高坝泄流的消能方式优化方案

1.1.3.1 底流消能

底流消能又称水跃消能，它是一种古老的消能方式。底流消能是通过水跃使流态发生转变，高速水流在消力池内由急流变为缓流。在流态转换过程中，水流表面的横轴漩涡与接触面上的强烈紊动、剪切，消杀高速动能。主流沿消力池底部扩散时，还受到固体边壁摩擦，消耗部分能量。若有其他辅助消能工，还可加强水流紊动、混掺，进一步增强消能效果。高速水流通过消力池，大部分动能被转换为热能，少部分动能转换为位能与下游水位平顺衔接。

20世纪80年代以前，我国底流消能着重研究消力池内加设辅助消能工（如趾墩、T形墩等），以增加阻力，降低第二共轭水深，稳定水跃，缩短池长。80年代后，我国一些大型水电工程具有泄流量大、弗氏数低的特点，采用一般底流消能工，无法获得较高的消能率。有一些工程在坝顶加设宽尾墩辅助消能工，使消力池长度大大缩短，如安康、五强溪、向家坝（图1.9）等。

图1.8　深孔漏空窄缝式方案示意图

图1.9　向家坝水电站消力池

国外方面，目前，世界上采用底流消能工泄水建筑物代表性工程是原苏联叶尼塞河上的萨扬·舒申斯克水电站，采用中孔泄流，但泄流时，消力池底板曾发生破坏。对于底流消能消力池防护结构（底板）的稳定性，因为水力条件与挑、跌流水垫塘完全不同，因而水动力荷载（上举力）产生的机理也不一样。挑、跌流水垫塘底板承受来自水舌的直接冲击，射流水舌携带的动能在水垫中耗散所剩余部分到达底板而转化为冲击压强并沿缝隙传递到底板的底部。底板上下表面动水压力之差就构成了导致其失稳的上举力。底流消能的消力池底板不直接承受水舌的冲击，入池水流的流速方向与底板平面夹角几乎为零，动水压力主要是池内水流强烈紊动所致。水流脉动压力基本方程中，脉动压力的两个源即“紊动—剪切”和“紊动—紊动”。前人研究结果表明，边壁脉动压强主要取决于低频大尺度相干涡旋。“紊动—剪切”脉动源在紊流边界层中起主导作用，边壁脉动压强的产生，主要取决于边壁附近紊流猝发引起的垂直脉动流速对边壁的作用。水垫塘中射流作用下底板的脉动压强则是“紊动—紊动”脉动源起作用。(www.xing528.com)

消力池底板处于水跃的强烈旋滚区，水跃底部的主流区与旋滚区交界面的巨大流速梯度不断产生大小、强度、方向不同的漩涡。这种剧烈变化的旋滚反映在底板上就是随机性的压强脉动。实验表明，水跃区底部压强脉动具有低频、大幅的特点。作用在底板表面的时均压强分布与挑、跌水垫塘有很大差别，不存在所谓的冲击压强，因而引起底板失稳破坏的机制不相同。尤其挑、跌水垫塘底板上下表面时均压强在水舌冲击点下游侧存在底大上小的区域，这个区域的底板最易失稳。而底流消力池底板上下表面的压强分布相对较为均匀，尽管也存在跃首处底大上小（临界水跃比较显著）的情况，但压强变化梯度不大。关于水跃区水流压强脉动特性的研究已有众多成果[7-9]，本书不再讨论。

国内外已建工程采用底流消能工有不少在运行初期消力池底板都发生了破坏[10]。例如前苏联的萨扬·舒申斯克水电站消力池[11]、美国的德沃歇克、国内的安康[12]和五强溪[13]工程，这些工程消力池底板破坏的经验教训值得我们研究和借鉴。底流消能多用于中小型工程，而用于高坝泄流消能则较少。目前超过200m高坝采用的有三座：萨扬·舒申斯克、巴克拉及德沃歇克，且均出现了问题。除了底流消能工因工程量不大经济外，进入消力池的高速水流对消力池及附属结构的荷载难以控制而导致结构破坏是一个重要的原因。消力池底板有可能在脉动水压力的作用下被掀起。因此，研究消力池底板的稳定性对于大型工程采用消力池消能是非常必要的。

1.1.3.2 挑（跌）流消能

挑流消能是利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后被消除。

在高坝特别是高拱坝枢纽布置中，由于坝体高度已经达到或超过300m量级，因而由水头高和泄流功率大而产生的泄流消能问题十分突出。我国继1999年下闸蓄水的240m高二滩水电站双曲拱坝（图1.10）的建成后，又有一批300m级高坝正在设计之中。如雅砻江锦屏一级双曲拱坝，最大坝高305m，居世界混凝土坝首位。近些年来设计建设的高坝工程如二滩、小湾、溪洛渡、锦屏、构皮滩、拉西瓦等大都采用坝身表孔、中（深）孔泄流的方式。坝身泄流时，高速下泄水流挟带的巨大动能直接作用在坝址附近的河床内，尽管可以采用一些消能措施，如近些年发展起来的窄缝式消能工、扩散式消能工、高低坎大差动碰撞消能工、宽尾墩等，但是河床的冲刷是不可避免的。如果不对河床加以保护，势必产生严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌，危及大坝安全。

如赞比亚的卡里巴拱坝，运行数年后，河床的冲刷深度超过70m，严重威胁大坝的安全，以至于不得不进行加固。因此，这些高坝工程大都将坝址下一定距离内的河床用混凝土防护，并在适当的表孔、中孔挑、跌流水舌位置修建二道坝，形成泄流消能建筑物的一部分——水垫塘，以达到消能和防冲的目的。

图1.10　二滩拱坝泄洪