高台阶消能式溢洪道在碾压混凝土坝中的应用

时间：2024-07-28

代彬，曹骏，陈章淼

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 台阶式溢洪道在碾压混凝土坝中的应用现状

随着筑坝的迅速发展，台阶式溢洪道在碾压混凝土坝(RCC)上得到了广泛应用。美国的上静水坝是世界上第一个采用RCC台阶式溢洪道的工程，我国的贵州索风营水电站、广东乌石拦河闸工程、湖南江娅RCC大坝都运用了台阶溢洪道。表1为台阶式溢洪道在国内外已建成投入运行的典型实例。

表1 台阶式溢洪道典型实例

2 台阶溢洪道水流流态的理论分析

台阶式溢洪道的水流流态可分成3类，即滑行水流，过渡水流和跌落水流[1]。各流况形成领域见图1。

当水流流过台阶表面时，各台阶内全部被水充填，没有空腔存在，并在各台阶隅角和主流之间形成一个横轴旋涡，靠近主流处旋涡旋转方向和主流流动方向一致，这种水流称为滑行水流，见图2(a);在各台阶隅角与主流之间总是有一个近似三角形空腔存在，空腔下为一近似梯形静水池，流股出现较大的弯曲，称为跌落水流，见图2(c);处于滑行水流和跌落水流之间，在一些台阶内总是有类似跌落水流的三角形空腔形成，而在另一些台阶内总是有类似滑行水流的横轴旋涡形成，并且这两种形态沿台阶向下游交替存在于台阶表面与主流之间，定义为过渡水流[2]，见图2(b)。台阶式渠槽流况见图2。

3 哮天龙高台阶溢洪道布置

哮天龙水库位于贵州省六盘水市盘县接长江支流沙沱河上，工程任务为向县城红果镇供水。水库枢纽建筑物由大坝、溢流表孔、取水管、放空管等建筑物组成。设计洪水情况下泄流量84.7 m3/s，单宽流量q=7.058 m3/(s·m)，校核洪水情况下泄流量126 m3/s，单宽流量 q=10.5m3/(s·m)。

图1 各流况形成领域

大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高56 m，坝顶长169 m，中部设置溢流净宽12 m的台阶式溢流道。大坝碾压施工采用3 m×3 m的翻身式大模板，每层连续碾压施工高度为3 m。为保证溢流坝段与非溢流坝段通仓碾压施工，溢洪道台阶高度选定在3.0 m。

溢流坝段长13.6 m，设置12 m宽溢流表孔1孔，非溢流坝段下游坝面总体坡度为1∶0.75，长2.25 m×高3.0 m的阶梯状，溢流坝段为台阶渐变式溢洪道结构，包括设置在大坝上的溢洪道，在槽形溢洪道上设置有阶梯，阶梯从上到下的阶梯高度逐渐递增。

4 原方案水流流态研究分析

4.1 原方案水流流态模型试验

为充分掌握溢洪道水流流态，哮天龙台阶溢洪道进行了水力模型试验。试验比尺为1∶40，试验方案分原方案和采用方案。原方案溢洪道为完全采用3 m高大台阶的，共10级台阶。在水力模型试验中，工况1为下泄流量45 m3/s，水流经堰顶后直接跌落在第1级台阶上，在阶梯面上形成跌流。在冲击第1级台阶后产生挑流，挑流水流跨过其后的台阶，直接跌入反弧段。此工况水流流态属典型的跌落水流。当下泄流量85 m3/s时，由于水舌的增厚，水流流态进入过渡水流。下泄水流在第1～4级台阶以类似滑行水流形式沿着阶梯下泄，至第4阶梯后，水流从第4阶梯挑出，跌落在后面的阶梯和反弧上。当下泄流量Q=126 m3/s时，水流沿着阶梯高速下泄，水流表面成旋滚波动状，第二阶梯后水面为一片“白”水，水流之下每个阶梯均有旋滚，掺气明显。此工况水流流态属典型的滑行水流。

图2 台阶式渠槽流况

4.2 原方案水深

原方案溢流表孔水深成果见表2。

4.3 原方案水流流态研究分析

根据台阶式溢洪道水流流态理论计算和水工模型试验分析可看出，由于溢流曲线较陡，而台阶的高度又过大，在小流量情况下，水流在台梯面上形成各种程度的挑流，造成台阶段水深较高，并且挑射水流越过多级阶梯，未能在阶梯上形成有效的具横轴旋涡的旋滚，消能效果差。

表2 原方案溢流表孔水深成果表

5 采用方案水流流态研究分析

5.1 采用方案台阶布置

为避免小流量情况下原方案台阶布置造成的跌落水流，采用方案为在与堰面曲线相接的2级高台阶上设置小台阶，其中第1阶梯上设为5级小阶梯，每级高度为0.6 m、宽度为0.45 m;第2级阶梯上设置3个小阶梯，高度分别为0.9 m、0.9 m、1.2 m，宽度均为0.75 m。

通过小台阶的过渡，采用方案对小流量水流先形成滑行水流流态，通过2级台阶后，水流势能转化为动能。具有一定动能的水流流态在惯性的作用下，水流就很难改变其流态，因而在余下的8级台阶上继续保持其水流特性。通过水力模型和工程实践证实，采用方案是成功的。

5.2 采用方案水流流态模型试验

水力模型试验中下泄流量Q=45 m3/s、Q=85 m3/s、Q=126 m3/s时流态。

5.3 采用方案掺气及水深

台阶式溢洪道上的滑行水流，可分为非掺气区、掺气发展区和稳定掺气区。

水力模型试验中，当下泄流量＞10 m3/s时，挑射水流消失，水流通过阶梯平顺下泄。在第一、第二阶梯上为非掺气区，第三、四阶梯为掺气发展区，第五—第十二阶梯为稳定掺气区。泄流水面掺气后，每一级阶梯下游面出现较明显的小漩涡，陡槽段水流为水、气混合体，主流仍在槽底，表面为水滴跃移区。其水深成果见表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)与原方案水深成果(表2)相比较，在Q=45 m3/s和Q=60 m3/s两个工况下，堰顶至台阶起始处水深相差不大，原方案在第一级台阶后下泄水流出现挑射，部分阶梯上是没有水流的，有水流的阶梯上流态混乱;在Q=85 m3/s和Q=126 m3/s两个工况下，采用方案相对于原方案其水深起伏差较小，最大水深1.84 m。

从水深对比可看出，采用方案水深起伏差较小，水流沿台阶平顺下泄，最大水深较低，导墙高度就能降低。

5.4 采用方案消能分析

当下泄流量＜10 m3/s时，单宽流量＜0.83 m3/(s·m)，由于水流的流量较小，形成的跌落水流在空中扩散破碎、在台阶上混掺并形成完全或不完全水跃来消能，对台阶式溢洪道结构无影响。

当下泄流量＞10 m3/s时，形成的滑行水流在台阶面上形成横轴漩涡，一方面翻滚水流与台阶混凝土充分摩擦，产生强烈的摩阻作用，一方面沿台阶尖角滑行的水流充分掺气，产生了较好的消能效果。与非台阶(直线形)溢洪道鼻坎处流速计算成果对比，采用方案台阶水力模型试验测出台阶式溢洪道鼻坎处流速大幅度降低，消能率达到了35%～40%。