水布埡大壩防洪安全模型試驗研究

水布埡大壩防洪安全模型試驗研究

0窄縫挑坎消能工岸流道是配置在水庫旁或靠近水庫一側(cè)的一種排水建筑物。岸流道的常用消能方法是對鼻尾骨流的消能或消力池底部的消能。當(dāng)下游河道消能區(qū)的河床基巖較好,河床挑流沖刷區(qū)遠離攔河大壩等情況下,采用鼻坎挑流消能往往具有經(jīng)濟上的優(yōu)越性。隨著新型挑流消能工技術(shù)在高水頭岸邊溢洪道上的研究和應(yīng)用,以往通常按底流消能進行布置的岸邊溢洪道,由于超高速底流空化空蝕難以解決、消力池施工安排困難以及工程投資巨大等,已有改用挑流消能布置的趨勢。目前中國將在西南及西北地區(qū)陸續(xù)建設(shè)一批大型或特大型水電站,這一地區(qū)水電工程的主要特點是水頭高、流量大、河谷狹窄。有一些適于修建當(dāng)?shù)夭牧系母咄潦瘔?這些工程的岸邊溢洪道泄洪流量、泄洪功率等指標都處于世界前列。其水流流速可達(50~60)m/s,泄洪功率達(104~105)MW;如果泄洪消能問題處理不好,不僅對下游河床產(chǎn)生嚴重沖刷,還會形成惡劣的水流流態(tài),影響樞紐中其它建筑物的正常運用,甚至危及大壩的安全。因此,高水頭、大流量岸邊溢洪道挑流消能面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。窄縫鼻坎消能工是一種適用于高水頭、大單寬流量、狹窄河谷的新型消能工型式,它的消能機理是窄縫收縮段內(nèi)水深沿程增加并形成表面沖擊波,在窄縫挑坎出口鉛垂線上,各水流質(zhì)點具有不同的拋射角,愈接近自由表面拋射角愈大。水流出挑坎后,鉛垂線上各水流質(zhì)點以不同的速度和角度在豎直面上運動,形成了窄縫挑坎水舌的縱向擴散。這種擴散主要依靠改變各水流質(zhì)點的流向,從而實現(xiàn)各水流質(zhì)點縱向流速的改變,而且狹窄河谷縱向可利用的空間遠大于橫向;水舌在空中充分擴散、充分摻氣耗散了一部分動能,河床單位面積上的下泄水體動能因入水面積增大而大幅降低,有效地削弱了挑射水舌對下游河床的沖刷破壞。另外,窄縫挑坎水舌入水后在水墊中具有同時形成橫向漩滾和縱向漩滾的水流運動特性,相鄰水舌入水后橫向摻混劇烈,也提高了窄縫消能工水流的平均消能率。因此,近年來,窄縫挑坎消能工的應(yīng)用在日益增加。通常,一段河流在天然狀態(tài)下的水流運動特性與其河道地形、地質(zhì)特性是相適配的,高壩水利樞紐的建成運行,無疑會改變原有水流和河岸之間的平衡關(guān)系。對以岸邊溢洪道為主要泄洪設(shè)施的大型堆石壩水利樞紐而言,由于樞紐總體布置上的要求,溢洪道通常布置在彎道河段或者出流與天然河道有較大夾角,泄洪水流如何盡快地順應(yīng)天然河勢,從而滿足相鄰建筑物正常工作要求,就成了高水頭大流量岸邊溢洪道泄洪消能要解決的重大技術(shù)問題。水利樞紐工程中的消能防沖大多不是解決單一問題,它與樞紐總體布置密切相關(guān),除與水工建筑物及兩岸山體穩(wěn)定相關(guān)的河槽沖刷外,經(jīng)常涉及到的還有電站尾水口、通航建筑物下游口門區(qū)的波浪和砂石淤積等問題。在狹窄河谷中修建高水頭、大流量岸邊溢洪道,如采用窄縫挑坎消能工,應(yīng)對窄縫挑坎水舌不同于常規(guī)挑坎水舌的一些水流特性有充分的認識,結(jié)合具體工程布置及河道特點,揚長避短,因地制宜地解決好泄洪消能與工程安全等關(guān)鍵問題。1水布克氏分層膠結(jié)混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)及挑流消能分析水布埡水電站是一座以發(fā)電和防洪為主、兼有其它綜合效益的一等水利工程,樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸岸邊溢洪道、右岸地下電站和放空洞等組成。水庫正常蓄水位時的庫容43.12億m3;電站裝機總?cè)萘?600MW;面板堆石壩最大壩高233m,是目前世界上最高的混凝土面板堆石壩。水布埡岸邊溢洪道與其它建筑物的布置關(guān)系見圖1所示。其挑流消能面臨的主要問題有以下幾個方面:第一,溢洪道最大泄量18320m3/s,泄洪水頭落差171m,最大泄洪功率31000MW,消能區(qū)河谷狹窄,存在泄洪消能區(qū)的河道縱向利用問題;第二,消能區(qū)河床基巖巖性軟弱破碎,抗水流沖刷能力低,存在岸坡淘刷產(chǎn)生的山體穩(wěn)定問題;第三,地下電站尾水出口因地質(zhì)原因只能布置在彎曲河道的凸岸,鄰近挑流消能區(qū),存在電站尾水波浪大、出口淤堵等影響電站安全運行的問題。2布石的蓄洪能主要創(chuàng)新成果[1.4]2.1冷溝的組合是解決非對稱狹窄河谷消能區(qū)的沖泥矛盾的唯一途徑1.下分層開發(fā)的工程應(yīng)用分析該組合式消能工布置特點是5條泄槽窄縫挑坎出口平齊,同在樁號0+296.0m處,窄縫挑坎出口寬度均為4.0m,收縮比β=0.25,鼻坎高程251.70m,鼻坎挑角α=-10°,見圖2所示。在該組合式消能工布置條件下,5條泄槽窄縫水舌沿縱向拉開,均勻跌落于河床中,消能區(qū)河道被射流水體均勻占據(jù),主流歸槽較好。在消能防沖設(shè)計工況(Q=11940m3/s)下,水舌內(nèi)緣距鼻坎110m,外緣距鼻坎250m,水舌入水總寬度約80m,左岸凹塘區(qū)(樁號0+350m~0+550m)及大壩下游坡腳水域均有強回流產(chǎn)生,回流最大流速分別為7.6m/s和8.8m/s。由于窄縫消能工水舌的空中消能和縱向充分擴散,下游河道單位面積上的入水動能顯劇降低,河床沖刷較淺,可滿足防淘墻的穩(wěn)定要求,見表1所示。對地下電站尾水出口而言,各級泄量條件下均有砂石堆積于口門區(qū),部分工況下有砂石進入尾水洞;在其它中小流量泄洪條件下,電站尾水洞出口下游河床基本呈全斷面淤積形態(tài),減小汛后發(fā)電水頭1.7~3.9m,電能損失較大。另外,由于4號、5號泄槽水舌外緣臨近電站尾水出口,其泄洪波浪較大,電站尾水口門區(qū)波浪幅值為3~5m,對電站機組正常運行可能產(chǎn)生影響。根據(jù)對該型組合式窄縫挑坎水流特性及河道沖淤的綜合分析,認為產(chǎn)生電站尾水口砂石淤積和波浪較大的水流因素是窄縫挑坎水舌外緣落水區(qū)鄰近電站尾水出口,窄縫水舌入水后的橫向漩滾使電站尾水口門區(qū)的砂石淤積不可避免,泄洪波浪亦較大;另外,由于五條窄縫挑坎水舌占據(jù)了河心水域,使近岸水域形成了強回流通道,河岸淘刷較深。根據(jù)消能區(qū)河道特點及電站尾水布置情況,利用窄縫挑坎的水舌特性和分區(qū)陡槽窄縫消能工可自由組合的特點,如何讓泄洪水流適應(yīng)下游消能區(qū)河勢、不對河岸造成過大沖刷及電站尾水出口不發(fā)生淤積,就成了解決問題的總體思路。2.號窄縫水舌群落位置降低該組合式消能工方案的特點是:5條泄槽壩面曲線相同,泄槽尾部長度和挑坎高程各不相同,在平面上形成了非對稱組合式窄縫消能工,其挑坎出口樁號從左至右分別為0+281.0m、0+263.5m、0+250.5m、0+240.3m和0+235.0m,窄縫挑坎出口寬度均為3.2m,窄縫收縮比β=0.20,鼻坎挑角1號~4號孔為-10°,5號孔為-5°,見圖3所示。在該組合式窄縫消能工方案條件下,5條泄槽窄縫水舌錯落有致地跌入下游河道,5號窄縫水舌外緣落水位置退縮了(60~80)m,其水舌頂沖對岸陡崖現(xiàn)象得到減緩,電站尾水口門區(qū)受泄洪水流的影響相應(yīng)減輕,口門區(qū)波浪最大幅值小于2.5m,對電站機組正常運行的影響降低。同時,消能區(qū)下游河道斷面流速分布發(fā)生了變化,主流偏向左岸,與該河段天然河道主流偏左基本一致。各泄洪工況下的河床最深沖坑高程均在175m以上,滿足了防淘墻的抗傾覆穩(wěn)定要求,電站尾水出口未出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象。但在常遇中小流量條件下,由于5號孔鼻坎位置順山坡向山頂后退,水舌內(nèi)緣直接沖擊本岸山腳230m高程平臺,對山體穩(wěn)定不利。將5號孔鼻坎消能工挑角增大到0°時,其水舌內(nèi)緣沖擊本岸山腳現(xiàn)象有一定改善,但對岸的陡崖防淘墻邊的沖刷明顯加深,已危及到防淘墻的安全;將5號窄縫鼻坎位置向下游延長3m時,雖然對岸防淘墻處的沖刷坑高程能達到170m以上,但部分泄洪工況下電站尾水洞出口又出現(xiàn)了較嚴重的淤積。經(jīng)過對5號窄縫鼻坎各方案試驗成果分析,發(fā)現(xiàn)其水舌落水位置對陡崖處河床局部沖刷深度和電站尾水洞出口淤積等非常敏感,水舌落水位置稍有變化,即會完全改變關(guān)鍵部位的沖淤形態(tài);同樣,5號窄縫水舌落水區(qū)附近局部邊界條件的有限改變也顯著地影響著下游河道和電站尾水口門區(qū)的沖淤結(jié)果。從5號窄縫水舌落水區(qū)的水流條件來看,不管水舌落水區(qū)近或者遠,陡崖凸岸邊均存在較大的回流,與該水域天然條件下的水流流態(tài)相差較大,可考慮利用5號窄縫水舌對該水域流態(tài)和水流結(jié)構(gòu)進行修復(fù)。3.引導(dǎo)過下分層沖淤式該組合式消能工方案的主要特點是:5號窄縫挑坎出口中心向右偏移2.0m,見圖4所示。該方案的提出,經(jīng)歷了5號窄縫挑坎右偏1.0m、右偏2.0m和右偏3.0m等方案的比較,并兼顧了為減少左岸公路因1號孔窄縫水舌分離水體濺擊所進行的相關(guān)鼻坎窄縫收縮比和局部體型的調(diào)整等。當(dāng)泄槽泄流時,由于5號窄縫挑坎出口右偏2.0m,其水舌落水區(qū)偏離5號泄槽中心線(20~30)m,入射水流在河面上形成了兩個獨立的泄洪消能區(qū)。泄洪沖刷試驗表明,在消能工校核流量(Q=14810m3/s)及以下時,河道局部沖刷最深處均在右岸陡崖坡腳,最低高程173m,河道左岸沒有明顯沖坑形成,電站尾水口門區(qū)均無砂石淤積,尾水渠以下河槽右半邊基本不沖不淤。該沖淤形態(tài)不影響地下電站的正常運行,汛后電站機組的發(fā)電水頭損失也較小,模型試驗觀測的發(fā)電水頭最大附加損失僅0.3m。該組合式窄縫消能工布置方案取得成功的水力學(xué)因素有以下幾點:首先,5號窄縫挑坎右偏2m,其水舌入水方向正對右岸陡崖,使陡崖邊水面壅高,岸邊的回流強度和岸坡淘刷減輕。第二,5號窄縫挑坎右偏以前,由于水舌外緣的頂沖,一般會在地下電站尾水口門區(qū)產(chǎn)生部分砂石淤積;當(dāng)5號窄縫挑坎右偏2m以后,其水舌原落水區(qū)沒有了高動能潛射水體,電站尾水口門區(qū)基本不沖不淤。第三,導(dǎo)流洞出口右導(dǎo)墻端部水面因5號窄縫水舌右偏而升高,該處水面升高及5號水舌的離開,使4號窄縫水舌與右導(dǎo)墻之間成了向水舌內(nèi)緣區(qū)補水的通道,此舉減輕了沿左岸邊向水舌內(nèi)緣區(qū)補水的回溯流速,使左岸邊的河床淘刷明顯減輕。2.2水舌頂冠的貼角密度試驗研究在溢洪道組合式窄縫挑坎消能工推薦方案條件下,左邊1號泄槽窄縫挑坎在閘門中小開度時有水舌裂散水體沖擊旁側(cè)邊坡現(xiàn)象。根據(jù)對該窄縫挑坎水舌分散水體的觀測分析,發(fā)現(xiàn)沖擊邊坡的水體是從窄縫挑坎水舌的頂部分離出去的。通常,水舌頂部水體的分離是窄縫收縮段水流的充分紊動和水舌頂緣的過度彎曲所致,窄縫挑坎水舌頂部分離水體的側(cè)向擴散則主要是窄縫收縮段兩側(cè)沖擊波的交匯碰撞所致。交匯碰撞后的水翅按一定的反射角向外擴散,便產(chǎn)生了分散水體打旁側(cè)岸坡現(xiàn)象。針對1號窄縫水舌在閘門開度8m以上運行時沒有出現(xiàn)分散水體沖擊旁側(cè)岸坡現(xiàn)象,經(jīng)試驗觀測和初步分析有以下結(jié)論:當(dāng)閘門開度8m以上至閘門全開時,由于1號邊孔進流左右不對稱,再加上進口閘門槽對表面水流不對稱擾動,使泄槽水流表面產(chǎn)生了不對稱棱形沖擊波,該不對稱沖擊波流經(jīng)對稱側(cè)收縮的1號窄縫挑坎時,產(chǎn)生了左右不對稱的水翅,兩側(cè)水翅交匯碰撞后的破碎水冠偏向河心一側(cè),因此,在上述各試驗工況下,均未發(fā)現(xiàn)較大的分散水體沖擊左岸邊坡現(xiàn)象;而當(dāng)閘門開度在8m以下時,由于閘門控泄,泄槽內(nèi)水流橫向比較均勻,當(dāng)泄槽內(nèi)對稱的沖擊波流經(jīng)對稱側(cè)收縮的窄縫挑坎時,便產(chǎn)生了基本對稱的水翅;而對稱的兩股水翅交匯碰撞后,其破碎的水冠將對稱地向左右兩側(cè)擴散,就出現(xiàn)了水舌頂冠分散水體沖擊左岸邊坡現(xiàn)象。因此,要解決近岸的窄縫水舌分散水體沖擊旁側(cè)岸坡現(xiàn)象,必須在窄縫挑坎側(cè)收縮段內(nèi)有針對性地改變對岸坡有沖擊危害的水流流態(tài),使溢洪道在各種泄流工況下均能安全運用。根據(jù)前述關(guān)于水舌分散水體沖擊旁側(cè)岸坡現(xiàn)象的成因分析,在1號泄槽窄縫挑坎側(cè)收縮段的底面與左側(cè)壁交界處加一貼角體(見圖5所示),主要目的是讓窄縫收縮段內(nèi)水面產(chǎn)生不對稱的兩股水翅,左側(cè)壁水翅動量大,右側(cè)壁水翅動量小,當(dāng)兩股水翅在側(cè)收縮段內(nèi)交匯碰撞后,使水舌頂冠的裂散水體偏向河心一側(cè),從而實現(xiàn)裂散水體不打旁側(cè)岸坡的目標;同時,還希望總體上不改變窄縫挑坎主體水舌原有的各項水力特性以及下游河道流態(tài)。而水舌外緣長度及水舌入水方向主要由窄縫側(cè)收縮比以及出口中心與泄槽中心的關(guān)系決定,該貼角窄縫挑坎的上述兩項指標與原窄縫挑坎基本相同,故可實現(xiàn)上述目標要求。在模型上根據(jù)窄縫水流條件分別進行了貼角體不同體型、尺寸的試驗研究,根據(jù)窄縫挑坎濺散水體不對旁側(cè)岸坡構(gòu)成危害和對窄縫主體水舌影響盡可能小的原則,得到了適宜于水布埡岸邊溢洪道1號窄縫挑坎的貼角體體型及尺寸。試驗研究表明:在各種庫水位條件下,不管閘門敞泄還是各種開度控泄,1號窄縫挑坎內(nèi)水翅交匯碰撞所產(chǎn)生的較大分散水體均不沖擊左岸邊坡,小水體濺擊也較少,窄縫主體水舌入水位置與原方案基本接近,下游河道流態(tài)與原推薦方案相似,沖淤形態(tài)和沖淤指標均滿足設(shè)計要求。2.3窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣的水體特性在水布埡岸邊溢洪道采用非對稱組合式窄縫鼻坎消能工時,由于2號~5號泄槽鼻坎出口位置依次后退,鼻坎水頭和出坎流速依次減小,水舌落水位置也依次退縮,水舌內(nèi)緣有可能沖擊鼻坎下的岸坡。根據(jù)窄縫鼻坎水舌的一般特性,在泄槽水流條件一定的前提下,水舌內(nèi)緣落水位置由窄縫底坎挑角決定,通過加大窄縫底坎挑角增大水舌內(nèi)緣挑距是常用的手段,但同時也會改變窄縫水舌外緣運動軌跡和落水位置。由于水布埡岸邊溢洪道5條泄槽窄縫鼻坎水舌外緣落點位置對下游河道沖淤有較大影響,因此,在1∶100水工模型窄縫鼻坎消能工優(yōu)化試驗研究中,通過延長窄縫底板長度(即窄縫底坎超出兩側(cè)邊墻一定長度),達到了調(diào)整窄縫水舌內(nèi)緣的目的,并且不會改變窄縫鼻坎的水流特性和水舌外緣運動軌跡及落水位置。試驗研究還發(fā)現(xiàn),底板延長的窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣較常規(guī)窄縫鼻坎水舌光滑,水舌內(nèi)緣水體裂散較少。另外,通過溢洪道1∶100和1∶50水工整體模型各水舌內(nèi)外緣落水位置的對比研究和分析,發(fā)現(xiàn)窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣落水位置有隨模型比尺而變化的規(guī)律。將兩種比尺模型的相關(guān)水舌參數(shù)列入表2中進行比較。從表中結(jié)果可以看出,大比尺模型的水舌外緣入水點均遠于小比尺模型,而水舌內(nèi)緣則相反。具體數(shù)據(jù)是:1號泄槽水舌外緣,大比尺模型比小比尺模型遠(4~5)m,而內(nèi)緣則近(18~20)m;5號泄槽水舌外緣,大比尺模型比小比尺模型遠(2~5)m,而內(nèi)緣則近(1~2)m。1號鼻坎水舌內(nèi)緣在兩種比尺的模型中相差較大的原因有兩個方面:其一,在大比尺模型中,1號鼻坎水舌內(nèi)緣有明顯不同于小比尺模型的連續(xù)水翅生成,所以水舌內(nèi)緣入水點向內(nèi)退縮較多,這是主要原因,這也是窄縫挑坎水舌與等寬挑坎水舌的不同特性之一;其二,布置有摻氣設(shè)施的大比尺模型,其水流摻氣較多也會使水舌內(nèi)緣退縮,但量值有限,正如5號鼻坎水舌內(nèi)緣僅退縮2m那樣。下面再來分析5號窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣退縮較小的原因,由于5號窄縫鼻坎底板比兩側(cè)邊墻長1.2m,這使得5號窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣運動變成了等寬挑坎水舌運動,水舌內(nèi)緣水體相對較寬,沒有水翅生成。常規(guī)窄縫水舌內(nèi)緣寬度一般較窄,易于形成附加水翅,隨著模型比尺的增大,稀薄的水翅可變成密實的水體。因此,將水布埡岸邊溢洪道2號、3號、4號、5號泄槽窄縫鼻坎底板延長(0.6~1.2)m,不僅有效增大了窄縫水舌內(nèi)緣的挑距,減少了鼻坎下方山體的開挖量,更重要的是,它改變了常規(guī)窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣特性,使模型試驗成果更具可靠性。1號泄槽窄縫鼻坎水舌內(nèi)緣落水位置距岸邊較遠,水舌內(nèi)緣沖擊坎下岸坡的可能性較小,所以未采用長底板窄縫鼻坎布置型式。對于大比尺模型水舌外緣入水點普遍比小比尺模型遠2~5m現(xiàn)象,這是模型比尺效應(yīng)的普遍規(guī)律[5~6],一般不會對河道的消能防沖產(chǎn)生明顯影響。3水力學(xué)原型觀測在庫水位(393.2~397.4)m條件下,對1號~3號泄槽閘門最大開啟7m工況和3號泄槽閘門全開工況進行了水力學(xué)原型觀測,溢洪道最大下泄流量分別為3100m3/s和1500m3/s,泄洪時嚴格按照水工模型試驗推薦的閘門調(diào)度方式進行。溢洪道泄洪實景見圖6。3.1孔道水舌內(nèi)緣在泄洪工況下,窄縫鼻坎均能形成典型的窄縫挑流水舌形態(tài),水舌縱向拉開充分,而橫向擴散不明顯,水舌空中摻氣充分,1號窄縫鼻坎水舌分散水體無沖擊左岸邊坡現(xiàn)象,各孔水舌內(nèi)緣均挑離鼻坎下的岸坡;泄洪產(chǎn)生的霧化現(xiàn)象較為嚴重,濃霧區(qū)主要分布在水舌入河區(qū)兩岸及河道上空,霧化強降雨使山頂有瀑布形成。3.2堆積現(xiàn)象分析泄洪后的檢查結(jié)果表明,溢洪道及窄縫鼻坎消能工均完好無損;電站尾水渠及尾水以下右側(cè)河道未見砂石淤積現(xiàn)象;樁號0+550m~0+700m范圍內(nèi)的左側(cè)河道有砂