高拱壩溢流表孔分流齒坎的布置體型與作用效果

孫雙科，徐建榮，柳海濤，彭 育，薛 陽

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 研究背景

高拱壩是我國大型水電站的主力壩型之一，自1998年二灘水電站［1-4］建成投產以來，我國又陸續建成了小灣［5-7］、溪洛渡［8-11］、錦屏一級［12-13］、構皮灘［14-17］、白鶴灘［18-19］等300 m 級大型高拱壩工程，其中錦屏一級水電站最大壩高305 m，是目前世界第一高拱壩工程，白鶴灘水電站總裝機容量16 000 MW，是我國僅次于三峽水電站的第二大水電站。另外，壩高270 m 的烏東德［20-22］水電站也正在建設中。

我國大型水電站普遍存在水頭高、流量大的技術特點，在樞紐布置與泄洪消能方面面臨巨大挑戰，大型高拱壩工程由于大多布置于狹窄的深切河谷段，更加大了相關問題的技術難度［23］。如表1 所示，我國幾座代表性高拱壩工程壩身泄量10 100 ～ 32 278 m3/s，上下游總落差140 ～ 225.9 m，而枯水期下游河道寬度則在100 m 以內，足見相關研究的技術難度。

表1 部分高拱壩壩身泄洪水力學指標

為解決樞紐布置與泄洪消能技術難題，我國高拱壩工程大都采用了壩身開孔泄洪和岸邊泄洪洞分流的總體布置格局與利用下游人工水墊塘消能的泄洪消能布置方案［24-25］，在壩身泄水建筑物布置上，通過布置表孔與深（中）孔雙層孔口，并采用不同的鼻坎高程與出射角度，形成多層多點大差動出流，以分散挑流水舌跌入下游水墊塘時的入水能量分布，并通過水舌的空中碰撞促進消能，最終實現降低水墊塘底板沖擊壓強與脈動荷載的目標。

在壩身泄水建筑物體型優化布置方面，深（中）孔由于孔身短且流速高，通常采用工作弧門布置于出口的有壓長管布置方式，主要通過優化流道軸線偏轉角度與出口鼻坎挑角進行挑流水舌流態控制；而溢流表孔由于泄槽內流速通常為20 m/s 左右，量值不大，為實施體型優化提供了更多的技術可能性，除通過調整鼻坎出射角實現分層多點入水之外，還可以采用促進水舌橫向擴散的舌型坎、促進水舌縱向擴散的寬尾墩、以及進一步分散水舌的分流齒坎等優化技術［24-25］。上述技術措施在我國大型高拱壩工程設計與科研的不同階段都進行過大量試驗研究與分析論證，為最終方案的確定發揮了重要作用。

本文以高拱壩溢流表孔分流齒坎為主題，在回顧其工程運用與前人研究成果基礎上，結合白鶴灘水電站可研階段壩身泄洪水工模型試驗結果，探究分流齒坎的布置體型與作用效果，為后續類似工程提供參考。

2 高拱壩溢流表孔分流齒坎的相關研究與工程應用

作為高拱壩溢流表孔體型優化的有效技術措施之一，分流齒坎方案已在二灘、溪洛渡、構皮灘等大型高拱壩工程中得到了實際運用［26-28］。水工模型試驗研究表明，表孔增設分流齒坎，可以促進表孔挑流水舌在橫、縱向上的分散，有效降低水墊塘底板沖擊壓強。

從體型布置看，分流齒坎的類型可以分為雙邊齒坎、雙中齒坎、內側邊齒坎、以及外側邊齒坎四大類。而分流齒坎的細部尺寸，則包括齒坎高度、齒坎寬度與挑角三個最為關鍵的參數。已有研究表明，增設分流齒坎的效果，不僅與分流齒坎的類型、細部尺寸有關，而且與不同表孔采用不同齒坎布置的組合方式有很大關系，需要開展大量系統的試驗研究以擇其優。我國目前已建成投產的二灘、溪洛渡、構皮灘水電站三座高拱壩工程，均采用了不同的分流齒坎布置方式。

二灘水電站壩身泄洪布置有7 個表孔與6 個中孔，表孔堰頂高程1188.5 m，堰上正常水頭11.5 m，每孔寬度11 m，閘墩寬11 m，溢流前緣總寬143 m。為分散水流以適應表孔、中孔水流撞擊消能的需要，表孔出流采用自由跌落大差動跌坎消能形式，1#、3#、5#、7#孔跌坎俯角30°，2#、4#、6#孔跌坎俯角20°，泄流時可把水舌沿水流方向分散成兩片。同時，在2#—6#孔跌坎上布置雙側分流齒坎，在1#與7#孔外側布置單側分流齒坎，以利水舌進一步分散。各分流齒的挑角均為20°，為防止分流齒坎出現空化空蝕破壞，每個齒側設置2 個直徑0.3 m 的通氣孔，并與齒坎下游2 個直徑0.3 m 的通氣孔相連通。表孔采用大差動跌坎加分流齒后，泄流水舌能縱、橫向充分擴散，大大減小了水墊塘底板的動水壓力。水工模型試驗表明，其沖擊動壓比不設分流齒坎時減小80%以上，消能效果十分顯著［1-4，26］，成功地解決了壩身表孔單獨運行這一最不利工況下的泄洪消能問題，為高拱壩、大泄量表孔溢洪道提供了一種新型消能工。

溪洛渡水電站壩身泄洪采用“分層出流、空中碰撞、水墊塘消能”的布置形式，壩身泄洪孔口布置7 個表孔和8 個中孔，平面上相間布置。其中表孔尺寸為7～12.5 m×13.5 m（寬×高），溢流堰頂高程586.50 m，設弧形閘門，出口為大差動挑流齒坎，其中，1#、7#出口鼻坎采用俯角10°，2#、6#采用俯角30°，3#、5#采用水平出流，4#采用俯角20°，為進一步促進表孔水舌分散，2#—6#表孔出口中間均設置2 個中齒坎，將水舌分為3 股較深的水流，從而改變水舌的形狀和落水范圍。中孔尺寸為8～6 m×6.7 m，孔底高程499.5～501.0 m，進口設平板檢修閘門，孔壁設鋼襯，出口孔口設弧形工作閘門，挑流出流；壩身孔口泄洪挑流水舌均勻歸槽至壩下水墊塘，水墊塘長360 m，末端設二道壩。壩身孔口最大泄量30 902 m3/s，約占樞紐總泄量的60%。通過一系列模型試驗和數值模擬研究，實施方案的壩身孔口具備體型設計合理，進口水流條件良好，流態穩定，在各種水位工況下，壩身泄洪水流歸槽良好，且由于水墊塘水深達60～80 m，水墊塘底板最大動水沖擊壓力不大，僅在宣泄校核洪水時測值達到15.1×9.8 kPa［9］。

構皮灘水電站采用“橫向單體擴散，縱向分層拉開，整體入水歸槽”泄洪消能方式，壩身泄水建筑物由6 表孔與7 中孔組成，表孔堰面為開敞式WES 實用堰，堰頂高程617.00 m，孔口尺寸為12 m×13 m，為減輕水流向心集中的影響并盡可能分散水舌落點，各表孔出口處采用不同出射角度：1#與6#為0°、2#與5#為-20°、3#、4#為-30°，為增加水流的入水層次，在1#、3#、4#、6#出口鼻坎上布置了不同型式的分流齒坎［14，28］，其中1#、6#表孔采用內側邊齒坎，分流齒坎尺寸為6 m×4 m（寬×高），挑角20°；3#、4#表孔采用中齒坎，分流齒坎尺寸為8 m×8 m（寬×高），挑角20°。中孔進、出口均為有壓流型式，進口有壓直線段斷面尺寸為6 m×8 m，出口斷面尺寸為7 m×6 m。1#、3#、5#和7#中孔為平底型，挑角為0°，2#、4#和6#為上挑型，其中4#中孔挑角為10°，2#和6#中孔挑角為25°。水工模型試驗結果表明，各工況下水墊塘底板上的沖擊動水壓力小于15×9.8 kPa，而6 個表孔單獨敞泄時，水墊塘底板上出現壓力峰值區，ΔP 接近11×9.8 kPa，表明該運行工況是水墊塘工作條件的控制工況。

烏東德水電站在研究過程中也曾對分流齒坎布置方案進行過比選研究［29-30］。

3 白鶴灘水電站溢流表孔分流齒坎布置優化試驗研究

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，是金沙江下游干流河段梯級開發的第二個梯級電站，具有以發電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運條件和發展庫區通航等綜合效益。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，高289 m，總裝機容量16 000 MW，多年平均發電量602.4 億kW·h。

白鶴灘水電站按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核，相應洪水流量分別為38 800和46 100 m3/s，壩身設6 個表孔（14.0 m×15.0 m）、7 個深孔（5.5 m×8.0 m），壩下水墊塘消能；岸邊3 條泄洪隧洞（15 m×9.5 m）均布置在左岸。最大下泄流量達42 355 m3/s，泄洪功率高達90 000 MW［18，32］。

6 孔溢流表孔對稱于溢流中心線布置，堰頂高程805 m，孔口寬度14.0 m，高度15.0 m，閘墩寬10 m，溢流前沿總寬131 m。采用大差動自由挑（跌）流布置方式，使水舌分層入水，并在平面上采用2° ～ 6°的擴散角，使水流橫向擴散。其中，1#、4#表孔出口跌角30°；2#、5#表孔出口挑角5°；3#、6#表孔出口跌角15°。在表孔7 個閘墩下方布置7 個深孔。深孔體型采用壓力上翹型挑坎，出口高程719 m，出口尺寸5.5 m×8.0 m（寬×高），7 個深孔分4 組采用不同的挑角，以便入水水舌縱向拉開，1#、7#深孔出口挑角為-5°，2#、6#深孔出口挑角為3°，3#、5#深孔出口挑角為12°，4#深孔出口挑角為25°。

項目可行性研究階段，中國水利水電科學研究院開展了1∶100 壩身泄洪整體模型試驗研究［33-36］，對表孔布置體型進行了一系列優化試驗研究，對比了表孔出射角度改變、溢流前緣采用舌形坎、二道壩壩頂高程改變及其不同組合對水墊塘底板沖擊壓強的影響，提出了階段性優化布置方案。在該階段研究中，經大量優化對比試驗研究，提出在1#、4#表孔挑坎處分別增設挑角為20°的分流齒坎以進一步分散表孔水舌，其中1#表孔采用外側單邊齒坎布置，分流齒坎寬度為3.6 m；4#表孔采用雙側邊齒坎布置，分流齒坎下緣寬度均為3.6 m，見圖1。

圖1 白鶴灘水電站壩身表孔與分流齒坎平面布置

1∶100 水工模型試驗結果表明，1#與4#表孔采用分流齒坎后，在表孔全開泄洪與校核洪水運行工況下，水墊塘底板最大沖擊壓強分別由14.15×9.8 kPa、24.69×9.8 kPa 降低至10.15×9.8 kPa、12.74×9.8 kPa，達到了預期的優化研究目標。

試驗研究過程中，針對分流齒坎布置開展了敏感性對比試驗研究［34］，對比試驗了4 個方案，其中方案I 為不設分流齒坎方案，方案Ⅱ為1#表孔增設分流齒坎，4#表孔不設；方案Ⅲ為4#表孔增設分流齒坎，1#表孔不設；方案Ⅳ為1#與4#表孔均增設分流齒坎，表2 給出了表孔全開運行與表深聯合運行工況下水電站底板最大沖擊壓強試驗結果。結果表明，增設分流齒坎能夠有效降低水墊塘底板最大沖擊壓強的量值并使之滿足不大于15×9.8 kPa 的技術要求。在6 表孔全開泄洪工況下，盡管4 個方案的水墊塘底板最大沖擊壓強都能滿足不大于15.0×9.8 kPa 的技術要求，但最大沖擊壓強的量值有比較明顯的差異。單獨對1#或4#表孔增設分流齒坎，更有利于降低水墊塘底板最大沖擊壓強的量值。進一步的分析表明，在6 表孔泄洪時，各表孔水舌在挑射進入水墊塘后在橫向上出現了部分搭接或碰并情況，對水墊塘底板沖擊壓強的分布有顯著影響，增設體型合理的分流齒坎后，能夠有效控制各表孔水舌之間的搭接或碰并情況，從而達到降低水墊塘底板最大沖擊壓強的目的。

表2 各對比方案水墊塘底板最大沖擊壓強值與出現位置

研究中還發現，采用分流齒坎后，由于改變了表孔水舌的入水范圍與姿態，會對水墊塘水流流態產生較明顯的影響，若分流齒坎組合布置方案采用不當，則容易導致水墊塘出現偏流流態，因此在進行方案甄別時，除了需要關注最大沖擊壓強指標外，還需要結合水墊塘內的水流流態進行綜合評判，以篩除“偽優”組合方案。

4 分流齒坎寬度的合理取值研究

利用前述1∶100 整體水工模型，開展了分流齒坎寬度合理取值的系列試驗研究。試驗分兩組，第一組試驗是在保留4#表孔采用雙側分流齒坎的前提下，研究1#表孔外側分流齒坎寬度的合理取值問題，第二組試驗是在保留1#表孔采用外側分流齒坎的前提下，研究4#表孔雙側分流齒坎寬度的合理取值問題。

在系列試驗研究中，對1#表孔外側分流齒坎采用的寬度有0、0.6、1.2、2.4、3.6、4.8、6.0 和7.2 m共8 個方案，對應的齒槽比為0～0.417。對4#表孔外側分流齒坎采用的寬度有0、1.2、1.2、2.4、3.6、4.2、4.8 和6.0 m 共8 個方案，對應的總齒槽比為0～0.654。分流齒坎縱向長度為10.3 m，坎高為3.3 m。

圖2 繪制了第一組試驗1#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強之間的關系曲線。由圖可見：

圖2 1#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強的關系

（1）對于表孔與深孔聯合泄洪的校核洪水工況，當齒槽比為0.10～0.30 時，水墊塘底板最大沖擊壓強能夠控制在15.0×9.8 kPa以內，齒槽比小于0.10或大于0.30，沖擊壓強最大值都會高于15.0×9.8 kPa。

（2）對于表孔單獨泄洪運行工況（包括6 表孔全開泄洪與1#、4#表孔泄洪運行工況），當齒槽比較小時（約0.05），沖擊壓強最大值為最高，之后大致隨齒槽比的增加而逐漸減小。當齒槽比高于0.18時，均可使最大沖擊壓強控制在15.0×9.8 kPa 以內。

（3）表深孔聯合泄洪工況下，沖擊壓強最大值大致位于0+200 m 附近，而表孔泄洪工況下沖擊壓強最大值大致在0+125 m～0+130 m 范圍內出現，受齒槽比變化的影響不甚明顯，只是在6 表孔泄洪工況下，當齒槽比大于0.278 后，最大值所在樁號下移至0+150 m（此時沖擊壓強最大值的量值已較小）。

（4）齒槽比變化對沖擊壓強最大值的橫向位置有比較明顯的影響，齒槽比越大，沖擊壓強最大值越偏向右側，無論是表孔單獨泄洪工況還是表深孔聯合泄洪工況均是如此，而當齒槽比大于0.278 之后，沖擊壓強最大值的橫向位置則趨于穩定。

綜上所述，對于1#表孔分流齒坎而言，齒槽比取0.18～0.3 是一個較優的取值范圍。可見，前階段提出的優化布置方案中，1#表孔分流齒坎寬度取3.6 m，對應的齒槽比為0.209，是合理的。

有必要指出的是，當分流齒坎寬度較小，齒槽比約為0.05 時，水墊塘底板最大沖擊壓強會有明顯的增加，在表孔泄洪工況下甚至達到了30.0×9.8 kPa 以上。試驗觀察表明，造成上述結果的主要原因在于：當分流齒坎寬度很小時，齒坎的“分流”作用十分有限，而齒坎的存在對槽部水舌則有明顯的橫向“擠壓”作用，從而顯著影響槽部水舌的空中姿態，使之明顯向內側偏轉，從而導致入水能量的過于集中所致。

當齒槽比進一步增加后，盡管齒坎的存在依然會有槽部水舌有一定的橫向“擠壓”作用，但“分流”作用也開始發揮作用。上述兩種物理過程，前者會形成入池能量的集中，后者則能分散入池能量，當“分流作用”強于“擠壓”作用時，水墊塘底板最大沖擊壓強就會得到有效控制。

當齒槽比達到一定量值后（如0.35），最大沖擊壓強又會出現緩慢的上升，表明分流齒坎的“分流”作用已經達到“極限”狀態，此時，相鄰孔口挑流水舌之間碰并情況的改變又成為控制最大沖擊壓強的重要指標。

圖3 繪制了第二組試驗4#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強之間的關系曲線。由圖可見：

圖3 4#表孔分流齒坎齒槽比與水墊塘底板最大沖擊壓強的關系

（1）對于表孔與深孔聯合泄洪的校核洪水工況，當齒槽比為0.125～0.225時，水墊塘底板最大沖擊壓強能夠控制在15.0×9.8 kPa 以內，齒槽比小于0.125或大于0.225，沖擊壓強最大值都會高于15.0×9.8 kPa。

（2）對于表孔單獨泄洪運行工況（包括6 表孔全開泄洪與1#、4#表孔泄洪運行工況），當齒槽比較小時（約0.065），沖擊壓強最大值為最高，之后大致隨齒槽比的增加而逐漸減小。除齒槽比0.065 之外，試驗范圍內的其它齒槽比取值均可使最大沖擊壓強控制在15.0×9.8 kPa 以內。

可見，對于4#表孔分流齒坎而言，單個分流齒坎的齒槽比取0.13～0.23 是一個較優的取值范圍，可以使水墊塘底板最大壓強在不同泄洪運行工況下，均保持較低值。

5 分流齒坎挑角的合理取值研究

在保持分流齒坎寬度與下緣高度不變的前提下，改變分流齒坎挑角，進行了系列試驗研究，研究了-5°、05、5°、10°、15°、20°、25°共7 組挑角布置方案。

圖4 為各泄洪工況下水墊塘底板最大沖擊壓強與分流齒坎挑角的關系曲線。試驗結果表明：

圖4 分流齒坎挑角與水墊塘底板最大沖擊壓強的關系

（1）對于表孔泄洪工況而言，分流齒坎挑角越大，越有利于抑制水墊塘底板最大沖擊壓強的量值。如分流齒坎采用俯角5°與挑角25°時，1#、4#表孔泄洪工況下最大沖擊壓強值分別為23.85×9.8 kPa、11.30×9.8 kPa，而在6 表孔泄洪工況下最大沖擊壓強值分別為18.45×9.8 kPa、8.10×9.8 kPa，可見采用較大的挑角，更能發揮分流齒坎的作用效果。

（2）在表深孔聯合泄洪工況下，水墊塘底板最大沖擊壓強與分流齒坎挑角并不服從單調關系，當分流齒坎挑角為15°時，水墊塘底板最大沖擊壓強為最小，高于或低于15°時都會導致沖擊壓強的緩慢增大。

（3）與表孔工況相比，在表深孔聯合泄洪工況下，采用不同的分流齒坎挑角，水墊塘底板最大沖擊壓強的量值變化幅度則較小。如采用俯角5°、挑角15°、挑角25°時，校核洪水工況下最大沖擊壓強依次為14.34×9.8 kPa、11.24×9.8 kPa、12.54×9.8 kPa。分析表明，在表深孔聯合泄洪工況下，水墊塘底板的沖擊壓強不僅取決于表孔水舌的分散情況，而且與表孔水舌與深孔水舌的碰并情況有密切關系。表孔水流的總體分散程度較好，并不意味著與深孔進行碰并的部分表孔水股也分散了，當表孔分流總體分散性良好，而與深孔碰并的部分表孔水股反而更為集中時，也會導致水墊塘底板沖擊壓強最大值的進一步增大。

6 討論

結合白鶴灘水電站壩身泄洪整體水工模型試驗，系統研究了分流齒坎的布置體型與作用效果，研究發現在1#與4#表孔增設分流齒坎能夠有效降低水墊塘底板最大沖擊壓強。盡管與二灘、溪洛渡、構皮灘相比，分流齒坎的體型布置與具體尺寸均有所不同，但均是布置在出口為較大俯角的溢流表孔上才能取得較好的作用效果，在這方面各工程保持了良好的一致性，另外，分流齒坎挑角也均以20°為最優［26-28］。

值得指出的是，與二灘、溪洛渡、構皮灘水電站在較多溢流表孔上增設分流齒坎所不同，白鶴灘水電站只是在個別表孔上布置尺寸較小的分流齒坎即取得了很好的效果。從白鶴灘水電站水墊塘底板沖擊壓強分布規律看，在各種運行工況條件下，沖擊壓強分布較多呈現出尖峰形態，沖擊壓強最大值出現的范圍往往局限在一個有限的較小范圍之內，因此在個別表孔上布置分流齒坎即可達到預期的優化目標。白鶴灘水電站設6 個表孔，表孔挑流水舌分3 層跌入下游水墊塘，因1#與4#表孔出口為俯角，其挑流水舌入水范圍對水墊塘底板沖擊壓強分布具有控制性作用，試驗研究發現，針對1#與4#表孔增設分流齒坎后，水墊塘底板沖擊壓強的峰值區域范圍有所增大，而最大沖擊壓強的量值則有所減小，見圖5 所示。

圖5 增設分流齒坎前后，表孔與深孔聯合運行條件下水墊塘底板沖擊壓強空間分布與等值線分布的對比情況

另一方面，不同的高拱壩工程，水電站底板最大沖擊壓強的控制工況會有所不同，白鶴灘水電站為表深聯合泄洪工況，而構皮灘則為表孔全開運行工況。因此在分流齒坎布置的原則上也會體現出不同。

關于分流齒坎布置的安全性問題，無疑也是各方面關注的一個重要問題。對此，我們的基本判斷是只要精心設計并嚴格控制施工質量，即可確保其運行安全。主要原因是高拱壩表孔出口鼻坎處水流流速通常在20 m/s 左右，量值不大，發生空化空蝕破壞的潛在威脅較小。岳鵬博等［28］曾針對烏東德水電站表孔分流齒坎進行了減壓試驗研究，研究發現，只要采用一定半徑的反弧連接壩面與分流齒坎，即可平順水流，顯著改善分流齒坎區的空化特性。另一方面，還可通過設置通氣孔以避免分流齒坎的側面出現空化，具體可參考二灘水電站［26］。

7 結論

在高拱壩工程溢流表孔上設置分流齒坎具有分散水舌能量、降低下游水墊塘底板沖擊壓強的作用，是一種頗具競爭力的體型優化技術措施。本文結合采用白鶴灘水電站可研階段壩身泄洪水工模型試驗，系統研究了溢流表孔分流齒坎的布置方法、細部結構體型及其作用效果，研究發現對于該工程而言，1#表孔出口采用外側單邊齒坎、4#表孔出口采用雙側邊齒坎的分流齒坎布置方法，是降低下游水墊塘底板沖擊壓強的較優布置方案。針對分流齒坎的寬度與挑角開展的進一步研究發現，單個分流齒坎的寬度宜取表孔出口寬度的0.18～0.23 倍、挑角宜采用15°～20°，是較優的細部結構布置參數，上述研究成果可供類似工程參考。