高臺(tái)階消能式溢洪道在碾壓混凝土壩中的應(yīng)用

代 彬，曹 駿，陳章淼

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

1 臺(tái)階式溢洪道在碾壓混凝土壩中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著筑壩的迅速發(fā)展，臺(tái)階式溢洪道在碾壓混凝土壩(RCC)上得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)的上靜水壩是世界上第一個(gè)采用RCC臺(tái)階式溢洪道的工程，我國(guó)的貴州索風(fēng)營(yíng)水電站、廣東烏石攔河閘工程、湖南江婭RCC大壩都運(yùn)用了臺(tái)階溢洪道。表1為臺(tái)階式溢洪道在國(guó)內(nèi)外已建成投入運(yùn)行的典型實(shí)例。

表1 臺(tái)階式溢洪道典型實(shí)例

2 臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)的理論分析

臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)可分成3類，即滑行水流，過渡水流和跌落水流[1]。各流況形成領(lǐng)域見圖1。

當(dāng)水流流過臺(tái)階表面時(shí)，各臺(tái)階內(nèi)全部被水充填，沒有空腔存在，并在各臺(tái)階隅角和主流之間形成一個(gè)橫軸旋渦，靠近主流處旋渦旋轉(zhuǎn)方向和主流流動(dòng)方向一致，這種水流稱為滑行水流，見圖2(a);在各臺(tái)階隅角與主流之間總是有一個(gè)近似三角形空腔存在，空腔下為一近似梯形靜水池，流股出現(xiàn)較大的彎曲，稱為跌落水流，見圖2(c);處于滑行水流和跌落水流之間，在一些臺(tái)階內(nèi)總是有類似跌落水流的三角形空腔形成，而在另一些臺(tái)階內(nèi)總是有類似滑行水流的橫軸旋渦形成，并且這兩種形態(tài)沿臺(tái)階向下游交替存在于臺(tái)階表面與主流之間，定義為過渡水流[2]，見圖2(b)。臺(tái)階式渠槽流況見圖2。

3 哮天龍高臺(tái)階溢洪道布置

哮天龍水庫(kù)位于貴州省六盤水市盤縣接長(zhǎng)江支流沙沱河上，工程任務(wù)為向縣城紅果鎮(zhèn)供水。水庫(kù)樞紐建筑物由大壩、溢流表孔、取水管、放空管等建筑物組成。設(shè)計(jì)洪水情況下泄流量84.7 m3/s，單寬流量q=7.058 m3/(s·m)，校核洪水情況下泄流量126 m3/s，單寬流量 q=10.5m3/(s·m)。

圖1 各流況形成領(lǐng)域

大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高56 m，壩頂長(zhǎng)169 m，中部設(shè)置溢流凈寬12 m的臺(tái)階式溢流道。大壩碾壓施工采用3 m×3 m的翻身式大模板，每層連續(xù)碾壓施工高度為3 m。為保證溢流壩段與非溢流壩段通倉(cāng)碾壓施工，溢洪道臺(tái)階高度選定在3.0 m。

溢流壩段長(zhǎng)13.6 m，設(shè)置12 m寬溢流表孔1孔，非溢流壩段下游壩面總體坡度為1∶0.75，長(zhǎng)2.25 m×高3.0 m的階梯狀，溢流壩段為臺(tái)階漸變式溢洪道結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在大壩上的溢洪道，在槽形溢洪道上設(shè)置有階梯，階梯從上到下的階梯高度逐漸遞增。

4 原方案水流流態(tài)研究分析

4.1 原方案水流流態(tài)模型試驗(yàn)

為充分掌握溢洪道水流流態(tài)，哮天龍臺(tái)階溢洪道進(jìn)行了水力模型試驗(yàn)。試驗(yàn)比尺為1∶40，試驗(yàn)方案分原方案和采用方案。原方案溢洪道為完全采用3 m高大臺(tái)階的，共10級(jí)臺(tái)階。在水力模型試驗(yàn)中，工況1為下泄流量45 m3/s，水流經(jīng)堰頂后直接跌落在第1級(jí)臺(tái)階上，在階梯面上形成跌流。在沖擊第1級(jí)臺(tái)階后產(chǎn)生挑流，挑流水流跨過其后的臺(tái)階，直接跌入反弧段。此工況水流流態(tài)屬典型的跌落水流。當(dāng)下泄流量85 m3/s時(shí)，由于水舌的增厚，水流流態(tài)進(jìn)入過渡水流。下泄水流在第1～4級(jí)臺(tái)階以類似滑行水流形式沿著階梯下泄，至第4階梯后，水流從第4階梯挑出，跌落在后面的階梯和反弧上。當(dāng)下泄流量Q=126 m3/s時(shí)，水流沿著階梯高速下泄，水流表面成旋滾波動(dòng)狀，第二階梯后水面為一片“白”水，水流之下每個(gè)階梯均有旋滾，摻氣明顯。此工況水流流態(tài)屬典型的滑行水流。

圖2 臺(tái)階式渠槽流況

4.2 原方案水深

原方案溢流表孔水深成果見表2。

4.3 原方案水流流態(tài)研究分析

根據(jù)臺(tái)階式溢洪道水流流態(tài)理論計(jì)算和水工模型試驗(yàn)分析可看出，由于溢流曲線較陡，而臺(tái)階的高度又過大，在小流量情況下，水流在臺(tái)梯面上形成各種程度的挑流，造成臺(tái)階段水深較高，并且挑射水流越過多級(jí)階梯，未能在階梯上形成有效的具橫軸旋渦的旋滾，消能效果差。

表2 原方案溢流表孔水深成果表

5 采用方案水流流態(tài)研究分析

5.1 采用方案臺(tái)階布置

為避免小流量情況下原方案臺(tái)階布置造成的跌落水流，采用方案為在與堰面曲線相接的2級(jí)高臺(tái)階上設(shè)置小臺(tái)階，其中第1階梯上設(shè)為5級(jí)小階梯，每級(jí)高度為0.6 m、寬度為0.45 m;第2級(jí)階梯上設(shè)置3個(gè)小階梯，高度分別為0.9 m、0.9 m、1.2 m，寬度均為0.75 m。

通過小臺(tái)階的過渡，采用方案對(duì)小流量水流先形成滑行水流流態(tài)，通過2級(jí)臺(tái)階后，水流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。具有一定動(dòng)能的水流流態(tài)在慣性的作用下，水流就很難改變其流態(tài)，因而在余下的8級(jí)臺(tái)階上繼續(xù)保持其水流特性。通過水力模型和工程實(shí)踐證實(shí)，采用方案是成功的。

5.2 采用方案水流流態(tài)模型試驗(yàn)

水力模型試驗(yàn)中下泄流量Q=45 m3/s、Q=85 m3/s、Q=126 m3/s時(shí)流態(tài)。

5.3 采用方案摻氣及水深

臺(tái)階式溢洪道上的滑行水流，可分為非摻氣區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)和穩(wěn)定摻氣區(qū)。

水力模型試驗(yàn)中，當(dāng)下泄流量＞10 m3/s時(shí)，挑射水流消失，水流通過階梯平順下泄。在第一、第二階梯上為非摻氣區(qū)，第三、四階梯為摻氣發(fā)展區(qū)，第五—第十二階梯為穩(wěn)定摻氣區(qū)。泄流水面摻氣后，每一級(jí)階梯下游面出現(xiàn)較明顯的小漩渦，陡槽段水流為水、氣混合體，主流仍在槽底，表面為水滴躍移區(qū)。其水深成果見表3。

表3 采用方案溢流表孔水深成果表

采用方案水深成果(表3)與原方案水深成果(表2)相比較，在Q=45 m3/s和Q=60 m3/s兩個(gè)工況下，堰頂至臺(tái)階起始處水深相差不大，原方案在第一級(jí)臺(tái)階后下泄水流出現(xiàn)挑射，部分階梯上是沒有水流的，有水流的階梯上流態(tài)混亂;在Q=85 m3/s和Q=126 m3/s兩個(gè)工況下，采用方案相對(duì)于原方案其水深起伏差較小，最大水深1.84 m。

從水深對(duì)比可看出，采用方案水深起伏差較小，水流沿臺(tái)階平順下泄，最大水深較低，導(dǎo)墻高度就能降低。

5.4 采用方案消能分析

當(dāng)下 泄 流 量 ＜10 m3/s時(shí)，單 寬 流 量 ＜0.83 m3/(s·m)，由于水流的流量較小，形成的跌落水流在空中擴(kuò)散破碎、在臺(tái)階上混摻并形成完全或不完全水躍來消能，對(duì)臺(tái)階式溢洪道結(jié)構(gòu)無(wú)影響。

當(dāng)下泄流量＞10 m3/s時(shí)，形成的滑行水流在臺(tái)階面上形成橫軸漩渦，一方面翻滾水流與臺(tái)階混凝土充分摩擦，產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩阻作用，一方面沿臺(tái)階尖角滑行的水流充分摻氣，產(chǎn)生了較好的消能效果。與非臺(tái)階(直線形)溢洪道鼻坎處流速計(jì)算成果對(duì)比，采用方案臺(tái)階水力模型試驗(yàn)測(cè)出臺(tái)階式溢洪道鼻坎處流速大幅度降低，消能率達(dá)到了35%～40%。

6 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)混凝土大倉(cāng)面的碾壓施工，哮天龍碾壓混凝土壩臺(tái)階溢洪道首創(chuàng)采用了高臺(tái)階，發(fā)揮了碾壓混凝土筑壩快速施工的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)水力模型和工程實(shí)踐證實(shí)，高臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)和消能效果好，為臺(tái)階式溢洪道在碾壓混凝土壩上推廣應(yīng)用提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

[1]田嘉寧，大津巖夫，李建中，等.臺(tái)階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學(xué)報(bào)，2003(04):35－39.

[2]楊志雄.引子渡水電站樞紐布置及特點(diǎn)[J].貴州水力發(fā)電，2000，14(04):43 －46.