摘要：烏江東風水電站攔河大壩采用薄拱壩，泄洪洞采用斜鼻坎新型消能工，并伴有高速水流，故需通過原型觀測來檢驗設計成果。本文通過對流態、時均壓力及脈動壓力等的原型觀測成果分析，為電站安全運行提供可靠依據，并為今后同等規模的類似工程提供有價值的參考。

關鍵詞：原型觀測 流態 時均壓力及脈動壓力 安全分析

1 工程概況

東風水電站位于貴州省清鎮、黔西縣交界的烏江干流甲鴨池河段上，距貴陽市88km，大壩采用混凝土雙曲拋物線薄拱壩，壩頂高程978.0m，最大壩高162m，裝機510MW，年均發電量24.2億kwh。電站樞紐由大壩、泄洪系統、引水發電廠房等部分組成。

壩址區地質條件復雜，河谷狹窄，兩岸巖體風化深約10～28m，距壩址190m處有F6斷層及九級灘頁巖出露。大壩的泄水建筑物由左岸泄洪洞、左岸溢洪道、壩身三個中孔和三個表孔組成，泄洪洞全長526.021m，為開敞式無壓泄洪洞，主要由引渠段、閘室段、洞身段、出口消能工及護坦組成，進口采用堰式進水口，堰頂寬度12m，泄洪洞右側通過圓弧形翼墻與溢洪道導墻相連。泄洪洞穿過地層為灰巖，埋深30～100m，進、出口邊坡高度20～50m。

溢洪堰堰頂高程950.00m，設計擋水位970.00m。堰面曲線采用WES曲線，定型水頭，堰面曲線方程，在WES曲線后由坡度為1:1的直線段與反弧段相連，反弧半徑為10m。泄洪洞洞身全長466.5m，底坡為6.55%，斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為12×17.5m。泄洪洞出口采用斜鼻坎消能工，挑坎高程905.609～916.378m，挑射角7.01°～33°。

東風泄洪洞從布置到體型設計雖然作了大量的計算分析及水工模型試驗研究，并采取了相應的結構措施，但由于高速水流問題的復雜性，特別是對采用斜鼻坎型消能工的認識不足，因此有必要通過原型觀測來檢驗設計成果，為電站安全運行提供可靠依據，并為今后同等規模的類似工程提供有價值的參考。

2 原型觀測內容及測點布置

東風水電站設計洪水位為973.5m，此時泄洪洞的泄流量為2240m3/s，校核洪水位為977.53m，相應的泄流量為3560m3/s，挑坎附近最大流速達32m/s。由于洞身系緩坡，且空穴系數較大，預計不發生空蝕，但要求施工中必須嚴格控制不平整度。

2.1觀測內容

原型觀測的內容包括以下幾方面:(1)進出口流態；(2)表面流速觀測；(3)水舌軌跡；(4)脈動壓力；(5)時均壓力；(6)泄洪洞檢查。

2.2測點布置

時均壓力及脈動壓力測試布置在斜鼻坎底板上。在底板中心線0+473.00m樁號處布置1#測點（即時均壓力測點P1，脈動壓力測點F1），在0+483.00m樁號處布置2#測點（P2，F2）；在偏離底板中心線靠左側3m的0+493.00m處布置3#測點（P3，F3）。

3 觀測成果分析對比

3.1 上下游水位及泄量

水庫水位觀測采用的儀器為WFY型浮子式水位計，可自動采集、傳送數據，尾水位觀測采用DCB9418型壓力傳感式測控儀，流量測驗采用旋漿式25-3型流速儀，儀器型號為900015，測流使用鉛魚重為150kg。各閘門開度下相應上、下游水位、泄量、單寬流量及對比見表1：

表1 不同閘門開度時泄流量對照表

開度

(e)

庫水位

(m)

尾水位

(m)

實測泄量

(m3/s)

單寬流量

(m3/s)

設計泄量

(m3/s)

實測與設計相差

%

1/4

968.08

842.15

730

60.8

720

1.07

1/2

967.93

843.13

1284

107.0

1147

10.67

全開

967.71

844.72

1926

160.5

1743

9.50

從表中可以看出泄洪洞寬實際過流能力大于相應設計過流量，說明泄洪建筑物能夠滿足泄洪要求。

3.2進出口流態及表面流速

3.2.1進口流態

(1) e=1/4閘門開度工況下流態

庫中來流平順，流線清晰，右導流墻頭部略有繞流現象，但對進口流態并沒有造成影響；閘門前左、右兩側水面各有一漩渦，兩漩渦特點有所不同：左側漩渦距閘門3～5m，距邊墻約1m，強度時大時小，直徑約50～100mm，表面呈漏斗狀，右側旋渦距閘門3～4m，距邊墻約1m，強度較弱，表面呈波浪狀，且有間歇性；閘門前水流表面有一段逆向水流，長度約1.5m；進口左邊墻上游2m處有一殘留障礙物，使水流在該處表面出現漩滾，進口左邊原交通洞洞口平臺水流在平臺未端略有跌落。

(2)e=1/2閘門開度下流態

從流線看，進口水面流線并非直線，基本是從右側繞向進口，右導墻頭部繞流明顯，并從頭部未端起貼壁水流表面出現白色浪花，寬度為0.5～1.0m，沿程逐漸增大；表面水流在閘門前產生旋滾，其起始端在平面上呈弧線，旋滾發生后，水流表面有強烈波動和摻氣現象，閘門前無明顯漩渦；進口左側平臺水流有跌落現象，高差約30cm，障礙物對水流產生明顯的繞流影響。

(3)閘門全開工況下流態

進口水流主要來自右側，右導流墻頭部繞流較嚴重，貼壁水流表面突降，水流繞過墻頭后產生斜向表面旋滾，漩滾前沿與洞中線約呈30°夾角，旋滾現象沿程逐漸減弱，至閘門處基本消失，左側殘留物對進口左側水流流態產生不利影響，主要是殘留物阻擋水流，使進口及墻面水流發生紊亂；進口兩側水面均低于中部，原因是右側繞流和左側殘留物阻擋所致。

總體看來，e=1/4時，在閘門前產生的兩個漩渦強度不是很大，且不是貫穿性漩渦，所產生的振動強度不會太大，由于受邊界影響產生的繞流現象，尤其是閘門全開泄量加大時，水流側向和豎向收縮影響了表面水流的穩定，但無多大危害。

3.2.2出口流態

(1)e=1/4閘門開度工況下流態

從消能工水舌形態分析，可分為清水區、表面摻氣區、噴射躍射區、內緣水舌落水區、霧化形成區。

出口水舌流量集中于左側，出洞時水面已摻氣，水面一片白，摻氣后水面破碎。距洞出口45m左右水舌開始跌落，呈噴射狀，水流被對流空氣撕碎，呈棉團狀拋落。水舌頭部寬度大約25m左右。水流中部到右邊墻，水流出洞時有明顯清水區，沿水流流程，該區逐漸縮小呈尖三角形狀，長度約30m，而后消失。水舌清水區右側為表面摻氣區，摻氣程度與左側表面摻氣區相近，水流尚未挑起便下落，開始是表面大量摻氣，以后在跌落過程中，在空氣對流作用下形成棉團狀落入河谷。整個水舌，尤其是水舌主流在下跌至河床時，折沖對岸河床和護坡，造成陣發性濺起的水柱，形成大量霧化，水霧沿對岸山坡向上爬，形成強、中、弱多霧化區。

(2)e=1/2閘門開度工況下流態

水舌中間有清水區，兩側均為表面摻氣區，水舌主流集中在左側，從寬度和氣勢看均比e=1/4開度壯觀，水舌頭部寬度可達25～30m，水舌噴射起始點距洞口50m左右時開始呈棉團狀下拋。從水舌的流態分區比較，清水區范圍明顯比1/4開度時窄，仍呈三角形狀收縮，其長度在30m左右，此時的清水區表面已有少量摻氣，水舌右側與左側相同，也分別為表面摻氣區，多噴射躍射區，流態與1/4開度相似。水舌霧化，主要是水舌頭部落水后頂沖河床右側巖體，形成陣發性垂直向上濺起的水柱，水體迅速在對流空氣中霧化，水舌頭部濺起高度可達進廠公路865m高程，形成的水霧在無風情況下，沿著右岸山坡爬至968m高程左右。

(3)閘門全開工況下流態

出口水舌大量摻氣，主流區仍在左側，且水舌左高右低，水舌距洞出口45m左右時開始下落，其頭部寬度在35m左右；洞出口水流已無清水區，主要表現為水舌摻氣、躍射。

在三種閘門開度工況下，剛開啟和關閉時，均出現水舌砸本岸現象，開啟時在2min左右，閘門關閉時，歷時1min左右。

3.3表面流速

采用浮標法測定各閘門開度下的表面流速，見表2。

表2 表面流速觀測成果表

閘門開度（e）

庫水位（m）

浮標平均歷時（s）

表面流速（m/s）

1/4

968.08

17.25

27.94

1/2

967.93

17.50

27.54

全開

917.71

18.35

26.27

由上表可知各閘門開度下，水流表面流速基本相同，流速變化主要受水頭影響。

3.4 水舌形態

測定了三個閘門開度下的水舌軌跡，同時與模型試驗結果對比見表4。

表4 水舌軌跡試驗對比表

庫水位(m) 尾水位(m) 閘門開度 (e) 入水前緣 距出口(m) 入水下緣 距出口(m) 入水長度 (m) 水舌最高部位寬度 （m） 入水 寬度 968.08 842.15 原型 1/4 164 79 85 29 240 967.93 843.13 原型 1/2 155 72 83 30 245 967.71 844.72 原型 全開 130 42 88 37 970.00 847.00 模型 全開 115 49 66 85

庫水位(m)

尾水位(m)

閘門開度

(e)

入水前緣

距出口(m)

入水下緣

距出口(m)

入水長度

(m)

水舌最高部位寬度

（m）

入水

寬度

968.08

842.15

原型

1/4

164

79

85

29

240

967.93

843.13

原型

1/2

155

72

83

30

245

967.71

844.72

原型

全開

130

42

88

37

970.00

847.00

模型

全開

115

49

66

85

觀測中我們發現，原型與模型的觀測結果存在一定區別，經過分析認為主要是因為在原型泄水時，水流摻氣更充分，水舌膨脹也就大得多。

4 消能工時均壓力及脈動壓力

測點瞬時壓力P（t）為時均壓力與脈動壓力±P＇之和，即P（t）=P+P＇。其中P包括靜水頭和部分動水頭，而脈動壓力則通過以下四種特征值來描述：①均方根值，表示脈動壓力強度的特征值； ②功率譜密度函數，表示脈動壓力隨機過程的頻率分布結構；③自相關函數，用來描述隨機過程在時間域上的特性；④概率密度函數，表示不同脈動強度的相應概率。

1#、2#、3#測點測得各組壓力時均值，瞬時最大壓力、最小壓力值，脈動壓力均方差及相關參數見表3。

表3觀測結果參數表

測點

閘門

開度

(e)

上游

水位

(m)

流量

Q

(m3/s)

時均壓力

（KPa）

最大壓力

（KPa）

最小壓力

（KPa）

脈壓均方根

（KPa）

(KPa)

(KPa)

優勢

頻率f

（Hz）

紊動

系數Cv（%）

1#

1/4

968.08

730

90.68

104.21

78.33

3.75

7.35

9.68

0.90

4.14

1/2

967.93

1284

96.61

118.16

82.61

4.11

8.06

10.60

0.34

4.25

全開

967.71

1926

145.43

161.82

131.92

3.63

7.11

9.37

0.48

2.50

2#

1/4

968.08

730

72.01

90.53

57.79

4.18

8.19

10.78

1.06

5.80

1/2

967.93

1284

77.84

全開

967.71

1926

92.55

3#

1/4

968.08

730

51.35

68.60

39.60

3.40

6.66

8.77

0.72

6.62

1/2

967.93

1284

61.07

81.77

46.65

4.32

8.47

11.15

0.41

7.07

全開

967.71

1926

67.08

88.15

54.68

4.47

8.763

11.53

0.39

6.67

從測試結果分析可知，各測點脈動優勢頻率明顯，自相關性好，其脈動概率密度分布均近似高斯正態分布。按正態分布考慮，即可取概率為P=68.3%的均方差（）為平均脈動壓力強度，取P=95.44%的脈動壓力1.96σ作為計算動水荷載的最大脈動壓力；取P=99.74%的脈動壓力強度2.58σ作為研究空穴水流的最大脈動壓力強度。在上表中2.58×項，各值遠小于對應的時均正壓，故不會產生氣蝕現象。從各測點時均壓力分析，流量增大，1#測點水深隨之增大，同時1#測點已處于反弧上挑部位，測值中反應了一部分動壓水頭，故時均壓力增值較高，而反弧未端3#測點由于斜鼻坎作用，部分水流已由側面下泄，此部位時均壓力變化不十分明顯。從脈動壓力均方差分析，隨著閘門開度加大，泄量增加，1#測點在全開時，紊動系數降低，3#測點紊動程度變化不大。從測點沿程分布看：越接近挑坎未端，水流摻氣量越大，紊動越強烈，即3#測點Cv值大于2#測點，2#測點Cv值大于1#測點，這是符合一般規律的。各閘門開度下，由各測點頻譜圖分析可得出以下結論：各測點部位脈動優勢頻率在0.34～1.06Hz之間，脈動最大能量在低頻區。

5 泄洪洞泄洪后現場檢查與評價

在測試前對泄洪洞整個結構進行了一次全面檢查。檢查結果：泄洪洞側墻及頂拱混凝土澆筑較好。底板混凝土澆筑不平整，較嚴重的已做修補，洞身中部有幾處橫向施工縫錯臺嚴重，造成局部沖蝕，大部分修補的混凝土已被沖掉，在泄洪洞0+441.3～0+418.4之間有三條橫向裂縫，裂縫表面寬度最大2～3mm，邊墻有垂直裂縫。

放水后對泄洪洞又進行了一次檢查；發現原洞身中部底板橫縫處破壞進一步擴大，寬度達20～30cm； 0+472.27樁號靠右底板出現氣蝕區，呈小坑狀。由于出現破壞的區域均不在負壓區，從破壞發生的現象分析，認為其主要原因是因為過流混凝土表面不平整度較大，高速水流通過時產生了氣蝕，不平整區的混凝土大部分已被沖掉，建議采用高強度材料對表面不平整處進行修整。

6 結語

（1）東風水電站泄洪洞的泄流能力滿足設計泄量要求，進口導墻體型合理，水流平順，若將進口前緣左側施工遺留殘體清除，流態會更好些。泄洪洞過流面不平整度不能完全滿足高速水流下的過流要求，造成一些輕微的沖蝕現象，必須進行相應處理。

（2）消能工底部脈動強度不大，對其結構不會構成威脅，消能效果較好，已將水舌順河床縱向拉開，水舌在空中的摻氣效果良好，雖然出現水舌底流頂沖河床本岸坡腳的現象，但均在設計沖坑范圍內，不致對其它建筑物構成太大威脅。

（3）水舌在空中摻氣和入池的劇烈碰撞，產生了大量的霧雨，受山體和峽谷風的作用，主要影響進廠公路交通，此部位處于霧化產生的強暴雨區。