水布垭大坝防洪安全模型试验研究

水布垭大坝防洪安全模型试验研究

0窄缝挑坎消能工岸流道是配置在水库旁或靠近水库一侧的一种排水建筑物。岸流道的常用消能方法是对鼻尾骨流的消能或消力池底部的消能。当下游河道消能区的河床基岩较好,河床挑流冲刷区远离拦河大坝等情况下,采用鼻坎挑流消能往往具有经济上的优越性。随着新型挑流消能工技术在高水头岸边溢洪道上的研究和应用,以往通常按底流消能进行布置的岸边溢洪道,由于超高速底流空化空蚀难以解决、消力池施工安排困难以及工程投资巨大等,已有改用挑流消能布置的趋势。目前中国将在西南及西北地区陆续建设一批大型或特大型水电站,这一地区水电工程的主要特点是水头高、流量大、河谷狭窄。有一些适于修建当地材料的高土石坝,这些工程的岸边溢洪道泄洪流量、泄洪功率等指标都处于世界前列。其水流流速可达(50~60)m/s,泄洪功率达(104~105)MW;如果泄洪消能问题处理不好,不仅对下游河床产生严重冲刷,还会形成恶劣的水流流态,影响枢纽中其它建筑物的正常运用,甚至危及大坝的安全。因此,高水头、大流量岸边溢洪道挑流消能面临着严峻的挑战。窄缝鼻坎消能工是一种适用于高水头、大单宽流量、狭窄河谷的新型消能工型式,它的消能机理是窄缝收缩段内水深沿程增加并形成表面冲击波,在窄缝挑坎出口铅垂线上,各水流质点具有不同的抛射角,愈接近自由表面抛射角愈大。水流出挑坎后,铅垂线上各水流质点以不同的速度和角度在竖直面上运动,形成了窄缝挑坎水舌的纵向扩散。这种扩散主要依靠改变各水流质点的流向,从而实现各水流质点纵向流速的改变,而且狭窄河谷纵向可利用的空间远大于横向;水舌在空中充分扩散、充分掺气耗散了一部分动能,河床单位面积上的下泄水体动能因入水面积增大而大幅降低,有效地削弱了挑射水舌对下游河床的冲刷破坏。另外,窄缝挑坎水舌入水后在水垫中具有同时形成横向漩滚和纵向漩滚的水流运动特性,相邻水舌入水后横向掺混剧烈,也提高了窄缝消能工水流的平均消能率。因此,近年来,窄缝挑坎消能工的应用在日益增加。通常,一段河流在天然状态下的水流运动特性与其河道地形、地质特性是相适配的,高坝水利枢纽的建成运行,无疑会改变原有水流和河岸之间的平衡关系。对以岸边溢洪道为主要泄洪设施的大型堆石坝水利枢纽而言,由于枢纽总体布置上的要求,溢洪道通常布置在弯道河段或者出流与天然河道有较大夹角,泄洪水流如何尽快地顺应天然河势,从而满足相邻建筑物正常工作要求,就成了高水头大流量岸边溢洪道泄洪消能要解决的重大技术问题。水利枢纽工程中的消能防冲大多不是解决单一问题,它与枢纽总体布置密切相关,除与水工建筑物及两岸山体稳定相关的河槽冲刷外,经常涉及到的还有电站尾水口、通航建筑物下游口门区的波浪和砂石淤积等问题。在狭窄河谷中修建高水头、大流量岸边溢洪道,如采用窄缝挑坎消能工,应对窄缝挑坎水舌不同于常规挑坎水舌的一些水流特性有充分的认识,结合具体工程布置及河道特点,扬长避短,因地制宜地解决好泄洪消能与工程安全等关键问题。1水布克氏分层胶结混凝土面板堆石坝结构及挑流消能分析水布垭水电站是一座以发电和防洪为主、兼有其它综合效益的一等水利工程,枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、左岸岸边溢洪道、右岸地下电站和放空洞等组成。水库正常蓄水位时的库容43.12亿m3;电站装机总容量1600MW;面板堆石坝最大坝高233m,是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝。水布垭岸边溢洪道与其它建筑物的布置关系见图1所示。其挑流消能面临的主要问题有以下几个方面:第一,溢洪道最大泄量18320m3/s,泄洪水头落差171m,最大泄洪功率31000MW,消能区河谷狭窄,存在泄洪消能区的河道纵向利用问题;第二,消能区河床基岩岩性软弱破碎,抗水流冲刷能力低,存在岸坡淘刷产生的山体稳定问题;第三,地下电站尾水出口因地质原因只能布置在弯曲河道的凸岸,邻近挑流消能区,存在电站尾水波浪大、出口淤堵等影响电站安全运行的问题。2布石的蓄洪能主要创新成果[1.4]2.1冷沟的组合是解决非对称狭窄河谷消能区的冲泥矛盾的唯一途径1.下分层开发的工程应用分析该组合式消能工布置特点是5条泄槽窄缝挑坎出口平齐,同在桩号0+296.0m处,窄缝挑坎出口宽度均为4.0m,收缩比β=0.25,鼻坎高程251.70m,鼻坎挑角α=-10°,见图2所示。在该组合式消能工布置条件下,5条泄槽窄缝水舌沿纵向拉开,均匀跌落于河床中,消能区河道被射流水体均匀占据,主流归槽较好。在消能防冲设计工况(Q=11940m3/s)下,水舌内缘距鼻坎110m,外缘距鼻坎250m,水舌入水总宽度约80m,左岸凹塘区(桩号0+350m~0+550m)及大坝下游坡脚水域均有强回流产生,回流最大流速分别为7.6m/s和8.8m/s。由于窄缝消能工水舌的空中消能和纵向充分扩散,下游河道单位面积上的入水动能显剧降低,河床冲刷较浅,可满足防淘墙的稳定要求,见表1所示。对地下电站尾水出口而言,各级泄量条件下均有砂石堆积于口门区,部分工况下有砂石进入尾水洞;在其它中小流量泄洪条件下,电站尾水洞出口下游河床基本呈全断面淤积形态,减小汛后发电水头1.7~3.9m,电能损失较大。另外,由于4号、5号泄槽水舌外缘临近电站尾水出口,其泄洪波浪较大,电站尾水口门区波浪幅值为3~5m,对电站机组正常运行可能产生影响。根据对该型组合式窄缝挑坎水流特性及河道冲淤的综合分析,认为产生电站尾水口砂石淤积和波浪较大的水流因素是窄缝挑坎水舌外缘落水区邻近电站尾水出口,窄缝水舌入水后的横向漩滚使电站尾水口门区的砂石淤积不可避免,泄洪波浪亦较大;另外,由于五条窄缝挑坎水舌占据了河心水域,使近岸水域形成了强回流通道,河岸淘刷较深。根据消能区河道特点及电站尾水布置情况,利用窄缝挑坎的水舌特性和分区陡槽窄缝消能工可自由组合的特点,如何让泄洪水流适应下游消能区河势、不对河岸造成过大冲刷及电站尾水出口不发生淤积,就成了解决问题的总体思路。2.号窄缝水舌群落位置降低该组合式消能工方案的特点是:5条泄槽坝面曲线相同,泄槽尾部长度和挑坎高程各不相同,在平面上形成了非对称组合式窄缝消能工,其挑坎出口桩号从左至右分别为0+281.0m、0+263.5m、0+250.5m、0+240.3m和0+235.0m,窄缝挑坎出口宽度均为3.2m,窄缝收缩比β=0.20,鼻坎挑角1号~4号孔为-10°,5号孔为-5°,见图3所示。在该组合式窄缝消能工方案条件下,5条泄槽窄缝水舌错落有致地跌入下游河道,5号窄缝水舌外缘落水位置退缩了(60~80)m,其水舌顶冲对岸陡崖现象得到减缓,电站尾水口门区受泄洪水流的影响相应减轻,口门区波浪最大幅值小于2.5m,对电站机组正常运行的影响降低。同时,消能区下游河道断面流速分布发生了变化,主流偏向左岸,与该河段天然河道主流偏左基本一致。各泄洪工况下的河床最深冲坑高程均在175m以上,满足了防淘墙的抗倾覆稳定要求,电站尾水出口未出现淤堵现象。但在常遇中小流量条件下,由于5号孔鼻坎位置顺山坡向山顶后退,水舌内缘直接冲击本岸山脚230m高程平台,对山体稳定不利。将5号孔鼻坎消能工挑角增大到0°时,其水舌内缘冲击本岸山脚现象有一定改善,但对岸的陡崖防淘墙边的冲刷明显加深,已危及到防淘墙的安全;将5号窄缝鼻坎位置向下游延长3m时,虽然对岸防淘墙处的冲刷坑高程能达到170m以上,但部分泄洪工况下电站尾水洞出口又出现了较严重的淤积。经过对5号窄缝鼻坎各方案试验成果分析,发现其水舌落水位置对陡崖处河床局部冲刷深度和电站尾水洞出口淤积等非常敏感,水舌落水位置稍有变化,即会完全改变关键部位的冲淤形态;同样,5号窄缝水舌落水区附近局部边界条件的有限改变也显著地影响着下游河道和电站尾水口门区的冲淤结果。从5号窄缝水舌落水区的水流条件来看,不管水舌落水区近或者远,陡崖凸岸边均存在较大的回流,与该水域天然条件下的水流流态相差较大,可考虑利用5号窄缝水舌对该水域流态和水流结构进行修复。3.引导过下分层冲淤式该组合式消能工方案的主要特点是:5号窄缝挑坎出口中心向右偏移2.0m,见图4所示。该方案的提出,经历了5号窄缝挑坎右偏1.0m、右偏2.0m和右偏3.0m等方案的比较,并兼顾了为减少左岸公路因1号孔窄缝水舌分离水体溅击所进行的相关鼻坎窄缝收缩比和局部体型的调整等。当泄槽泄流时,由于5号窄缝挑坎出口右偏2.0m,其水舌落水区偏离5号泄槽中心线(20~30)m,入射水流在河面上形成了两个独立的泄洪消能区。泄洪冲刷试验表明,在消能工校核流量(Q=14810m3/s)及以下时,河道局部冲刷最深处均在右岸陡崖坡脚,最低高程173m,河道左岸没有明显冲坑形成,电站尾水口门区均无砂石淤积,尾水渠以下河槽右半边基本不冲不淤。该冲淤形态不影响地下电站的正常运行,汛后电站机组的发电水头损失也较小,模型试验观测的发电水头最大附加损失仅0.3m。该组合式窄缝消能工布置方案取得成功的水力学因素有以下几点:首先,5号窄缝挑坎右偏2m,其水舌入水方向正对右岸陡崖,使陡崖边水面壅高,岸边的回流强度和岸坡淘刷减轻。第二,5号窄缝挑坎右偏以前,由于水舌外缘的顶冲,一般会在地下电站尾水口门区产生部分砂石淤积;当5号窄缝挑坎右偏2m以后,其水舌原落水区没有了高动能潜射水体,电站尾水口门区基本不冲不淤。第三,导流洞出口右导墙端部水面因5号窄缝水舌右偏而升高,该处水面升高及5号水舌的离开,使4号窄缝水舌与右导墙之间成了向水舌内缘区补水的通道,此举减轻了沿左岸边向水舌内缘区补水的回溯流速,使左岸边的河床淘刷明显减轻。2.2水舌顶冠的贴角密度试验研究在溢洪道组合式窄缝挑坎消能工推荐方案条件下,左边1号泄槽窄缝挑坎在闸门中小开度时有水舌裂散水体冲击旁侧边坡现象。根据对该窄缝挑坎水舌分散水体的观测分析,发现冲击边坡的水体是从窄缝挑坎水舌的顶部分离出去的。通常,水舌顶部水体的分离是窄缝收缩段水流的充分紊动和水舌顶缘的过度弯曲所致,窄缝挑坎水舌顶部分离水体的侧向扩散则主要是窄缝收缩段两侧冲击波的交汇碰撞所致。交汇碰撞后的水翅按一定的反射角向外扩散,便产生了分散水体打旁侧岸坡现象。针对1号窄缝水舌在闸门开度8m以上运行时没有出现分散水体冲击旁侧岸坡现象,经试验观测和初步分析有以下结论:当闸门开度8m以上至闸门全开时,由于1号边孔进流左右不对称,再加上进口闸门槽对表面水流不对称扰动,使泄槽水流表面产生了不对称棱形冲击波,该不对称冲击波流经对称侧收缩的1号窄缝挑坎时,产生了左右不对称的水翅,两侧水翅交汇碰撞后的破碎水冠偏向河心一侧,因此,在上述各试验工况下,均未发现较大的分散水体冲击左岸边坡现象;而当闸门开度在8m以下时,由于闸门控泄,泄槽内水流横向比较均匀,当泄槽内对称的冲击波流经对称侧收缩的窄缝挑坎时,便产生了基本对称的水翅;而对称的两股水翅交汇碰撞后,其破碎的水冠将对称地向左右两侧扩散,就出现了水舌顶冠分散水体冲击左岸边坡现象。因此,要解决近岸的窄缝水舌分散水体冲击旁侧岸坡现象,必须在窄缝挑坎侧收缩段内有针对性地改变对岸坡有冲击危害的水流流态,使溢洪道在各种泄流工况下均能安全运用。根据前述关于水舌分散水体冲击旁侧岸坡现象的成因分析,在1号泄槽窄缝挑坎侧收缩段的底面与左侧壁交界处加一贴角体(见图5所示),主要目的是让窄缝收缩段内水面产生不对称的两股水翅,左侧壁水翅动量大,右侧壁水翅动量小,当两股水翅在侧收缩段内交汇碰撞后,使水舌顶冠的裂散水体偏向河心一侧,从而实现裂散水体不打旁侧岸坡的目标;同时,还希望总体上不改变窄缝挑坎主体水舌原有的各项水力特性以及下游河道流态。而水舌外缘长度及水舌入水方向主要由窄缝侧收缩比以及出口中心与泄槽中心的关系决定,该贴角窄缝挑坎的上述两项指标与原窄缝挑坎基本相同,故可实现上述目标要求。在模型上根据窄缝水流条件分别进行了贴角体不同体型、尺寸的试验研究,根据窄缝挑坎溅散水体不对旁侧岸坡构成危害和对窄缝主体水舌影响尽可能小的原则,得到了适宜于水布垭岸边溢洪道1号窄缝挑坎的贴角体体型及尺寸。试验研究表明:在各种库水位条件下,不管闸门敞泄还是各种开度控泄,1号窄缝挑坎内水翅交汇碰撞所产生的较大分散水体均不冲击左岸边坡,小水体溅击也较少,窄缝主体水舌入水位置与原方案基本接近,下游河道流态与原推荐方案相似,冲淤形态和冲淤指标均满足设计要求。2.3窄缝鼻坎水舌内缘的水体特性在水布垭岸边溢洪道采用非对称组合式窄缝鼻坎消能工时,由于2号~5号泄槽鼻坎出口位置依次后退,鼻坎水头和出坎流速依次减小,水舌落水位置也依次退缩,水舌内缘有可能冲击鼻坎下的岸坡。根据窄缝鼻坎水舌的一般特性,在泄槽水流条件一定的前提下,水舌内缘落水位置由窄缝底坎挑角决定,通过加大窄缝底坎挑角增大水舌内缘挑距是常用的手段,但同时也会改变窄缝水舌外缘运动轨迹和落水位置。由于水布垭岸边溢洪道5条泄槽窄缝鼻坎水舌外缘落点位置对下游河道冲淤有较大影响,因此,在1∶100水工模型窄缝鼻坎消能工优化试验研究中,通过延长窄缝底板长度(即窄缝底坎超出两侧边墙一定长度),达到了调整窄缝水舌内缘的目的,并且不会改变窄缝鼻坎的水流特性和水舌外缘运动轨迹及落水位置。试验研究还发现,底板延长的窄缝鼻坎水舌内缘较常规窄缝鼻坎水舌光滑,水舌内缘水体裂散较少。另外,通过溢洪道1∶100和1∶50水工整体模型各水舌内外缘落水位置的对比研究和分析,发现窄缝鼻坎水舌内缘落水位置有随模型比尺而变化的规律。将两种比尺模型的相关水舌参数列入表2中进行比较。从表中结果可以看出,大比尺模型的水舌外缘入水点均远于小比尺模型,而水舌内缘则相反。具体数据是:1号泄槽水舌外缘,大比尺模型比小比尺模型远(4~5)m,而内缘则近(18~20)m;5号泄槽水舌外缘,大比尺模型比小比尺模型远(2~5)m,而内缘则近(1~2)m。1号鼻坎水舌内缘在两种比尺的模型中相差较大的原因有两个方面:其一,在大比尺模型中,1号鼻坎水舌内缘有明显不同于小比尺模型的连续水翅生成,所以水舌内缘入水点向内退缩较多,这是主要原因,这也是窄缝挑坎水舌与等宽挑坎水舌的不同特性之一;其二,布置有掺气设施的大比尺模型,其水流掺气较多也会使水舌内缘退缩,但量值有限,正如5号鼻坎水舌内缘仅退缩2m那样。下面再来分析5号窄缝鼻坎水舌内缘退缩较小的原因,由于5号窄缝鼻坎底板比两侧边墙长1.2m,这使得5号窄缝鼻坎水舌内缘运动变成了等宽挑坎水舌运动,水舌内缘水体相对较宽,没有水翅生成。常规窄缝水舌内缘宽度一般较窄,易于形成附加水翅,随着模型比尺的增大,稀薄的水翅可变成密实的水体。因此,将水布垭岸边溢洪道2号、3号、4号、5号泄槽窄缝鼻坎底板延长(0.6~1.2)m,不仅有效增大了窄缝水舌内缘的挑距,减少了鼻坎下方山体的开挖量,更重要的是,它改变了常规窄缝鼻坎水舌内缘特性,使模型试验成果更具可靠性。1号泄槽窄缝鼻坎水舌内缘落水位置距岸边较远,水舌内缘冲击坎下岸坡的可能性较小,所以未采用长底板窄缝鼻坎布置型式。对于大比尺模型水舌外缘入水点普遍比小比尺模型远2~5m现象,这是模型比尺效应的普遍规律[5~6],一般不会对河道的消能防冲产生明显影响。3水力学原型观测在库水位(393.2~397.4)m条件下,对1号~3号泄槽闸门最大开启7m工况和3号泄槽闸门全开工况进行了水力学原型观测,溢洪道最大下泄流量分别为3100m3/s和1500m3/s,泄洪时严格按照水工模型试验推荐的闸门调度方式进行。溢洪道泄洪实景见图6。3.1孔道水舌内缘在泄洪工况下,窄缝鼻坎均能形成典型的窄缝挑流水舌形态,水舌纵向拉开充分,而横向扩散不明显,水舌空中掺气充分,1号窄缝鼻坎水舌分散水体无冲击左岸边坡现象,各孔水舌内缘均挑离鼻坎下的岸坡;泄洪产生的雾化现象较为严重,浓雾区主要分布在水舌入河区两岸及河道上空,雾化强降雨使山顶有瀑布形成。3.2堆积现象分析泄洪后的检查结果表明,溢洪道及窄缝鼻坎消能工均完好无损;电站尾水渠及尾水以下右侧河道未见砂石淤积现象;桩号0+550m~0+700m范围内的左侧河道有砂