水電站的泄流底孔承擔(dān)宣泄洪水保證大壩安全的重要任務(wù)，其水力特性復(fù)雜，通過理論計算并通過模型試驗的驗證，泄流底孔的泄量計算值與模型試驗結(jié)果基本一致，突擴(kuò)突跌的摻氣體型能夠達(dá)到摻氣減蝕的效果，挑流消能的計算結(jié)果與模型試驗的結(jié)果稍有差異，但不影響壩趾基巖穩(wěn)定。