陳 鴻 麗,童 廣 勤,熊 堃,張 海 龍,董 宗 師

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010; 3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心,湖北 宜昌 443134)

0 引 言

基于泄洪設(shè)施運(yùn)用調(diào)度的相關(guān)試驗(yàn)研究成果,從泄洪孔水力學(xué)、水流流態(tài)、下游沖刷、通航影響等方面分析,三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期采用先開(kāi)啟深孔、后開(kāi)啟表孔的泄洪調(diào)度運(yùn)行方式,泄水設(shè)施開(kāi)啟順序依次為電站機(jī)組、深孔、排漂孔、表孔。但2008年和2014年11月三峽水庫(kù)蓄水期高水位深孔泄洪水力學(xué)原型觀測(cè)發(fā)現(xiàn),由于上游水流斜向進(jìn)流,部分深孔進(jìn)口前緣間歇性出現(xiàn)游移狀立軸旋渦,直徑約1～2 m;隨著庫(kù)水位升高,深孔明流泄槽水流摻氣且紊動(dòng)加劇,高速水流泄槽表面水翅裂散明顯,水面產(chǎn)生陣發(fā)性的抬升噴濺及壩體振動(dòng)現(xiàn)象[1]。

立軸旋渦在溢洪道、電站引水管道、導(dǎo)流隧洞等建筑物運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生,其主要危害表現(xiàn)為惡化水流流態(tài)、降低泄流能力,加劇水流脈動(dòng)、降低空化數(shù)、引起建筑物振動(dòng)甚至造成破壞等。國(guó)內(nèi)龍灘、漫灣、溪洛渡、寶珠寺、枕頭壩、水口、紫坪鋪等水電工程的原型或模型試驗(yàn)中均出現(xiàn)過(guò)立軸旋渦[2-5]。Hecker[6]統(tǒng)計(jì)了在美國(guó)、日本、加拿大等出現(xiàn)過(guò)立軸旋渦的20例工程,其中70%發(fā)生了泄流能力減小、結(jié)構(gòu)或機(jī)組振動(dòng)、機(jī)組效率降低、攔污柵堵塞等嚴(yán)重問(wèn)題。工程進(jìn)水口前立軸旋渦受邊界條件和初始環(huán)量的影響較大,壩前行進(jìn)水流受邊界條件包括形式、位置、進(jìn)水方向、地形和建筑物布置等影響,在進(jìn)水口上方形成一定的初始環(huán)量,是立軸旋渦現(xiàn)象出現(xiàn)和發(fā)展的重要誘因,大孔口進(jìn)水口相比小孔口更易產(chǎn)生立軸旋渦[7]。

深孔是三峽大壩的最主要泄洪設(shè)施,其正常運(yùn)用水位145.0～180.4 m,單孔最大泄量2 220 m3/s,具有數(shù)量多、孔口尺寸大(7 m×9 m)、運(yùn)用水頭高、運(yùn)行水頭變幅大等特點(diǎn)。針對(duì)水庫(kù)蓄水期高水位條件下深孔泄洪時(shí)壩前出現(xiàn)的立軸旋渦和泄槽水流流態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題,研究改善壩前水流流態(tài)和降低深孔泄槽水流紊動(dòng)的工程措施,優(yōu)化泄洪設(shè)施運(yùn)用方式,是保證工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 工程布置及壩前河勢(shì)概況

三峽水庫(kù)壩址位于長(zhǎng)江向南凸出的弧形轉(zhuǎn)彎河段,長(zhǎng)江從北西320°方向流經(jīng)壩址,至壩址以下逐漸轉(zhuǎn)向北東70°。樞紐總體布置格局為泄洪壩段位于河床中部,兩側(cè)分別為左岸、右岸廠房壩段和非溢流壩段,電站廠房分列在廠房壩段壩后,通航建筑物布置在左岸,茅坪溪防護(hù)工程布置在右岸上游茅坪溪出口,右岸白巖尖山體布置地下電站[8],如圖1所示。根據(jù)泄洪建筑物泄洪流量大、運(yùn)行水頭高、目標(biāo)任務(wù)多等特點(diǎn),經(jīng)多年研究論證,三峽泄洪設(shè)施采用了壩身泄洪深孔、表孔和導(dǎo)流底孔3層泄洪大孔口的立體交錯(cuò)布置方案[9],如圖2所示。

圖1 三峽樞紐布置示意Fig.1 Layout of the Three Gorges Project

圖2 泄洪壩段3層孔口布置示意Fig.2 Layout of the three-layer orifices in flood discharge dam section

根據(jù)三峽水庫(kù)圍堰擋水發(fā)電期、初期運(yùn)行期、正常運(yùn)行期的不同庫(kù)水位、洪水流量和泄洪設(shè)施投入運(yùn)行條件,以水力學(xué)模型試驗(yàn)為主,輔以數(shù)值計(jì)算等研究方法,分階段開(kāi)展了泄洪設(shè)施的調(diào)度運(yùn)用方式和閘門(mén)開(kāi)啟次序研究工作。三峽樞紐布置1∶150整體模型試驗(yàn)研究成果表明,樞紐壩前水流流態(tài)主要受壩前河勢(shì)和壩址所處彎道位置的影響。由于水庫(kù)近壩區(qū)域上游河道由峽谷河段向?qū)捁群佣芜^(guò)渡,壩址水面寬度急劇拓展,壩區(qū)上游處于河道轉(zhuǎn)彎處,導(dǎo)致上游水流分別在壩前形成左側(cè)、右側(cè)的回流,在右岸鳳凰山山咀至上游縱向圍堰頭部之間,水流形成順時(shí)針?lè)较虻幕亓鲄^(qū),左岸形成反時(shí)針?lè)较虻幕亓鲄^(qū)。無(wú)論采取何種泄洪調(diào)度方式,這種回流區(qū)總是存在[10]。壩前河勢(shì)和近壩水流回流流態(tài)是前期泄洪調(diào)度研究中一直關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題,也是導(dǎo)致壩前出現(xiàn)立軸旋渦現(xiàn)象的重要誘因之一。

2 研究思路與方法

三峽水庫(kù)前期開(kāi)展的泄洪調(diào)度研究,主要是基于汛期入庫(kù)大流量的情況、結(jié)合下游防洪要求而進(jìn)行的,研究中僅考慮左、右壩后電站14～26臺(tái)機(jī)組運(yùn)用,對(duì)汛期深孔單獨(dú)運(yùn)行,以及先深孔后表孔調(diào)度運(yùn)用方式的研究較為深入。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái),隨著長(zhǎng)江上游水庫(kù)群相繼投入運(yùn)行和調(diào)節(jié)能力不斷增強(qiáng),根據(jù)水文情勢(shì)變化、維護(hù)生態(tài)環(huán)境和中下游供水安全、提高三峽綜合利用效益等方面的新要求,三峽水庫(kù)防洪調(diào)度方式研究與優(yōu)化[11]也隨之不斷調(diào)整。與初步設(shè)計(jì)階段相比,現(xiàn)階段主要對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度、水庫(kù)汛末開(kāi)始興利蓄水時(shí)間提前、枯期水資源和生態(tài)調(diào)度要求、汛限水位運(yùn)行控制調(diào)度等進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整;同時(shí)2012年三峽地下電站6臺(tái)機(jī)組的投入運(yùn)行,泄洪設(shè)施運(yùn)用的條件較前期研究階段有較大變化。

基于三峽水庫(kù)試驗(yàn)蓄水期高水位條件下深孔泄洪時(shí)壩前出現(xiàn)的立軸旋渦和泄槽水流流態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題,考慮工程壩址所處河道彎曲、壩前進(jìn)流條件易于形成初始環(huán)量的特點(diǎn),以及深孔孔口尺寸大、運(yùn)行水頭高,壩身泄洪孔采用有壓短管、跌坎摻氣體型結(jié)構(gòu)[12]的特殊性,本文采用局部和整體模型試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法,分析壩前旋渦形成、影響范圍,研究改善水流流態(tài)的工程措施,優(yōu)化蓄水期高水位下泄洪設(shè)施運(yùn)用條件和開(kāi)啟次序,進(jìn)一步提高泄洪設(shè)施運(yùn)用的安全可靠性,為后續(xù)工程建設(shè)和運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。主要研究思路與方法如下:

(1) 通過(guò)1∶20大比尺深孔泄槽模型,針對(duì)高水位下深孔泄槽水體噴濺及壩體振動(dòng)現(xiàn)象,研究其與進(jìn)流條件、壩前立軸旋渦、跌坎摻氣體型的聯(lián)系,研究改善深孔泄槽水流水力特性的要求和工程措施。

(2) 對(duì)蓄水期壩前流場(chǎng)及旋渦形成條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,探究出現(xiàn)旋渦的原因及其與泄洪調(diào)度方式的關(guān)系,分析壩前漏斗旋渦的特性及形成條件、旋渦的影響范圍,提出避免旋渦的工程措施。

(3) 梳理分析以往的泄洪調(diào)度試驗(yàn)成果,結(jié)合蓄水期水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行條件的變化情況,利用三峽樞紐1∶100整體水工模型,驗(yàn)證蓄水期高水位下先表孔后深孔泄洪方式的合理性。

根據(jù)三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案和調(diào)度規(guī)程,三峽水庫(kù)汛末按不早于9月10日開(kāi)始興利蓄水,一般情況下三峽水庫(kù)蓄至水位170 m以上基本可控制于10月15日之后,10月底可蓄至水位175 m。三峽水庫(kù)蓄水期泄洪運(yùn)用方式優(yōu)化研究中,庫(kù)水位170 m以上時(shí)間段選取為10～11月,主要研究的洪水流量范圍為14 500～45 600 m3/s。

3 深孔泄槽水流特性研究

3.1 泄槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

1∶20深孔泄槽模型如圖3所示。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),模型摻氣坎流速大于7 m/s,滿足摻氣和通氣效果的相似要求。模型采用水位控制系統(tǒng),上游水庫(kù)采用高水箱模擬,高水箱尺寸為6 m×5 m×11 m(長(zhǎng)×寬×高),布置在深孔進(jìn)口前30 m處。高水箱設(shè)置平水塔以消浪平水,進(jìn)口前采用竹條全斷面消能措施以保證水流正向進(jìn)流相似。

圖3 深孔泄槽模型Fig.3 Deep hole chute model

模型試驗(yàn)內(nèi)容[13]主要包括:145～175 m庫(kù)水位下深孔泄槽水舌的水力特性研究;深孔工作門(mén)不同開(kāi)度及啟閉過(guò)程對(duì)泄槽水流水力特性的影響;通氣設(shè)施運(yùn)行對(duì)泄槽水流水力特性的影響;正向進(jìn)流和斜向進(jìn)流以及進(jìn)口旋渦對(duì)泄槽水流水力特性的影響;通氣設(shè)施和摻氣坎體型對(duì)水流紊動(dòng)特性以及空腔紊動(dòng)特性的影響。

3.2 研究成果

(1) 通過(guò)模型試驗(yàn)揭示了深孔泄槽水流強(qiáng)紊動(dòng)部位及紊動(dòng)特性:泄槽水流強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)域?yàn)榈矒綒馑鄡?nèi)緣至反弧末端,即順流向樁號(hào)0+65～0+105范圍,與原型觀測(cè)的泄槽水體噴濺部位基本一致。深孔泄槽底板水流動(dòng)水壓力、泄槽水面的上下擺動(dòng)以及跌坎摻氣底空腔回水的前后擺幅等隨庫(kù)水位的升高而加劇;庫(kù)水位170 m以上時(shí),上述參數(shù)特征值約為庫(kù)水位165 m時(shí)的1.5～2.4倍。深孔泄槽底板時(shí)均壓力見(jiàn)圖4,深孔跌坎摻氣設(shè)施空腔形態(tài)如圖5所示。

圖4 深孔泄槽底板時(shí)均壓力分布Fig.4 Mean pressure distribution on plate of the deep hole chute

圖5 深孔跌坎摻氣設(shè)施空腔形態(tài)Fig.5 Cavcavity form in deep hole drop oeration facility

結(jié)合原型觀測(cè)成果分析,在高水位條件下深孔泄洪所引起的泄槽水體噴濺及壩體振動(dòng)現(xiàn)象,與相應(yīng)泄流總動(dòng)能增加、水流紊動(dòng)增強(qiáng)以及摻氣底空腔回水的擺幅增大等密切相關(guān),而摻氣底空腔末端回水的往復(fù)擺動(dòng)有可能導(dǎo)致局部水體產(chǎn)生水錘或者氣錘沖擊波。

(2) 關(guān)于深孔進(jìn)流條件影響的研究表明,上游水流斜向進(jìn)流將提高泄槽的最大水面高程及泄槽水流的紊動(dòng)強(qiáng)度,加大空腔內(nèi)回水的擺幅;壩前旋渦進(jìn)氣對(duì)泄槽水流特性的影響很小。當(dāng)庫(kù)水位170 m及以上,水流斜向進(jìn)流角度控制在15°以內(nèi)時(shí),可有效降低深孔泄槽水流空腔擺動(dòng)及壓力紊動(dòng)強(qiáng)度。分析認(rèn)為,上游水流斜向進(jìn)流、跌坎摻氣底空腔長(zhǎng)度及空腔內(nèi)回水的大幅擺動(dòng)等是引起泄槽水流紊動(dòng)加劇、水面間歇性向上抬升及噴濺的誘因。因此,水庫(kù)蓄水期高水位170 m以上深孔運(yùn)行時(shí),應(yīng)保持壩前正向進(jìn)流條件。

(3) 通過(guò)體型優(yōu)化(如減小底空腔通氣孔面積、調(diào)整跌坎挑角為-3.9°等)可以明顯改善高水位下泄槽水流水力特性,縮短摻氣坎水舌挑距、減輕空腔內(nèi)回水?dāng)[動(dòng)幅值,并可減少水錘或者氣錘沖擊波能量,從而降低泄槽反弧段的瞬時(shí)壓力波動(dòng)幅值,避免壩體產(chǎn)生振動(dòng)。

4 旋渦形成條件數(shù)值仿真計(jì)算

4.1 數(shù)值分析模型

建立了水庫(kù)近壩區(qū)域上游河道三維數(shù)學(xué)仿真紊流模型,通過(guò)計(jì)算上游河道來(lái)流流場(chǎng),獲取壩前區(qū)域邊界條件,再將邊界條件賦予壩前局部模型,分析壩前流場(chǎng)及旋渦情況。模型范圍為上游河道延伸至大壩上游約14 km處,采用單向流模型計(jì)算,上游入口邊界條件設(shè)置為流量入口,上游河道模型如圖6所示。壩前局部模型包含深孔、表孔以及壩前地形,模型范圍至上游235 m左右,采用VOF,RNGk-ε模型計(jì)算,邊界條件設(shè)置為速度邊界,壩前局部模型如圖7所示。

圖6 上游河道模型Fig.6 Upstream channel model

圖7 壩前局部模型(尺寸單位:m)Fig.7 Local model before the dam

針對(duì)蓄水期170 m水位以上不同運(yùn)行工況,利用三維仿真數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深孔壩前流場(chǎng)及旋渦的數(shù)值模擬[14],計(jì)算內(nèi)容包括:不同深孔開(kāi)啟、左右電廠機(jī)組運(yùn)行對(duì)壩前流場(chǎng)和旋渦形成及變化趨勢(shì)的影響;先表孔后深孔運(yùn)行方式下的壩前流場(chǎng)特性及對(duì)深孔進(jìn)流條件的影響。通過(guò)對(duì)進(jìn)口前水流流態(tài)、流線、流速分布等水力參數(shù)計(jì)算,分析旋渦的特性及形成條件,從而研究避免旋渦的工程措施。

4.2 計(jì)算結(jié)果

(1) 近壩前旋渦是由于上游斜向進(jìn)流和深孔泄洪共同作用形成的,與深孔偏集中開(kāi)啟及附近局部入流條件有關(guān)。當(dāng)上游流場(chǎng)和深孔進(jìn)口前水域斜向流動(dòng)越明顯,旋渦就越容易形成。上游河道流場(chǎng)分布如圖8所示,根據(jù)2014年原型觀測(cè)工況仿真計(jì)算的壩前不同高程流場(chǎng)分布如圖9所示。根據(jù)各種運(yùn)行工況下壩前不同高程截面的流場(chǎng)云圖分析可知,壩前旋渦均為表面旋渦,其影響深度約30 m左右,旋流不影響深孔進(jìn)流。

圖8 上游河道流場(chǎng)分布Fig.8 Flow field distribution of upstream channel

圖9 不同高程時(shí)壩前流場(chǎng)分布Fig.9 Flow fields in front of the dam with different elevations

(2) 由于壩址河道彎曲,左岸電廠運(yùn)行可以減緩上游水流總體向右傾的趨勢(shì),使壩前水流方向更趨于正向,有利于抑制旋渦的形成;右岸電廠運(yùn)行會(huì)加劇大壩上游水流向右傾的趨勢(shì),增大壩前水體的旋流強(qiáng)度和旋渦出現(xiàn)的幾率。

(3) 庫(kù)水位170 m以上開(kāi)啟深孔泄洪,當(dāng)深孔開(kāi)啟數(shù)量少于5孔時(shí),開(kāi)啟大壩左側(cè)的深孔,壩前整體流場(chǎng)較為均勻,旋流現(xiàn)象不明顯;當(dāng)深孔開(kāi)啟數(shù)量多于9孔時(shí),壩前上游水流總體方向基本趨于正向,旋流和旋渦也不易形成。

(4) 在庫(kù)水位170 m及以上深孔泄洪條件下,如壩前出現(xiàn)旋渦流態(tài),在旋渦附近位置增開(kāi)表孔泄流,對(duì)改善壩前流場(chǎng)和消除旋渦能起到一定程度的作用。

(5) 蓄水期170 m水位以上采取先表孔后深孔的泄洪運(yùn)用方式,可有效改善壩前斜向進(jìn)流條件,保證壩前正向進(jìn)流,不會(huì)出現(xiàn)旋渦流態(tài)。當(dāng)表孔下泄流量大于10 000 m3/s時(shí),壩前來(lái)流基本正向,可適時(shí)開(kāi)啟部分深孔泄洪,有利于深孔明流泄槽水流的穩(wěn)定性。

5 泄洪調(diào)度模型試驗(yàn)研究

5.1 整體模型

試驗(yàn)研究在1∶100水工正態(tài)整體模型上進(jìn)行,模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型與原型保持幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似,同時(shí)遵循阻力相似準(zhǔn)則。模擬原型河段上起廟河,下至蓮沱,全長(zhǎng)約30 km,其中樞紐壩軸線上游河段17 km。泄洪壩段下游采用局部動(dòng)床的方式模擬消能防沖區(qū)地形,動(dòng)床材料選用粒徑1.3～1.5 cm的白礬石。

開(kāi)展了蓄水期庫(kù)水位170 m以上泄洪調(diào)度整體模型試驗(yàn)研究[15],對(duì)優(yōu)先開(kāi)啟表孔泄洪、先深孔后表孔、表孔+深孔聯(lián)合等泄洪運(yùn)用方式,從壩前水流流態(tài)、泄洪孔流態(tài)、下游水流流態(tài)及河床沖刷安全等方面進(jìn)行對(duì)比分析,研究蓄水期優(yōu)先開(kāi)啟表孔泄洪運(yùn)行方式的可行性,以及蓄水期高水位條件下運(yùn)用深孔的條件和要求。

5.2 研究結(jié)果

(1) 單獨(dú)開(kāi)啟深孔、單獨(dú)開(kāi)啟表孔等方式對(duì)壩前水流流態(tài)影響試驗(yàn)研究表明:由于壩址河道彎曲、壩前河面變寬,上游河道主流從偏左側(cè)漸行至河道中部,若左右電站開(kāi)啟機(jī)組臺(tái)數(shù)相近,壩前水流方向總體略向右偏,左、右電廠前均有回流形成。僅開(kāi)啟深孔泄洪,若深孔開(kāi)啟較少孔,集中開(kāi)啟3～4個(gè)或兩孔間隔1～3個(gè)孔,壩前水域均易出現(xiàn)較大旋渦,故若深孔開(kāi)啟少于5孔,盡量?jī)煽组g距保證4孔以上;若深孔開(kāi)啟少于11孔,盡量保持間隔1孔及以上。各試驗(yàn)工況壩前的旋渦均為表面旋渦,未發(fā)展至深孔孔口。當(dāng)左電廠過(guò)流流量較大時(shí),可以減少大壩上游水流總體向右傾的趨勢(shì),壩前流態(tài)不出現(xiàn)旋渦或強(qiáng)度較弱,而右電廠過(guò)流流量較大時(shí),易增加壩前水流出現(xiàn)旋渦流態(tài)幾率;地下電站運(yùn)用對(duì)壩前整個(gè)流場(chǎng)影響不大。當(dāng)開(kāi)啟表孔泄洪,表孔水流影響區(qū)域的表層水流則較平順,無(wú)旋渦發(fā)生。針對(duì)發(fā)生旋渦的深孔,兩側(cè)開(kāi)啟表孔則可減弱甚至破除旋渦。

1∶100泄洪調(diào)度模型試驗(yàn)成果與數(shù)值模擬研究成果對(duì)比分析表明,不同泄洪運(yùn)用工況下,壩前水流流態(tài)基本一致;采用先表孔后深孔的方式,上游流態(tài)較好,壩前水流平順,無(wú)旋渦發(fā)生;采用先深孔后表孔的方式,壩前水流流態(tài)受彎道地勢(shì)、水流斜向進(jìn)流和左右電站過(guò)流條件等影響,個(gè)別工況壩前會(huì)出現(xiàn)表面旋渦。

(2) 先表孔后深孔(簡(jiǎn)稱先表孔)、先深孔后表孔(簡(jiǎn)稱先深孔)聯(lián)合泄洪方式的下游水流流態(tài)及沖刷試驗(yàn)研究表明:當(dāng)流量在34 800 m3/s以上時(shí),先表孔方式下縱向圍堰左側(cè)和左導(dǎo)墻右側(cè)最大流速較大,右岸護(hù)岸最大流速較小;當(dāng)流量在30 100 m3/s以下時(shí),先表孔方式下游各部位流速總體較小;先表孔方案下游最大流速區(qū)范圍較小。當(dāng)庫(kù)水位170 m時(shí),先表孔方式的下游河床部位沖深最低點(diǎn)高程比先深孔方式抬升;當(dāng)庫(kù)水位175 m時(shí),先表孔方式的下游河床部位沖深最低高程20.5 m,較先深孔方式有所降低,但右縱防沖墻和左導(dǎo)墻附近的沖刷較小;先表孔方式的下游沖刷總體形態(tài)優(yōu)于先深孔方式。不同運(yùn)行方式時(shí)下游河床中部沖坑深點(diǎn)均在高程20 m以上,沖坑上游邊緣距離壩趾分別為100 m和75 m,大壩壩基是安全的;縱向圍堰左側(cè)防沖墻部位最低沖刷高程均高于建基面高程,左導(dǎo)墻部位未受沖刷。泄洪壩段下游沖刷均是安全的。

(3) 根據(jù)泄洪調(diào)度模型試驗(yàn)成果,結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算、深孔泄槽水流特性成果綜合分析,蓄水期庫(kù)水位170 m以上采用先開(kāi)啟表孔泄洪的運(yùn)行方式是可行的。當(dāng)表孔泄洪流量達(dá)到10 000 m3/s之后,壩前來(lái)流基本正向,再開(kāi)啟深孔泄洪,其壩前水流流態(tài)和深孔泄槽水流特性較好,泄洪壩段的下游沖刷是安全的。

6 結(jié) 論

(1) 在高水位條件下,深孔泄洪引起的泄槽水體噴濺及壩體振動(dòng)現(xiàn)象,與泄流總動(dòng)能增加、水流紊動(dòng)增強(qiáng)以及摻氣底空腔及回水的擺幅增大等密切相關(guān),與壩前旋渦無(wú)直接關(guān)系。壩前斜向進(jìn)流會(huì)加劇深孔泄槽水流摻氣底空腔的擺幅、水流的紊動(dòng)強(qiáng)度,引起水體間歇性抬升,是引起壩體振動(dòng)的主要因素;深孔泄洪時(shí)的水流斜向進(jìn)流角控制在15°以內(nèi),會(huì)改善泄槽的水流紊動(dòng)特性。三峽水庫(kù)蓄水期高水位170 m以上深孔運(yùn)行時(shí),應(yīng)保持壩前正向進(jìn)流。

(2) 三峽水庫(kù)蓄水期170 m水位以上深孔運(yùn)行時(shí),壩前旋渦是由于上游斜向進(jìn)流和深孔泄洪共同作用形成的,與深孔偏集中開(kāi)啟及附近局部入流條件有關(guān)。壩前旋渦均為表面旋渦,其影響深度約30 m左右,旋流不影響深孔進(jìn)流。采取先表孔后深孔的泄洪運(yùn)用方式,壩前基本為正向進(jìn)流,流場(chǎng)平順,不會(huì)出現(xiàn)旋渦流態(tài)。當(dāng)表孔下泄流量大于10 000 m3/s時(shí),可適時(shí)開(kāi)啟部分深孔泄洪,此時(shí)壩前來(lái)流基本正向,有利于深孔泄槽水流表面的穩(wěn)定性。

(3) 蓄水期水位170 m以上采用先開(kāi)啟表孔調(diào)度方式,上游流態(tài)較好,基本無(wú)旋渦發(fā)生;下游水流流態(tài)較好、分布較均勻,下游流速總體較小,下游沖刷總體形態(tài)較優(yōu),泄洪壩段下游消能防沖建筑物是安全的。

(4) 蓄水期水位170 m以上時(shí),泄水設(shè)施的運(yùn)用開(kāi)啟順序?yàn)槭紫扔呻娬緳C(jī)組過(guò)流;機(jī)組過(guò)流量不足時(shí),先開(kāi)啟表孔泄洪;表孔全部開(kāi)啟泄量仍不足,或當(dāng)水位170 m以上且表孔下泄流量大于10 000 m3/s時(shí),可開(kāi)啟部分深孔泄洪。該結(jié)論已納入《三峽(正常運(yùn)行期)——葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》(2019年修訂版)。