摘要：乌江东风水电站拦河大坝采用薄拱坝，泄洪洞采用斜鼻坎新型消能工，并伴有高速水流，故需通过原型观测来检验设计成果。本文通过对流态、时均压力及脉动压力等的原型观测成果分析，为电站安全运行提供可靠依据，并为今后同等规模的类似工程提供有价值的参考。
关键词：原型观测 流态 时均压力及脉动压力 安全分析
1 工程概况
东风水电站位于贵州省清镇、黔西县交界的乌江干流甲鸭池河段上，距贵阳市88km，大坝采用混凝土双曲抛物线薄拱坝，坝顶高程978.0m，最大坝高162m，装机510MW，年均发电量24.2亿kwh。电站枢纽由大坝、泄洪系统、引水发电厂房等部分组成。
坝址区地质条件复杂，河谷狭窄，两岸岩体风化深约10～28m，距坝址190m处有F6断层及九级滩页岩出露。大坝的泄水建筑物由左岸泄洪洞、左岸溢洪道、坝身三个中孔和三个表孔组成，泄洪洞全长526.021m，为开敞式无压泄洪洞，主要由引渠段、闸室段、洞身段、出口消能工及护坦组成，进口采用堰式进水口，堰顶宽度12m，泄洪洞右侧通过圆弧形翼墙与溢洪道导墙相连。泄洪洞穿过地层为灰岩，埋深30～100m，进、出口边坡高度20～50m。
溢洪堰堰顶高程950.00m，设计挡水位970.00m。堰面曲线采用WES曲线，定型水头，堰面曲线方程，在WES曲线后由坡度为1:1的直线段与反弧段相连，反弧半径为10m。泄洪洞洞身全长466.5m，底坡为6.55%，断面型式为城门洞型，断面尺寸为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°。
东风泄洪洞从布置到体型设计虽然作了大量的计算分析及模型试验研究，并采取了相应的措施，但由于高速水流问题的复杂性，特别是对采用斜鼻坎型消能工的认识不足，因此有必要通过原型观测来检验设计成果，为电站安全运行提供可靠依据，并为今后同等规模的类似工程提供有价值的参考。
2 原型观测内容及测点布置
东风水电站设计洪水位为973.5m，此时泄洪洞的泄流量为2240m&³/s，校核洪水位为977.53m，相应的泄流量为3560m3/s，挑坎附近最大流速达32m/s。由于洞身系缓坡，且空穴系数较大，预计不发生空蚀，但要求中必须严格控制不平整度。
2.1观测内容
原型观测的内容包括以下几方面:(1)进出口流态；(2)表面流速观测；(3)水舌轨迹；(4)脉动压力；(5)时均压力；(6)泄洪洞检查。
2.2测点布置
时均压力及脉动压力测试布置在斜鼻坎底板上。在底板中心线0+473.00m桩号处布置1#测点（即时均压力测点P1，脉动压力测点F1），在0+483.00m桩号处布置2#测点（P2，F2）；在偏离底板中心线靠左侧3m的0+493.00m处布置3#测点（P3，F3）。
3 观测成果分析对比
3.1 上下游水位及泄量
水库水位观测采用的仪器为WFY型浮子式水位计，可自动采集、传送数据，尾水位观测采用DCB9418型压力传感式测控仪，流量测验采用旋浆式25-3型流速仪，仪器型号为900015，测流使用铅鱼重为150kg。各闸门开度下相应上、下游水位、泄量、单宽流量及对比见表1：
表1 不同闸门开度时泄流量对照表
|
开度 (e) |
库水位 (m) |
尾水位 (m) |
实测泄量 (m3/s) |
单宽流量 (m3/s) |
设计泄量 (m3/s) |
实测与设计相差 % |
|
1/4 |
968.08 |
842.15 |
730 |
60.8 |
720 |
1.07 |
|
1/2 |
967.93 |
843.13 |
1284 |
107.0 |
1147 |
10.67 |
|
全开 |
967.71 |
844.72 |
1926 |
160.5 |
1743 |
9.50 |
从表中可以看出泄洪洞宽实际过流能力大于相应设计过流量，说明泄洪建筑物能够满足泄洪要求。
3.2进出口流态及表面流速
3.2.1进口流态
(1) e=1/4闸门开度工况下流态
库中来流平顺，流线清晰，右导流墙头部略有绕流现象，但对进口流态并没有造成影响；闸门前左、右两侧水面各有一漩涡，两漩涡特点有所不同：左侧漩涡距闸门3～5m，距边墙约1m，强度时大时小，直径约50～100mm，表面呈漏斗状，右侧旋涡距闸门3～4m，距边墙约1m，强度较弱，表面呈波浪状，且有间歇性；闸门前水流表面有一段逆向水流，长度约1.5m；进口左边墙上游2m处有一残留障碍物，使水流在该处表面出现漩滚，进口左边原交通洞洞口平台水流在平台未端略有跌落。
(2)e=1/2闸门开度下流态
从流线看，进口水面流线并非直线，基本是从右侧绕向进口，右导墙头部绕流明显，并从头部未端起贴壁水流表面出现白色浪花，宽度为0.5～1.0m，沿程逐渐增大；表面水流在闸门前产生旋滚，其起始端在平面上呈弧线，旋滚发生后，水流表面有强烈波动和掺气现象，闸门前无明显漩涡；进口左侧平台水流有跌落现象，高差约30cm，障碍物对水流产生明显的绕流影响。
(3)闸门全开工况下流态
进口水流主要来自右侧，右导流墙头部绕流较严重，贴壁水流表面突降，水流绕过墙头后产生斜向表面旋滚，漩滚前沿与洞中线约呈30°夹角，旋滚现象沿程逐渐减弱，至闸门处基本消失，左侧残留物对进口左侧水流流态产生不利影响，主要是残留物阻挡水流，使进口及墙面水流发生紊乱；进口两侧水面均低于中部，原因是右侧绕流和左侧残留物阻挡所致。
总体看来，e=1/4时，在闸门前产生的两个漩涡强度不是很大，且不是贯穿性漩涡，所产生的振动强度不会太大，由于受边界影响产生的绕流现象，尤其是闸门全开泄量加大时，水流侧向和竖向收缩影响了表面水流的稳定，但无多大危害。
3.2.2出口流态
(1)e=1/4闸门开度工况下流态
从消能工水舌形态分析，可分为清水区、表面掺气区、喷射跃射区、内缘水舌落水区、雾化形成区。
出口水舌流量集中于左侧，出洞时水面已掺气，水面一片白，掺气后水面破碎。距洞出口45m左右水舌开始跌落，呈喷射状，水流被对流空气撕碎，呈棉团状抛落。水舌头部宽度大约25m左右。水流中部到右边墙，水流出洞时有明显清水区，沿水流流程，该区逐渐缩小呈尖三角形状，长度约30m，而后消失。水舌清水区右侧为表面掺气区，掺气程度与左侧表面掺气区相近，水流尚未挑起便下落，开始是表面大量掺气，以后在跌落过程中，在空气对流作用下形成棉团状落入河谷。整个水舌，尤其是水舌主流在下跌至河床时，折冲对岸河床和护坡，造成阵发性溅起的水柱，形成大量雾化，水雾沿对岸山坡向上爬，形成强、中、弱多雾化区。
(2)e=1/2闸门开度工况下流态
水舌中间有清水区，两侧均为表面掺气区，水舌主流集中在左侧，从宽度和气势看均比e=1/4开度壮观，水舌头部宽度可达25～30m，水舌喷射起始点距洞口50m左右时开始呈棉团状下抛。从水舌的流态分区比较，清水区范围明显比1/4开度时窄，仍呈三角形状收缩，其长度在30m左右，此时的清水区表面已有少量掺气，水舌右侧与左侧相同，也分别为表面掺气区，多喷射跃射区，流态与1/4开度相似。水舌雾化，主要是水舌头部落水后顶冲河床右侧岩体，形成阵发性垂直向上溅起的水柱，水体迅速在对流空气中雾化，水舌头部溅起高度可达进厂公路865m高程，形成的水雾在无风情况下，沿着右岸山坡爬至968m高程左右。
(3)闸门全开工况下流态
出口水舌大量掺气，主流区仍在左侧，且水舌左高右低，水舌距洞出口45m左右时开始下落，其头部宽度在35m左右；洞出口水流已无清水区，主要表现为水舌掺气、跃射。
在三种闸门开度工况下，刚开启和关闭时，均出现水舌砸本岸现象，开启时在2min左右，闸门关闭时，历时1min左右。
3.3表面流速
采用浮标法测定各闸门开度下的表面流速，见表2。
表2 表面流速观测成果表
|
闸门开度（e） |
库水位（m） |
浮标平均历时（s） |
表面流速（m/s） |
|
1/4 |
968.08 |
17.25 |
27.94 |
|
1/2 |
967.93 |
17.50 |
27.54 |
|
全开 |
917.71 |
18.35 |
26.27 |
由上表可知各闸门开度下，水流表面流速基本相同，流速变化主要受水头影响。
3.4 水舌形态
测定了三个闸门开度下的水舌轨迹，同时与模型试验结果对比见表4。
表4 水舌轨迹试验对比表
|
库水位(m) |
尾水位(m) |
闸门开度 (e) |
入水前缘 距出口(m) |
入水下缘 距出口(m) |
入水长度 (m) |
水舌最高部位宽度 （m） |
入水 宽度 | |
|
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 |
全开 |
130 |
42 |
88 |
37 |
|
|
970.00 |
847.00 |
模型 |
全开 |
115 |
49 |
66 |
|
85 |
观测中我们发现，原型与模型的观测结果存在一定区别，经过分析认为主要是因为在原型泄水时，水流掺气更充分，水舌膨胀也就大得多。
转贴于4 消能工时均压力及脉动压力
测点瞬时压力P（t）为时均压力与脉动压力±P＇之和，即P（t）=P+P＇。其中P包括静水头和部分动水头，而脉动压力则通过以下四种特征值来描述：①均方根值，表示脉动压力强度的特征值； ②功率谱密度函数，表示脉动压力随机过程的频率分布结构；③自相关函数，用来描述随机过程在时间域上的特性；④概率密度函数，表示不同脉动强度的相应概率。
1#、2#、3#测点测得各组压力时均值，瞬时最大压力、最小压力值，脉动压力均方差及相关参数见表3。
表3 观测结果参数表
|
测点 |
闸门 开度 (e) |
上游 水位 (m) |
流量 Q (m3/s) |
时均压力 （KPa） |
最大压力 （KPa） |
最小压力 （KPa） |
脉压均方根 （KPa） |
(KPa) |
(KPa) |
优势 频率f （Hz） |
紊动 系数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 | ||||
|
全开 |
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 |
|
|
|
|
|
|
| ||||
|
全开 |
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 | ||||
|
全开 |
967.71 |
1926 |
67.08 |
88.15 |
54.68 |
4.47 |
8.763 |
11.53 |
0.39 |
6.67 | ||||
从测试结果分析可知，各测点脉动优势频率明显，自相关性好，其脉动概率密度分布均近似高斯正态分布。按正态分布考虑，即可取概率为P=68.3%的均方差（）为平均脉动压力强度，取P=95.44%的脉动压力1.96σ作为计算动水荷载的最大脉动压力；取P=99.74%的脉动压力强度2.58σ作为研究空穴水流的最大脉动压力强度。在上表中2.58×项，各值远小于对应的时均正压，故不会产生气蚀现象。从各测点时均压力分析，流量增大，1#测点水深随之增大，同时1#测点已处于反弧上挑部位，测值中反应了一部分动压水头，故时均压力增值较高，而反弧未端3#测点由于斜鼻坎作用，部分水流已由侧面下泄，此部位时均压力变化不十分明显。从脉动压力均方差分析，随着闸门开度加大，泄量增加，1#测点在全开时，紊动系数降低，3#测点紊动程度变化不大。从测点沿程分布看：越接近挑坎未端，水流掺气量越大，紊动越强烈，即3#测点Cv值大于2#测点，2#测点Cv值大于1#测点，这是符合一般规律的。各闸门开度下，由各测点频谱图分析可得出以下结论：各测点部位脉动优势频率在0.34～1.06Hz之间，脉动最大能量在低频区。
5 泄洪洞泄洪后现场检查与评价
在测试前对泄洪洞整个结构进行了一次全面检查。检查结果：泄洪洞侧墙及顶拱混凝土浇筑较好。底板混凝土浇筑不平整，较严重的已做修补，洞身中部有几处横向施工缝错台严重，造成局部冲蚀，大部分修补的混凝土已被冲掉，在泄洪洞0+441.3～0+418.4之间有三条横向裂缝，裂缝表面宽度最大2～3mm，边墙有垂直裂缝。
放水后对泄洪洞又进行了一次检查；发现原洞身中部底板横缝处破坏进一步扩大，宽度达20～30cm； 0+472.27桩号靠右底板出现气蚀区，呈小坑状。由于出现破坏的区域均不在负压区，从破坏发生的现象分析，认为其主要原因是因为过流混凝土表面不平整度较大，高速水流通过时产生了气蚀，不平整区的混凝土大部分已被冲掉，建议采用高强度材料对表面不平整处进行修整。
6 结语
（1）东风水电站泄洪洞的泄流能力满足设计泄量要求，进口导墙体型合理，水流平顺，若将进口前缘左侧施工遗留残体清除，流态会更好些。泄洪洞过流面不平整度不能完全满足高速水流下的过流要求，造成一些轻微的冲蚀现象，必须进行相应处理。
（2）消能工底部脉动强度不大，对其结构不会构成威胁，消能效果较好，已将水舌顺河床纵向拉开，水舌在空中的掺气效果良好，虽然出现水舌底流顶冲河床本岸坡脚的现象，但均在设计冲坑范围内，不致对其它建筑物构成太大威胁。
（3）水舌在空中掺气和入池的剧烈碰撞，产生了大量的雾雨，受山体和峡谷风的作用，主要影响进厂公路交通，此部位处于雾化产生的强暴雨区。
参考文献
[1] 王木兰 紊流的统计概念及其在高速水流中的某些应用[R]。1981.5
[2] 赵世俊，李桂芬，周胜.水流脉动压力研究中的几个问题[J].水利学报，1959(4)
[3] 黄涛. 水流压力脉动的特性及模型相似律[J].水利学报，1993(1)
[4] 黎发贵，罗友余，叶绪纲.乌江东风水电站水文原型观测分析[J].1999(6)
Water Discharge Archetype Observation and Analysis of
DongFen Hydroelectric Station Spillway Outlet
Abstract: Water retaining dam of DongFen hydroelectric station is thin-arch dam at Wujiang River. It’s spillway outlet adopts latest type slanting bucket lip energy dissipator and generates ultra-rapid flow. So the design must be tested through archetype observation. In this paper， the archetype observation result of flow pattern， time-average pressure and fluctuating pressure etc. it provide tried reference for hydroelectric safe operation， and also suffer valuable reference for analogic project.
Key word: archetype observation; flow pattern; time-average pressure and fluctuating pressure; security analysis