高臺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設(shè)計研究院，貴陽 550002)

1 臺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，臺階式溢洪道在碾壓混凝土壩(RCC)上得到了廣泛應(yīng)用。美國的上靜水壩是世界上第一個采用RCC臺階式溢洪道的工程，我國的貴州索風(fēng)營水電站、廣東烏石攔河閘工程、湖南江婭RCC大壩都運(yùn)用了臺階溢洪道。表1為臺階式溢洪道在國內(nèi)外已建成投入運(yùn)行的典型實例。

表1 臺階式溢洪道典型實例

2 臺階溢洪道水流流態(tài)的理論分析

臺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)水流流過臺階表面時，各臺階內(nèi)全部被水充填，沒有空腔存在，并在各臺階隅角和主流之間形成一個橫軸旋渦，靠近主流處旋渦旋轉(zhuǎn)方向和主流流動方向一致，這種水流稱為滑行水流，見圖2(a);在各臺階隅角與主流之間總是有一個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)沿臺階向下游交替存在于臺階表面與主流之間，定義為過渡水流[2]，見圖2(b)。臺階式渠槽流況見圖2。

3 哮天龍高臺階溢洪道布置

哮天龍水庫位于貴州省六盤水市盤縣接長江支流沙沱河上，工程任務(wù)為向縣城紅果鎮(zhèn)供水。水庫樞紐建筑物由大壩、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169 m，中部設(shè)置溢流凈寬12 m的臺階式溢流道。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碾壓施工，溢洪道臺階高度選定在3.0 m。

溢流壩段長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2.25 m×高3.0 m的階梯狀，溢流壩段為臺階漸變式溢洪道結(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

為充分掌握溢洪道水流流態(tài)，哮天龍臺階溢洪道進(jìn)行了水力模型試驗。試驗比尺為1∶40，試驗方案分原方案和采用方案。原方案溢洪道為完全采用3 m高大臺階的，共10級臺階。在水力模型試驗中，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級臺階上，在階梯面上形成跌流。在沖擊第1級臺階后產(chǎn)生挑流，挑流水流跨過其后的臺階，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，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級臺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，水流沿著階梯高速下泄，水流表面成旋滾波動狀，第二階梯后水面為一片“白”水，水流之下每個階梯均有旋滾，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)臺階式溢洪道水流流態(tài)理論計算和水工模型試驗分析可看出，由于溢流曲線較陡，而臺階的高度又過大，在小流量情況下，水流在臺梯面上形成各種程度的挑流，造成臺階段水深較高，并且挑射水流越過多級階梯，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 采用方案臺階布置

為避免小流量情況下原方案臺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級高臺階上設(shè)置小臺階，其中第1階梯上設(shè)為5級小階梯，每級高度為0.6 m、寬度為0.45 m;第2級階梯上設(shè)置3個小階梯，高度分別為0.9 m、0.9 m、1.2 m，寬度均為0.75 m。

通過小臺階的過渡，采用方案對小流量水流先形成滑行水流流態(tài)，通過2級臺階后，水流勢能轉(zhuǎn)化為動能。具有一定動能的水流流態(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級臺階上繼續(xù)保持其水流特性。通過水力模型和工程實踐證實，采用方案是成功的。

5.2 采用方案水流流態(tài)模型試驗

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

5.3 采用方案摻氣及水深

臺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)。

水力模型試驗中，當(dāng)下泄流量＞10 m3/s時，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兩個工況下，堰頂至臺階起始處水深相差不大，原方案在第一級臺階后下泄水流出現(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兩個工況下，采用方案相對于原方案其水深起伏差較小，最大水深1.84 m。

從水深對比可看出，采用方案水深起伏差較小，水流沿臺階平順下泄，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，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、在臺階上混摻并形成完全或不完全水躍來消能，對臺階式溢洪道結(jié)構(gòu)無影響。

當(dāng)下泄流量＞10 m3/s時，形成的滑行水流在臺階面上形成橫軸漩渦，一方面翻滾水流與臺階混凝土充分摩擦，產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩阻作用，一方面沿臺階尖角滑行的水流充分摻氣，產(chǎn)生了較好的消能效果。與非臺階(直線形)溢洪道鼻坎處流速計算成果對比，采用方案臺階水力模型試驗測出臺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

為實現(xiàn)混凝土大倉面的碾壓施工，哮天龍碾壓混凝土壩臺階溢洪道首創(chuàng)采用了高臺階，發(fā)揮了碾壓混凝土筑壩快速施工的優(yōu)勢。經(jīng)水力模型和工程實踐證實，高臺階溢洪道水流流態(tài)和消能效果好，為臺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。

[1]田嘉寧，大津巖夫，李建中，等.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學(xué)報，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.