張葉林，朱瑞晨，吳世勇，吳時強，白音包力皋

(1. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 3. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100000)

對應(yīng)常態(tài)混凝土重力壩而言，不存在以簡化溢流面施工為主要目的臺階溢流面，通常采用的底流消能方式為Y型寬尾墩+光滑溢流面+消力池(戽)的方式，例如國內(nèi)的五強溪、安康等常態(tài)混凝土重力壩。然而，從Y型寬尾墩+光滑溢流面的實際運行情況來看，特別是下游低水位而單孔開度較大的情況下，Y 型寬尾墩所形成的挑射水流對消力池底板產(chǎn)生了較大的沖擊和脈動壓力，對底板的安全運行構(gòu)成了一定的隱患[1-2]，需要通過泄洪調(diào)度試驗明確各閘孔的開啟運行規(guī)則，嚴格控制‘低水位大開度’的不利運行工況。常態(tài)混凝土的光滑溢流面若采用X型寬尾墩，在沒有了臺階溢流面的阻滯消能作用下，下部開口水舌會形成動水墊附壁效應(yīng)[3]，雖然可以更加有效減小消力池底板的沖擊和脈動壓力，但會帶來消力池底板的流速較高且小流量下的消能效果較差的問題。而在常態(tài)混凝土壩上采用臺階溢流面與最初在碾壓混凝土壩上以簡化溢流面施工為主要目的思路不符，且與下游光滑溢流面采用滑模施工的工藝對比而言可能還增加了混凝土分倉和立模的施工難度，所以目前鮮有常態(tài)混凝土壩采用臺階溢流面的實際案例。

對應(yīng)碾壓混凝土重力壩而言，采用臺階溢流面的初衷并不是通過臺階來刻意改變寬尾墩與消力池(戽)聯(lián)合消能的水力特性，而是根據(jù)碾壓混凝土分層高度和通倉碾壓的施工特點，以簡化溢流面施工程序和節(jié)省工程投資為主要目的。采用臺階溢流面后，臺階溢流面可以有效消減掠過臺階溢流面的水流流速，配合寬尾墩構(gòu)成的突擴和底部小挑坎的摻氣設(shè)施，可以改善和強化溢流面的摻氣條件，具有可靠的減蝕效果。目前Y型和X型寬尾墩+臺階溢流面的組合方式在我國大朝山、索風(fēng)營、思林、功果橋等眾多碾壓混凝土壩中得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展[4-5]。而采用X型寬尾墩后，不僅能夠保持Y型寬尾墩收縮射流的優(yōu)勢，同時也增加了臺階溢流面的過流面積，小流量時可以充分發(fā)揮臺階溢流面的消能作用，彌補了Y型寬尾墩的不利工況；大流量時，部分水流經(jīng)底部開口區(qū)通過臺階面消能，在消力池內(nèi)形成一定厚度的動水墊層，不僅對上部寬尾墩縱向拉開水舌有頂托作用，減輕消力池底板所承受的沖擊壓力，還可減小寬尾墩過流時臺階壩面出現(xiàn)的負壓，避免水流集中對臺階壩面的沖蝕作用[6-8]。

雖然臺階面溢流面有上述的優(yōu)點，但是對于壩高不高且下游淹沒度較高的情況，特別是下游水位高于寬尾墩出口高程的情況下，寬尾墩下部水舌不能形成很好的摻氣空腔保證摻氣濃度，且水舌入水后受水下部分臺階溢流面的阻滯消能作用將大為減弱，這樣就失去了臺階消能和摻氣保護的設(shè)計構(gòu)想，進而還可能會帶來臺階溢流面空蝕破壞的風(fēng)險，因而，這種情況下的碾壓混凝土壩采用光滑溢流面可能更加合適。同時，對應(yīng)壩高較高的碾壓混凝土壩而言，水流在入消力池前的流速會達到較高的量級，采用臺階溢流面可能存在較大的不確定性和風(fēng)險，因而采用光滑溢流面結(jié)合多級摻氣減蝕措施反而是更為合適的方案。

本文主要是在參考前人對寬尾墩和臺階溢流面一體化消能工研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)西藏DG水電站表孔各個階段泄洪消能結(jié)構(gòu)的設(shè)計進度，結(jié)合水工模型試驗研究，對比分析了兩種溢流面、兩種墩型的水力特性和差異，為工程設(shè)計提供參考和支撐。

1 工程概況

1.1 項目概況

樞紐大壩為混凝土重力壩，壩頂高程3 451.00 m，最大壩高117 m，泄洪建筑物有5個表孔(14.0 m×21.5 m)和1個底孔(5 m×8 m)，表孔采用‘寬尾墩+消力戽’的聯(lián)合消能方式，底孔采用挑流消能方式。消能、設(shè)計和校核工況對應(yīng)的下泄流量為10 300、13 600 m3/s和17 000 m3/s，表孔溢流面總寬度90 m，堰頂高程3 425.50 m，對應(yīng)的入池單寬流量分別為101.1、137.8 m3/s·m和175.5 m3/s·m，戽池底板高程3 350.00 m，下游水深為33.0、36.1 m和38.8 m，對應(yīng)的二元淹沒度分別為1.24、1.10和1.16，略小于巖灘工程經(jīng)驗推薦的戽流消能的淹沒度應(yīng)大于或等于1.2。

1.2 模型概況

可研階段的整體水工模型采用正態(tài)模型，模型比尺1∶60，按照重力相似準則設(shè)計確定相關(guān)物理量比尺。為保證試驗段流態(tài)不受模型邊界影響，模型模擬范圍確定為上游河道(水庫)至壩軸線上游700 m處，高程低于3 451.0 m的地形，下游河道至壩軸線1 300 m處，高程低于3 390.0 m的地形，壩下0+290 m到樁號壩下0+670 m之間380 m范圍內(nèi)河床做成動床，整個模型平面尺度約37.0 m×6.0 m(長×寬)。

招標技施階段的表孔單體水工模型采用正態(tài)模型，采用2個邊表孔及1個中表孔進行模擬，模型比尺1∶40，溢流表孔模型從進水口至戽池下游護坦末端全部采用有機玻璃按設(shè)計圖紙加工制作，護坦末端約100 m長的河道采用水泥、磚石制作。模型進水口安裝在2.5 m×2.5 m的水箱上，水箱下部接供水管路，最大供水能力約1.2 m3/s。

兩個階段的水工模型試驗主要研究了消能、設(shè)計和校核工況下的水力特性參數(shù)，主要是結(jié)合河床及兩岸基巖抗沖能力較好的條件，在維持底板高程不變不增加開挖量的前提下采用消力戽池的型式，對應(yīng)著重研究表孔光滑、臺階溢流面和Y型、X型寬尾墩的體型及水力特性，以滿足工程泄洪消能要求。

2 光滑溢流面下的Y型、X型寬尾墩

2.1 體型參數(shù)對比

在采用光滑溢流面的同等條件下，對Y型和X型寬尾墩的收縮率、收縮角、切口高度、前后位置和邊孔是否對稱等影響因素進行反復(fù)優(yōu)化，著重從水舌出流形態(tài)、戽池內(nèi)流態(tài)、底板壓力分布等水力參數(shù)進行評判，經(jīng)過詳細的體型對比研究，選出了Y型寬尾墩和X型寬尾墩的代表體型進行模型試驗比較。寬尾墩代表對比體型如圖1所示。

圖1 Y型寬尾墩和X型寬尾墩代表體型詳圖(單位：m)

2.2 流態(tài)、水面線對比

Y型寬尾墩出墩水舌呈現(xiàn)豎‘1’字水舌形態(tài)，水舌較為穩(wěn)定，上部水翅較少。X型寬尾墩出墩水舌呈現(xiàn)‘工’字型水舌形態(tài)，水舌中下部穩(wěn)定性較好，上部水舌在特定的臨界水位下存在水翅。兩種墩型下的消力戽池內(nèi)三元水躍流態(tài)明顯，水體混摻劇烈，摻氣充分、呈絮白色狀態(tài)，出戽摻氣水流在尾坎下游150～250 m處逐漸耗散，與下游水體平順連接。由流態(tài)對比結(jié)果看，兩種墩型都呈現(xiàn)了各自的水舌形態(tài)和流態(tài)特點，都能滿足泄洪消能要求，Y型寬尾墩水舌穩(wěn)定性較好。同時，由于采用了光滑溢流面，小流量情況下的X型寬尾墩下部水舌呈現(xiàn)了一定的附壁特性，未能充分摻混，因而在消力戽池尾坎處水面線略有上鼓的現(xiàn)象。

2.3 壓力、流速分布對比

各工況下，Y型和X型寬尾墩溢流面壓力和消力戽池底板壓力的變化規(guī)律大致相同，水流入池處的沖擊壓力在消力戽池前部較高，而后在消力戽池的中部壓力變緩，在消力戽池的尾坎處又略為上升。Y型、X型寬尾墩的壩面測點壓力最大值分別為48.36×9.81 kPa和41.48×9.81 kPa，Y型寬尾墩的沖擊高壓區(qū)域峰值比X型寬尾墩的峰值要大，且分布范圍也要大一些，沖擊壓力主要是由收縮束窄的上部水舌造成，相對于Y型寬尾墩，X型寬尾墩除了收縮比較小外，下部開口的水舌起到了很好的動水墊[6]作用，改善了沖擊區(qū)的最大壓力，壓力分布相對Y型寬尾墩也均勻很多。

從脈動壓力的數(shù)據(jù)上看，也呈現(xiàn)壓力分布的類似規(guī)律，同一工況下，反弧段末端和消力戽池頭部區(qū)域內(nèi)動水作用相對較明顯，該區(qū)域內(nèi)測點出現(xiàn)脈動壓力最大值，隨著泄流量下降，反弧段末端及消力戽池頭部脈動壓力均方根值逐漸減小。Y型寬尾墩推薦方案測量最大脈動壓力均方根值為6.71×9.81 kPa，X型寬尾墩對應(yīng)測點脈動壓力均方根值均有大幅減小，最大值為4.26×9.81 kPa，兩種體型的優(yōu)勢頻率區(qū)域都為0～5 Hz。

從流速分布上看，Y型和X型寬尾墩呈現(xiàn)類似分布規(guī)律，消力戽池尾坎處底部流速大(約5～12 m/s)，面部流速小(約1～5 m/s)，海漫段流速分布與尾坎處的流速分布相反，面流速大(約3～9 m/s)，底流速小(約1～4 m/s)，下游河床段水流縱橫向擴散，逐漸調(diào)整均勻，與下游河道平順連接。X型寬尾墩尾坎處斷面平均流速約為4.63～6.77 m/s，大于Y型寬尾墩的斷面平均流速3.96～5.52 m/s；同時，受尾坎的作用，兩種體型出坎水流都有一定的涌動現(xiàn)象，X型的涌動現(xiàn)象也大于Y型寬尾墩，進一步驗證了在光滑溢流面的條件下X型寬尾墩下部開口水舌的動水墊作用和附壁效應(yīng)。

現(xiàn)代地震危險性評估通過結(jié)合震源的完全分布和它們發(fā)生的概率來計算一個地區(qū)內(nèi)預(yù)期地震的震動強度水平。利用地震波衰減模型來確定地震動（例如，Boore et al，1997），這些模型量化震動強度如何隨離開斷層的距離而衰減。這種關(guān)系的本質(zhì)是正在研究的重點，與委員會報告中記述的影響震動強度的其他參數(shù)，如當?shù)赝寥罈l件的影響和路徑效應(yīng)，包括盆地內(nèi)地震能量的放大和陷落等均同等重要。

3 X型寬尾墩下的光滑、臺階溢流面

結(jié)合X型寬尾墩和臺階溢流面的特點，在可研階段對X型寬尾墩+臺階溢流面的方案也進行了試驗研究，并與X型寬尾墩+光滑溢流面進行了相應(yīng)的對比，臺階尺寸1.2 m×0.9 m。為了保證臺階溢流面的摻氣效果，在X型寬尾墩出口處設(shè)置了小挑坎，與第一級臺階面形成了2.4 m高的摻氣空腔，出墩水舌在挑出多級臺階后才與臺階面接觸，確保摻氣效果。同時，由于X型寬尾墩下部水舌的頂托作用，消力戽池前段的沖擊壓力相對于光滑溢流面有一定程度的降低，因而采用X型寬尾墩+臺階溢流面后將反弧半徑由光滑溢流面的33 m調(diào)整為15 m。溢流壩段體型剖面如圖2所示。

圖2 X型寬尾墩+臺階溢流面+消力戽池溢流壩段剖面(單位：m)

從流態(tài)上看，臺階溢流面在小流量情況下消能效果明顯優(yōu)于光滑溢流面，臺階面起到了很好的消能作用，X型寬尾墩下部水舌摻氣充分。而大流量情況下，采用臺階溢流面后的消力戽池內(nèi)水體相比光滑溢流面的摻氣量有一定的提升，水面更加穩(wěn)定，光滑溢流面下尾坎處的水面線上鼓現(xiàn)象也基本消失。這也說明了臺階溢流面對于X型寬尾墩下部水舌的阻滯消能作用，改善了光滑溢流面情況下X型寬尾墩下部水舌的附壁效應(yīng)。

從壓力上看，臺階溢流面與光滑溢流面的消力戽池內(nèi)壓力分布呈現(xiàn)類似規(guī)律，沖擊區(qū)域都位于反弧末端，臺階溢流面時消力戽池底板最大時均壓力值和最大脈動壓力均方根分別為43.77×9.81 kPa和5.44×9.81 kPa，大于光滑溢流面情況下的41.48×9.81 kPa和4.26×9.81 kPa，這也進一步論證了臺階溢流面對于X型寬尾墩下部開口水舌的阻滯消能作用，削弱了水舌的動水墊作用和附壁效應(yīng)。臺階溢流面與光滑溢流面尾坎和海漫處的流速分布規(guī)律基本一致，無明顯差異。

4 臺階溢流面+X型寬尾墩大比尺模型試驗

從大朝山的常規(guī)模型試驗和減壓模型試驗對比上看[9]，常規(guī)模型試驗測得的臺階溢流面摻氣濃度較高，可以有效控制空化空蝕的發(fā)生，但是減壓試驗的空化噪聲測試分析結(jié)果卻表明會發(fā)生空化，臺階溢流面可能會發(fā)生空蝕破壞。兩種試驗結(jié)果出現(xiàn)矛盾的主要原因是減壓試驗情況下，相似真空度高達95%，無法正常通入空氣，水流挾帶空氣能力減小，致使水流摻氣量難以達到大于飽和含氣量的要求，發(fā)生空化成為必然。因而，減壓模型試驗空化測試結(jié)果不能反映原型臺階溢流面的真實情況，且臺階溢流面的摻氣減蝕效果也很難從減壓試驗中得到論證。

在可研階段，由于模型比尺較小，對臺階溢流面+X型寬尾墩(體型見圖2)出口小挑坎的摻氣空腔形態(tài)觀測不夠清晰，且未對臺階溢流面的流速分布、壓力分布、摻氣濃度進行詳細的測量，不能夠有效分析臺階溢流面的空化空蝕特性，同時在減壓模型試驗不適用于分析臺階溢流面空化空蝕特性的情況下，通過大比尺模型試驗對水流流態(tài)、摻氣條件和摻氣濃度的認真研究仍然是較為可靠的方法。

4.1 流速壓力及空化數(shù)

從壓力分布上看，水平臺階面均為正壓，且壓力不大，部分臺階立面存在負壓，負壓值也基本在-20.0 kPa以內(nèi)。底板壓力和可研階段的趨勢類似，數(shù)值上略有差異，最大時均壓力值為43.62×9.81 kPa，最大脈動壓力均方根值為6.47×9.81 kPa。

根據(jù)流速和壓力數(shù)據(jù)，計算了臺階溢流面的空化數(shù)，水流空化數(shù)在0.20～2.28之間，臺階面空化數(shù)較低部位主要發(fā)生在中部第13臺階附近立面存在負壓區(qū)域，最小空化數(shù)僅0.2，但仍然小于一般判斷可能發(fā)生空化的初生空化數(shù)。一般情況下，水流空化數(shù)小于0.3時就容易發(fā)生空化水流，像臺階溢流面這樣的復(fù)雜流態(tài)如果不考慮摻氣減蝕因素，第7-18臺階面發(fā)生空化空蝕的可能性較大。

4.2 摻氣空腔及摻氣濃度

從摻氣空腔上看，X寬尾墩末端底空腔及側(cè)空腔聯(lián)通狀況良好，摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣空腔長度約為第一至第六臺階之間的長度，基本滿足臺階式溢流堰底部摻氣空腔6～8個臺階摻氣空腔長度的摻氣減蝕要求。

從摻氣濃度上看，臺階面摻氣濃度呈現(xiàn)了沿程降低的規(guī)律，上部平均摻氣濃度在50.0%以上，末端平均摻氣濃度也基本在6.0%以上，戽池底板平均摻氣濃度相對臺階面也有所降低，平均摻氣濃度也在2.5%～8.0%之間。對比大朝山、索風(fēng)營等類似工程模型試驗、原型觀測的摻氣濃度研究成果，由于摻氣濃度的縮尺效應(yīng)，原型實際摻氣濃度遠大于模型測量值，且一般認為摻氣濃度大于3%～4%的情況下就能起到很好的摻氣減蝕作用，摻氣濃度大于8%時就可以有效防止空蝕破壞[10-11]。因此DG水電站溢流表孔臺階面和戽池底板的摻氣濃度基本都在7%和3%以上，能起到保護臺階面和戽池底板避免空蝕破壞的作用。

同時，高海拔低氣壓地區(qū)對摻氣濃度的影響是需要繼續(xù)關(guān)注的問題。根據(jù)大朝山原型觀測摻氣濃度試驗[9-10]，原型觀測臺階溢流面的30%～50%摻氣濃度遠大于模型試驗的20%，摻氣濃度存在較大的安全裕度。

5 結(jié) 語

本文通過模型試驗針對不同設(shè)計階段的需要，研究了Y型、X型寬尾墩在光滑溢流面及臺階溢流面下的水力特性，同時采用大比尺模型重點研究了X型寬尾墩+臺階溢流面的摻氣特性，為工程設(shè)計提供支撐和參考，主要結(jié)論如下：

1)對于光滑溢流面而言，兩種墩型都能滿足消能要求，采用Y型寬尾墩要嚴格控制表孔調(diào)度運行，避免‘大開度、低水位’的工況，采用X型寬尾墩要嚴格控制下部開口高度，避免下部水舌形成較強的水墊附壁效應(yīng)，影響消能效果；

2)對應(yīng)臺階溢流面而言，臺階可以有效削弱X型寬尾墩下部開口水舌的動水墊作用和附壁效應(yīng)，在中小流量下的消能效果較好；

3)在大比尺模型下，寬尾墩末端小挑坎能夠形成很好的摻氣空腔，摻氣效果較好，摻氣濃度量級與類似工程數(shù)據(jù)基本一致，具有可靠的減蝕效果，后續(xù)可通過原型觀測進一步論證高海拔低氣壓地區(qū)對臺階溢流面摻氣濃度的影響。