阿爾塔什水利樞紐水墊塘消能方式選擇

趙滎　楊敏　齊春風(fēng)

摘要：以新疆阿爾塔什水利樞紐泄洪建筑物為研究對(duì)象，通過(guò)1∶50水工模型試驗(yàn)比選消能方式，對(duì)比研究了采用平底板水墊塘方案下的塘內(nèi)水動(dòng)力特性和采用護(hù)坡不護(hù)底方案下的水墊塘沖刷形態(tài)。通過(guò)脈動(dòng)壓力與上舉力的分布，推測(cè)了水墊塘的可能破壞范圍；通過(guò)流態(tài)分析和沖刷分析，對(duì)挑坎體型進(jìn)行了優(yōu)化。不同型式挑坎對(duì)水墊塘的沖刷影響的比較分析表明，優(yōu)化后的挑坎能夠起到調(diào)整水舌和沖坑形態(tài)、減少坡腳沖刷的作用，經(jīng)優(yōu)化后該工程水墊塘采用護(hù)坡不護(hù)底的方案是可行的，并可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；消能防沖；水力特性，沖刷；挑坎優(yōu)化；曲面貼角

中圖分類號(hào)：TV135 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2016）05012406

Selection of Energy Dissipation Scheme in Plunge Pool for Altash Project

ZHAO Xing，YANG Min，QI Chunfeng

（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：In this paper，Altash hydropower station was chosen as the research object.The best energy dissipation scheme was selected based on 1∶50 hydraulic model.It could be studied by comparing the hydraulic characteristics in the flat bottom water cushion pool and scouring patterns in the cushion pool with lining slope but no bottom protection.By measuring pulsating pressure and uplift force，the possible damage range in the cushion pool could be predicted.And through the analysis of the flow pattern and scouring patterns，the shape of flip bucket of spillway tunnel could be optimized.The comparative study showed that the optimized flip bucket could change trajectory nappe forms，adjust scour pit shapes，reduce the slope erosion and it was feasible for this cushion pool to adopt the form of the lining slope but no bottom protection with the optimized flip bucket.The results can provide reference for similar projects.

Key words：model test；energy dissipation and erosion control；hydraulic characteristics；sediment scour；shape optimization for flip bucket；curved surface bucket

20世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)高拱壩設(shè)計(jì)高度逐漸增加，其中，二灘水電站最大壩高達(dá)到240 m，通過(guò)大量試驗(yàn)與研究論證，二灘采用了“壩身表中孔聯(lián)合分層泄水，水舌空中碰撞消能，下設(shè)水墊塘二道壩消能，輔以岸邊泄洪洞泄洪”的建筑物布置與消能方式，之后的工程（如：小灣水電站等）大都采用了這種“二灘模式”。這種襯砌水墊塘通過(guò)板塊錨固、止水縫設(shè)計(jì)、縫間止水、底板下排水等可以在一定程度上保護(hù)下游不受破壞。但是，當(dāng)水墊塘的設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不滿足要求時(shí)，襯砌水墊塘也會(huì)發(fā)生破壞。比較典型的有俄羅斯的薩揚(yáng)·舒申斯克水電站、我國(guó)的五強(qiáng)溪水電站[1]、安康水電站[2]魚(yú)塘水電站等，在運(yùn)行一段時(shí)間后消力池底板均出現(xiàn)了一定程度的破壞需要及時(shí)修復(fù)。而隨著新建待建大壩的量級(jí)達(dá)到300 m級(jí)，水墊塘底板破壞的可能性更大。

在水墊塘基巖條件較好時(shí)，不一定要襯砌水墊塘，只需對(duì)沖刷部位預(yù)挖、對(duì)斷層進(jìn)行處理、基巖錨固和兩岸護(hù)坡等，其造價(jià)比襯砌水墊塘低得多。由此，提出了“護(hù)坡不護(hù)底水墊塘”的方案。國(guó)內(nèi)外已有一些工程采用這種水墊塘，證明了不襯砌水墊塘具有控制消能防沖、提高工程經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢(shì)。如土耳其的伯克壩[3]、南非的卡其壩[4]利用加高二道壩來(lái)形成不襯砌水墊塘；巴西的圖庫(kù)魯伊溢洪道采用預(yù)挖沖坑。國(guó)內(nèi)的蓮花水電站[5]、水布埡水電站[6]、糯扎渡水電站[7]下游也采用了預(yù)挖不襯砌水墊塘。特別是巴西的圖庫(kù)魯伊大壩的不襯砌水墊塘成功渡過(guò)了11 000 m3/s的洪水[8]，證明了不襯砌水墊塘有良好的消能防沖作用。

對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，下游覆蓋層較深、基巖較好，下游有充足水墊，因此考慮采用預(yù)挖護(hù)坡不護(hù)底水墊塘，并通過(guò)調(diào)整挑坎體型減小下游沖刷。

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，為大（1）型Ⅰ等工程。樞紐工程泄水建筑物由表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞組成。表孔溢洪洞共布設(shè)兩條，均位于左岸山體中；中孔泄洪洞位于左岸1號(hào)表孔溢洪洞與2號(hào)表孔溢洪洞右側(cè)，其洞身段軸線與表[CM（22]孔溢洪洞軸線平行，且與1號(hào)溢洪洞洞身段的軸線

水平距離40 m。設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，三孔下泄流量均接近2 000 m3/s。2條表孔和中孔出口下游聯(lián)合設(shè)置水墊塘，將水流挑入水墊塘中消能。下游水墊塘開(kāi)挖尺寸為150 m×105 m，底板高程為1 650 m。后接天然河道，河床巖性為薄層泥晶灰?guī)r，抗沖流速為3～4 m/s，工程平面圖見(jiàn)圖1。

2 模型布置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，幾何比尺Lr=50。泄水建筑物使用有機(jī)玻璃制作；在平底板水力特性試驗(yàn)中水墊塘襯砌板塊使用加重橡膠制作；在護(hù)坡不護(hù)底試驗(yàn)中水墊塘按動(dòng)床模擬，按抗沖流速選取散粒體沖刷材料，河床按相似比尺依據(jù)提供的河床砂礫石顆粒級(jí)配模擬[910]。模型上游模擬3個(gè)泄洪建筑物進(jìn)口地形，滿足進(jìn)流條件相似要求。庫(kù)區(qū)及下游河道均按實(shí)際地形模擬，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾靡?jiàn)圖2。

3 水墊塘底板水動(dòng)力荷載

3.1 時(shí)均壓力分析

大量試驗(yàn)證明，射流對(duì)水墊塘的沖擊壓力可能達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。本次試驗(yàn)在水墊塘底板上共布置260個(gè)時(shí)均壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3，左岸第一列（記作：左0+0）布置在左岸坡腳處，間隔15 m布置第二列，之后間距10 m布置其它列測(cè)點(diǎn)，并考慮到水舌的沖擊范圍在消0+30～消0+110范圍內(nèi)局部加密測(cè)點(diǎn)，并用測(cè)壓管測(cè)量時(shí)均壓強(qiáng)。各試驗(yàn)條

件見(jiàn)表1，在工況1的泄流條件下，三孔水舌落點(diǎn)在消0+080附近，位于水墊塘中部偏向下游，挑距較遠(yuǎn)，水流潛底之后形成壁射流區(qū)[1112]。尾渠之后，水面趨于穩(wěn)定并與下游寬闊河道相接，觀察護(hù)坦末端的流態(tài)可以看出，各工況下水流經(jīng)過(guò)水墊塘消能后，流態(tài)已基本趨于穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)下游河床造成較大沖刷，說(shuō)明水墊塘的體型可以滿足消能的需要。

的分布對(duì)比圖，在縱向上看，時(shí)均壓力基本呈高斯累計(jì)分布函數(shù)形狀[7]，上游時(shí)均壓力較低且在在落點(diǎn)上游附近達(dá)到最小值。在落點(diǎn)附近，水流旋滾劇烈并大量摻氣，致使在消0+040～消0+085范圍內(nèi)壓力梯度較大，極差值達(dá)到10 m水柱左右。在橫向上看，各列時(shí)均壓力略有不同，主要是由于三孔水舌挑距不同造成的，各列峰值不明顯，而水墊塘末尾壓力近似與下游水位齊平。其它工況結(jié)論與工況1相似。

3.2 脈動(dòng)壓力、上舉力分析

水墊塘內(nèi)水流的脈動(dòng)壓力直接關(guān)系到塘內(nèi)的消能、沖刷及水工建筑物的振動(dòng)與穩(wěn)定，本次試驗(yàn)以1號(hào)表孔中心線為基準(zhǔn)，在水墊塘底板上布置了3列脈動(dòng)壓力測(cè)壓點(diǎn)，分別為左0+15、左0+55、左0+95。從圖5可以看出，脈動(dòng)壓力分布極值出現(xiàn)在樁號(hào)0+80～0+95范圍內(nèi)，這是由于水舌擺動(dòng)及旋滾引起強(qiáng)烈紊動(dòng)造成的。水墊塘底板脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在工況2時(shí)，為9.65×9.8 kPa，其它工況約5～6×9.8 kPa。總體上數(shù)值比較大，需對(duì)底板的穩(wěn)定性給以足夠的重視。

之后，根據(jù)原有水墊塘板塊設(shè)計(jì)結(jié)合試驗(yàn)動(dòng)水壓力分布的結(jié)果在水墊塘底板布置兩列（分別定義為A、B列）上舉力傳感器，各列均與時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)，每列7個(gè)共計(jì)14個(gè)上舉力傳感器，板塊及傳感器布置見(jiàn)圖6，板塊尺寸為10 m×10 m×3 m。同時(shí)考慮板塊間及板塊與基巖間預(yù)留1 mm左右縫隙（即縫隙完全貫通狀態(tài)）。[CM（22]這樣因?yàn)檫@些縫隙的存在，脈動(dòng)壓強(qiáng)必然會(huì)沿著這些縫隙傳入底板之下。底板塊上下表面的壓力之差就形成了上舉力，并可能導(dǎo)致板塊失穩(wěn)[13]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，工況1水墊塘底板單位面積上舉力見(jiàn)圖7。A列的最大上舉力出現(xiàn)在樁號(hào)“消0+110”處，單位面積最大上舉力為16.186×9.8 kN/m2；B列的最大上舉力出現(xiàn)在樁號(hào)“消0+105”處，單位面積最大上舉力為12.531×9.8 kN/m2。從上舉力分布上來(lái)看，底板上舉力最大值位置略遠(yuǎn)于脈動(dòng)壓力最大值位置。

綜合時(shí)均壓力、脈動(dòng)壓力及上舉力結(jié)果來(lái)看，在水舌落點(diǎn)附近即沖擊射流區(qū)底板時(shí)均壓強(qiáng)較大，這是由于水舌潛底后流向發(fā)生改變，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。但是同時(shí)壓力會(huì)沿縫隙傳遞到底板下表面，一般上表面比下表面的壓強(qiáng)大，因而就時(shí)均壓力來(lái)看水舌落點(diǎn)附近板塊處于穩(wěn)定狀態(tài)。但沖擊射流區(qū)的脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，導(dǎo)致板塊失穩(wěn)主要是脈動(dòng)壓強(qiáng)。在壁面射流區(qū)，板塊下表面的壓強(qiáng)會(huì)超過(guò)上表面的壓強(qiáng)，引起板塊失穩(wěn)。從圖上看到在0+80～0+125范圍內(nèi)上舉力很大，在工況2止水完全破壞的情況下，單位面積最大上舉力達(dá)到26.211×9.8 kN/m2。若以板塊最大上舉力作為失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)[14]，則A列的最大上舉力遠(yuǎn)超過(guò)了浮重4.2×9.8 kN/m2，因此至少需要錨固力22.011×9.8 kN/m2才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 護(hù)坡不護(hù)底試驗(yàn)

原型河床巖性為薄層泥晶灰?guī)r，抗沖流速為3～4 m/s。按照如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：V為抗沖流速；d為泥沙粒徑；K為系數(shù)，取值為5～7，本文取中間值6。

將模型水墊塘設(shè)置為動(dòng)床模型[15]，參考提供的抗沖流速標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)模型沙篩選，選取的沖料平均粒徑（折算成球體直徑）為6.4 mm。按模型幾何比尺Lr=50換算原型泥沙粒徑為32 cm，相當(dāng)于原型抗沖流速339 m/s，滿足試驗(yàn)條件。鋪沙高程為1 650 m，每次試驗(yàn)結(jié)束后，重新使用相同模型沙填平動(dòng)床，并在水墊塘內(nèi)充滿水模擬下游初始水墊，保證每組試驗(yàn)下游水墊塘沖刷條件相同。而在沖刷試驗(yàn)后，為便于測(cè)量下游沖坑形態(tài)，從上游至下游共布置了14個(gè)測(cè)量斷面，相鄰斷面間隔10 m，樁號(hào)分別為消0+000、消0+010……。各斷面上12個(gè)測(cè)點(diǎn)，共168個(gè)沖坑測(cè)點(diǎn)，并使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。

4.1 原方案沖刷試驗(yàn)

水墊塘沖刷試驗(yàn)參考了平底板水墊塘試驗(yàn)，沖料填充高程為原水墊塘高程1 650 m，試驗(yàn)按表1試驗(yàn)組次進(jìn)行，各工況沖刷歷時(shí)2 h以上，相當(dāng)于原型15 h泄洪。在原方案中，1號(hào)表孔采用矩形差動(dòng)式挑坎[16]；2號(hào)表孔和中孔采用擴(kuò)散式斜切導(dǎo)向坎[17]。中孔圓弧右邊墻半徑600 m、2號(hào)表孔圓弧左邊墻半徑150 m。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在各工況泄流條件下，1號(hào)表孔水舌在空中呈扇形展開(kāi)，水舌厚度較均勻，且落點(diǎn)位于水墊塘中部，在中部形成沖刷坑。而中孔和2號(hào)表孔位于1號(hào)表孔兩側(cè)，水舌由于斜切坎的作用在橫向和縱向上都有擴(kuò)散，但是導(dǎo)向不明顯仍有部分水舌落于兩邊坡附近，造成坡腳較深沖刷。在工況1三孔全開(kāi)泄流時(shí)，沖坑基本左右對(duì)稱。水墊塘末尾水流紊動(dòng)劇烈造成較大沖刷，水墊塘前端水流流速較低，水流從末端經(jīng)左右岸回流形成堆積，前端坡腳無(wú)較大沖刷，沖坑深度3.9 m。左右坡腳有較大沖刷，特別是靠近水墊塘下游沖坑深度分別達(dá)到了17.4 m和15.3 m，左岸沖刷較右岸嚴(yán)重，水墊塘中線上最大沖刷為10 m。

4.2 優(yōu)化方案簡(jiǎn)介

為減小下游沖刷，對(duì)2號(hào)表孔和中孔挑坎進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了7種方案共28組試驗(yàn)，詳細(xì)優(yōu)化體型參數(shù)見(jiàn)表2。

方案1-方案3主要從挑坎導(dǎo)墻半徑出發(fā)，逐漸減小

了2號(hào)表孔和中孔的導(dǎo)墻半徑，以期達(dá)到使兩孔水舌遠(yuǎn)離邊墻，水舌落點(diǎn)向中部聚集的作用；方案4是在方案1的基礎(chǔ)上，在2號(hào)表孔和中孔挑坎體型之后各加上了一向上翹起的舌型坎[18]，以期利用順?biāo)?/p>

流方向的曲率以及挑坎出口末端的弧形曲線，加大水流的橫向擴(kuò)散；方案5～7采用了方案4中孔的布置形式，將2號(hào)表孔挑坎修改為曲面貼角坎[19]，即在挑坎末端左側(cè)加上“貼角”，該貼角在迎水曲面上是有一組等半徑的圓弧組成，隨著高度提升在最高點(diǎn)圓弧收縮成一點(diǎn)。

4.3 流態(tài)分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方案1-方案3隨著導(dǎo)墻半徑的不斷減小，出流水舌向水墊塘中部聚集，見(jiàn)圖8中方案1、方案3，中孔水舌有明顯的偏轉(zhuǎn)，均遠(yuǎn)離邊墻，但同時(shí)導(dǎo)墻側(cè)水舌不斷加厚。因此，修改導(dǎo)墻半徑可以明顯的改變水舌的出流角度，調(diào)整水舌落點(diǎn)位置。而與方案4流態(tài)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)表孔和中孔的橫向擴(kuò)散更為明顯，特別是2號(hào)表孔水舌的右邊緣和中孔的左邊緣呈半透明的破碎狀，但是兩孔水舌的另外一側(cè)邊緣水舌仍較厚。經(jīng)過(guò)方案5的修改，可以明顯看出2號(hào)表孔水舌的兩側(cè)邊緣均呈破碎狀，主流主要集中在水舌的中部。而隨之方案6、方案7所加曲面貼腳的增大，2號(hào)表孔水舌主流繼續(xù)向右邊緣移動(dòng)，偏離水舌中心。因此，曲面貼角坎不僅具有導(dǎo)向和擴(kuò)散的作用還可以調(diào)整水舌的主流分布。

挑坎水舌的出流情況也直接影響了水墊塘內(nèi)的流態(tài)和下游沖刷，在各方案工況1中方案1、5的塘內(nèi)流態(tài)較為對(duì)稱，兩側(cè)岸坡處均有回流，水墊塘出口水流穩(wěn)定；而其它方案水舌落點(diǎn)分布較差，塘內(nèi)回流不對(duì)稱易造成局部沖刷。

4.4 沖刷分析

從上圖可以看出，方案1中因水舌遠(yuǎn)離邊坡，坡腳沖刷略有改善，左右岸坡腳最大沖坑深度達(dá)到了16.6 m、11.6 m；同時(shí)水墊塘中部沖刷坑深度增加到8.8 m，中部落點(diǎn)下游的堆積高度有所降低。隨著導(dǎo)墻半徑的繼續(xù)減小，方案2和方案3的中線沖刷深度和左右岸沖刷深度有加深的趨勢(shì)，并且左岸沖刷明顯較右岸嚴(yán)重，這是由于修改中孔半徑后導(dǎo)致水墊塘內(nèi)主流向左岸偏轉(zhuǎn)，左岸水流紊動(dòng)加劇，這樣容易造成水墊塘內(nèi)水流不對(duì)稱引起左右岸坡腳局部沖刷。

方案4的沖刷坑中線最大沖深7.5 m，形態(tài)明顯改善，尤其右岸邊坡沖深均在10 m以內(nèi)，但左岸下游沖刷仍較深，最大達(dá)到了16.4 m。這是由于水墊塘內(nèi)水流不對(duì)稱造成的。

在方案5-方案7中，以R2=100 m、R3=43.8 m、D3=4 m組合抗沖刷效果最好。[HJ1.82mm]沖刷坑整體呈勺型，中線上沖刷深度最大達(dá)到13.4 m；水墊塘左岸沖刷明顯減小，最大沖深仍在左岸末端約為11 m；水墊塘右岸僅在末端一個(gè)測(cè)點(diǎn)處有較深的局部沖刷（15.6 m），其他部位的沖刷均在10 m以內(nèi)。

綜合考慮水流形態(tài)、沖刷坑形態(tài)及左右岸沖刷深度，方案5效果最佳，兩岸坡腳沖刷得到改善，降幅達(dá)34%。由此可見(jiàn)，采用護(hù)坡不護(hù)底水墊塘?xí)r，通過(guò)修改挑坎體型、改變出流形態(tài)并輔以必要的邊坡防護(hù)措施是能夠滿足工程消能防沖需要的。

5 結(jié)論

本文以模型試驗(yàn)為主，對(duì)比驗(yàn)證了下游平底板水墊塘和不護(hù)底水墊塘的消能防沖效果，試驗(yàn)結(jié)果表明：該工程采用平底板水墊塘，是可以滿足工程消能需求的，但由于底板脈動(dòng)壓力和上舉力較大，因此需要很大的錨固力（最大錨固力為22×9.8 kN/m2）。而采用不護(hù)底水墊塘，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，下游存在較大沖刷，但經(jīng)過(guò)挑坎優(yōu)化之后可以明顯改善坡腳的淘蝕狀況，坡腳沖刷降幅達(dá)34%，水墊塘內(nèi)最大沖刷深度僅13.4 m，如配合固結(jié)灌漿等工程措施進(jìn)行護(hù)坡，可以得到很好的下游防護(hù)效果。

綜上所述，本工程水墊塘消能方式選擇護(hù)坡不護(hù)底形式是可行的，本文的挑坎優(yōu)化方式和護(hù)坡不護(hù)底試驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢詰?yīng)用在相似工程，為其他工程的消能防沖設(shè)計(jì)提供參考。[HJ1.35mm]

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