了解下游流态与冲刷现象

超设计水位时,水流基本形态与设计水位相比没有明显的差别,只是各种量值有所变化。试验进一步证实了以往研究结论,即深孔参与泄洪对降低底孔出口水位有较大的帮助,没有观测到在组合泄洪情况下底孔出口水跃进入坝内明流段的现象。

图6.31　鼻坎处噪声谱级差最大值与相应的水流空化数关系

图6.32反映了坝趾水位随上游水位升高而降低的趋势。当深孔参与泄洪时,底孔出口的坝趾水位可降低6～9m。当底孔单独泄洪时,尽管下游水面相对平稳,但由于尾水位较高,上游水位低于145m时,出口水跃向坝内明流段摆动,加大了反弧段的紊动程度。

图6.32　底孔超设计水位坝趾水位变化趋势

图6.33示出了底孔单独泄洪时水跃的摆动位置。图6.34为门铰处水位变化。当下游水位75.0m(总泄量56700m3/s)、上游水位高于150m时,水跃跃头向下游移动,对弧形闸门门铰不构成威胁。上游水位在135～145m时水跃跃头时而冲过门铰桩号,水花飞溅到门铰上,由于旋滚水面仍低于门铰,并未发生主流冲击门铰现象。当深孔参与泄洪时,底孔水流平顺泄出挑坎,旋滚移至桩号20+130m以外,对大坝基本没有影响。

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图6.33　底孔超设计水位运行出口水跃跃头摆动位置

下游水位的高低对出口水跃摆动位置影响明显,当下游水位略有提高,水跃跃头即向坝内摆动。下游水位75.0m已是底孔单独泄洪可能的最高水位了,当下游水位进一步抬高时,意味着总泄量加大,深孔必须参与泄洪。试验还模拟了下游系列高水位条件下底孔与深孔组合泄洪情况,未发现底孔明流反弧段流态出现恶化的情况,旋滚摆动位置大多已移出坝外。仅在底孔设计水位135m附近时,旋滚在坝内明流段内摆动机会较多,但也未封堵有压段出口处(桩号20+77m)。当上游水位达150m以上时,旋滚基本移至桩号20+88m以外。水流旋滚表面均未接近门铰,坝趾水位远低于下游水位(桩号20+890m处),见图6.34。

图6.34　抬高下游水位弧门门铰处水位的变化(深孔、底孔联合泄洪)

深孔与底孔组合泄洪冲刷坑较深,范围相对较小,冲坑底距坝趾相对较近,水面强烈波动范围超过桩号20+380m;而底孔单独泄洪冲刷坑浅些,范围大些,水面大波动可持续到桩号20+380m以外。

两者都形成上游堆丘,主要是由于底孔出口水流衔接类型为混合流,有反向旋滚作用的缘故。这一堆丘至大坝坝趾下,当堆丘高程接近出口挑坎高程时,立即发生复杂强烈的旋滚,带动砂粒上下翻滚,有的甚至冲进坝趾2m平台上(高程为53.60m)。当堆丘顶部被旋滚削低到一定程度时,立轴旋滚暂时消失、水流相对趋于平稳,沙粒落地,又开始新一轮堆积和冲刷过程。在这一过程中,坝趾床面始终没有低于原铺沙高程40.0m。总之,在底孔超设计水位运行情况下,冲刷坑的深度和位置比起设计水位运行时加深、扩大了,但并未超过深孔永久运行条件下所造成的冲刷程度。这主要是下游有30多m深水垫的保护。

以上为单孔试验情况,由于枢纽调度的复杂性,只有在整体模型试验中底孔的水流边界条件才能比较全面地反映,故本试验的流态和冲刷成果仅作为参考。