段文剛，侯冬梅，王才歡，胡 晗，唐祥甫

（長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

長江三峽工程是治理開發(fā)和保護(hù)長江的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)和水資源利用等巨大綜合效益。壩址位于湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，控制流域面積100萬km2，多年平均流量14 300 m3/s。樞紐工程由大壩、電站廠房和通航建筑物組成（見圖1）。大壩為混凝土重力壩，最大壩高181 m，正常蓄水位175 m，校核洪水最大下泄流量102 500 m3/s，相應(yīng)泄洪落差97.3 m，泄洪功率居世界之首[1-4]。三峽深孔最大運(yùn)用水頭90 m，單孔流量2220 m3/s，反弧段流速近40 m/s。表孔最大工作水頭22.4 m，單孔流量1690 m3/s，反弧段流速35m/s，泄水建筑物高速水流空化空蝕和壩下挑流沖刷問題引為關(guān)注。通過水力學(xué)原型觀測，可了解泄水建筑物運(yùn)行性態(tài)及其水動力特性，判斷或預(yù)測可能發(fā)生的異常狀況，以采取必要的處置或防范措施，并有利于優(yōu)化調(diào)度方案，提升認(rèn)知和科技水平。

近年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起不同程度的大型泄水建筑物破壞事故，如美國奧羅維爾溢洪道（2017年）、糯扎渡泄洪洞（2015年）、阿海溢流壩（2013年）、官地溢流壩（2012年）、金安橋溢洪道（2011年）、景洪消力池（2008年）、三板溪溢洪道（2007年）和二灘泄洪洞（2001年）等。初步分析，其破壞原因可能是：①布置與體型設(shè)計(jì)不合理；②高速水流摻氣設(shè)施設(shè)計(jì)不當(dāng)或通氣不充分；③水流脈動壓強(qiáng)誘發(fā)板塊失穩(wěn)；④施工工藝或施工質(zhì)量問題；⑤運(yùn)行調(diào)度原因；⑥認(rèn)知水平的局限，等等。三峽大壩的運(yùn)行及安全問題也頗為社會所關(guān)注。事實(shí)上，三峽水庫自2003年蓄水以來，已持續(xù)開展了10多年的泄洪原型觀測，系統(tǒng)觀測了深孔135 m、156 m、172 m和表孔162 m、172 m特征庫水位泄洪消能水動力特性，重點(diǎn)考察了水流流態(tài)、動水壓強(qiáng)、水流流速、水流空化噪聲、通氣風(fēng)速、水流摻氣濃度、壩下沖刷等參數(shù)。本文對所獲得的寶貴原型系列觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與模型試驗(yàn)成果加以對比、補(bǔ)充，既為大壩竣工驗(yàn)收和運(yùn)行安全評價提供基本的依據(jù)，也有助于從一個方面澄清事實(shí)，消除社會上一些不必要的誤解和擔(dān)憂。

圖1 三峽水利樞紐平面布置

2 泄水建筑物布置與運(yùn)行

2.1 泄水建筑物布置與觀測重點(diǎn)經(jīng)過多年論證，三峽泄水建筑物布置在河床中部，電站建筑物在河床兩側(cè)，通航建筑物布置在左岸山坡[5]。盡管壩址河床開闊，但因泄洪流量大，機(jī)組臺數(shù)多，河床寬度仍嫌不足，需盡量縮短泄洪壩段長度以減少兩岸山坡開挖。因此泄洪孔口采用高程上分層布置，平面上相間布置的方式[6-7]。泄洪壩段前緣總長483 m，分為23個壩段（每個壩段寬21 m），共設(shè)23個泄洪深孔和22個泄洪表孔。

泄洪深孔布置在壩段中間，采用有壓短管接明流泄槽、跌坎摻氣的體型方案。有壓短管分為進(jìn)口段、事故檢修門槽段和壓坡段3部分，壓坡段下游側(cè)設(shè)弧形工作閘門；明流泄槽段分為直線段和反弧段。深孔順?biāo)飨蜷L113 m，單孔凈寬7 m，進(jìn)口底板高程90 m，進(jìn)口頂緣和側(cè)壁均采用橢圓曲線，有壓段出口控制孔口尺寸7 m×9 m（寬×高）。摻氣跌坎高度1.5 m（跌坎高程88.5 m），兩側(cè)各設(shè)置Ф1.4 m的通氣孔。明槽段底板坡比為1∶4，明槽段頂蓋板（樁號20+029～059 m）采用平直布置，高程102 m，布置Ф2.0 m的通氣管為閘室和明流洞補(bǔ)氣。出口設(shè)反弧段，采用常規(guī)連續(xù)挑流消能形式，反弧半徑40 m，挑角27°，鼻坎高程80 m，泄槽末端樁號20+105 m[8-9]，深孔體型布置見圖2（a）。泄洪深孔是三峽大壩宣泄洪水的主要通道，兼用作施工度汛和水庫排沙，運(yùn)用庫水位變幅大（135 m～180.4 m）。明槽段設(shè)置了跌坎摻氣，應(yīng)關(guān)注各級庫水位運(yùn)行的摻氣效果。其次，減壓模型試驗(yàn)表明有壓段檢修門槽下游頂板在高庫水位175 m時存在弱空化現(xiàn)象[10]。

泄洪表孔跨橫縫布置，為開敞式溢流堰，順?biāo)飨蜷L80.5 m，單孔凈寬8 m，堰頂高程158 m，閘門孔口尺寸8 m×17 m（寬×高）。上游堰頭采用1/4橢圓曲線x2/8.42+（4.8-y）2/4.82=1，下游堰面采用WES曲線x1.85=2×220.85y，WES下游接1∶0.7的斜直段，出口設(shè)反弧段，采用常規(guī)連續(xù)挑流消能形式，反弧半徑30 m，挑角10°，鼻坎高程110 m，泄槽末端樁號20+75.7 m，見圖2（b）。表孔設(shè)置兩道平板閘門，兩門槽間距、寬深比、錯距等均對門槽空化特性產(chǎn)生影響。一方面，門槽內(nèi)漩渦流渦心壓力低至一定程度會出現(xiàn)空化；另一方面，門槽下游側(cè)壁易導(dǎo)致水流分離而形成空化，尤其下游工作門槽布置于曲線壩面上，門槽空化受控于門槽本身形式和壩面曲率雙重影響，使得該門槽減免空化的難度加大[10-11]。工程設(shè)計(jì)階段常壓和減壓試驗(yàn)顯示，在庫水位180 m以下運(yùn)行時，堰頂附近為低壓區(qū)（但未出現(xiàn)負(fù)壓），溢流面為免空化體型，工作門槽有微弱的初生空化現(xiàn)象，挑流鼻坎末端在庫水位175～180 m時有初生狀態(tài)的微弱空化發(fā)生，但空化強(qiáng)度未隨水頭增大而加劇[12]。綜上，工作門槽下游側(cè)壁和泄槽末端挑流鼻坎是可能發(fā)生空化的高危區(qū)域。

圖2 三峽泄水建筑物示意圖

2.2 泄洪運(yùn)行情況三峽水庫自2003年蓄水以來，歷年最大入庫流量和出庫流量特征值列于圖3（a）?？梢钥闯觯畲笕霂炝髁繛?1 200 m3/s，最大出庫流量45 800 m3/s，水庫調(diào)蓄削峰作用明顯。截止2016年底，泄洪深孔累計(jì)啟閉2960次，累計(jì)運(yùn)行136 589 h；表孔累計(jì)啟閉133次，累計(jì)運(yùn)行1765 h，表明深孔為常用泄水設(shè)施。由圖3（b）可知，三峽建庫以來深孔泄洪歷時呈遞減趨勢，特別是2008年樞紐完建后，深孔泄洪歷時大體在4000 h以下，甚至個別年份未啟用。

圖3 三峽水庫歷年泄洪情況

2.3 典型洪水蓄泄過程三峽水庫自2003年蓄水以來，基本上年年均有洪水，其中2場洪水最為典型。

（1）2012年7月主汛期，三峽水庫經(jīng)歷了長江上中游區(qū)域性較大洪水。上游朱沱江段水位超歷史實(shí)測最高紀(jì)錄，寸灘江段發(fā)生自1981年以來最大洪水，7月24日出現(xiàn)了建庫以來最大入庫洪峰712 000 m3/s，約相當(dāng)于20年一遇洪水。經(jīng)過三峽水庫攔洪削峰錯峰，庫水位由155.8 m漲至163.1 m，三峽電站32臺機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行，并開啟部分深孔泄洪，最大出庫流量45 800 m3/s，其中泄水建筑物最大下泄流量約16 000 m3/s（8個深孔）。削峰35.7%，攔蓄洪量52億m3，降低荊江河段水位1.5～2.0 m。洪水蓄泄過程見圖4（a）。

（2）2008年汛后三峽水庫首次正常蓄水位175m試驗(yàn)性蓄水，在蓄水末期出現(xiàn)了一次明顯漲水過程，11月3日入庫洪峰流量達(dá)33 000 m3/s，為有水文資料以來同期最大來水，庫水位由164.3 m漲至172.6 m。11月3～10日大壩開啟了部分深孔和表孔泄洪，最大出庫流量達(dá)28 100 m3/s，見圖4（b），其中泄水建筑物最大下泄流量約15 000 m3/s（6個深孔+3個表孔）。這是三峽大壩170 m以上高庫水位深孔、表孔聯(lián)合泄洪為數(shù)不多的實(shí)例之一。

圖4 三峽大壩典型洪水過程

3 觀測方法和工況

3.1 觀測方法實(shí)施水力學(xué)原型觀測是個復(fù)雜的長期工程，包括大壩施工期儀器底座和電纜埋設(shè)、大壩泄洪期間各參數(shù)觀測記錄、后期資料整理分析和報(bào)告編寫等，通常要持續(xù)好多年。三峽大壩泄水建筑物水力學(xué)原型觀測參數(shù)（或項(xiàng)目）主要有：水流流態(tài)、動水壓強(qiáng)、水流流速、水流空化噪聲、空腔負(fù)壓和通氣風(fēng)速、水流摻氣濃度、泄洪霧化和壩下沖刷等，觀測方法見表1。

表1 水力學(xué)觀測參數(shù)與方法

3.2 觀測工況自2003以來，先后開展了3級庫水位深孔和2級庫水位表孔泄洪水力學(xué)觀測，觀測工況見表2，僅泄洪觀測就持續(xù)了12年。

表2 水力學(xué)觀測工況

4 觀測結(jié)果

4.1 泄洪深孔

圖5 三峽深孔泄洪流態(tài)

（1）水流流態(tài)。水流流態(tài)是直觀反映水流運(yùn)動特性的重要指標(biāo)。庫水位135～175 m泄洪時，深孔有壓式進(jìn)水口淹沒深度36～76 m，泄洪前緣水面總體平穩(wěn)，泄流平順，未見明顯不利流態(tài)。由于上游來流方向與深孔軸線呈一定夾角，部分深孔進(jìn)口前緣間歇性出現(xiàn)游移狀立軸旋渦，見圖5（a），直徑約1～2 m，持續(xù)時間4～5 min。水流進(jìn)入明流泄槽后表面開始摻氣，隨著庫水位升高，明流段流速加大，表面水流充分摻氣，呈白色絮狀，同時水流紊動加劇，通氣孔附近耳聞有較強(qiáng)烈的“嘯叫”聲。庫水位172 m及以上泄洪時，高速水流泄槽表面水翅裂散明顯，水面陣發(fā)性抬升噴濺，反弧段偶爾可見躍起水翅明顯高于高程94 m導(dǎo)墻頂部。出挑坎后水舌挑射下游，消能區(qū)水流翻滾劇烈，水面涌浪較大，見圖5（b）。水流出左導(dǎo)墻和右岸縱向圍堰后分別向兩側(cè)擴(kuò)散，水流徑直頂沖左岸電廠下游岸坡凸嘴處、右岸高家溪河岸，激起波浪爬高沿岸坡3～5 m，高家溪以下河道水流逐步調(diào)整平順。

泄洪形成的水霧彌漫在消能區(qū)及下游河面上，庫水位越高，下泄流量越大，霧化強(qiáng)度越大?，F(xiàn)場觀測濃霧區(qū)主要分布在高程150 m以下空間，薄霧區(qū)擴(kuò)散可超過壩頂高程185 m以上。左右兩測孔口開啟時，有時薄霧可飄散至左、右兩岸電廠屋頂?？傮w來說，三峽壩址河床寬闊，泄洪霧化影響有限。

（2）動水壓強(qiáng)。這是判別體型優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也是水流空化特性分析的重要依據(jù)，有時亦可輔助判別水流流態(tài)。各級庫水位深孔明流段底板動水壓強(qiáng)分布見圖6（a）。低庫水位135 m泄洪時，摻氣跌坎下游30 m壩面可形成明顯射流沖擊壓強(qiáng)，實(shí)測其值127 kPa。高庫水位運(yùn)行時，摻氣跌坎射流沖擊壓力區(qū)已與反弧段形成的壓力增大區(qū)域相重合，無法明顯區(qū)別，表明射落主流已接近或進(jìn)入反弧段。隨著庫水位升高，泄槽底板動水壓強(qiáng)總體呈增大趨勢，最大壓力發(fā)生在反弧段86～95 m處，之后快速衰減直至反弧末端。庫水位172.6 m實(shí)測反弧段最大動水壓強(qiáng)394 kPa，挑坎末端172 kPa。為便于對比分析，特將深孔單體1：20模型試驗(yàn)成果匯列與此，可見145 m庫水位尚有沖擊壓強(qiáng)，位置較135 m庫水位略靠下游，165 m和175 m庫水位壓強(qiáng)分布規(guī)律模型試驗(yàn)成果與原型觀測基本一致。同時，模型試驗(yàn)揭示，隨庫水位抬升，反弧段底板脈動壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差呈單向增大趨勢，175 m庫水位其值 s為50 kPa，見圖 6（b）。

（3）水流空化噪聲。正如柯乃普所說：空化是最令人討厭的水動力學(xué)現(xiàn)象，其危害既廣泛又明顯，并且嚴(yán)重地阻礙科學(xué)與工程等多方面的發(fā)展[13]?？瘴g是空化的次生現(xiàn)象，但空化與空蝕是兩個不同的概念。空化未必空蝕，空蝕必有空化?？瘴g不是單純的水動力現(xiàn)象，而是水流與固壁相互作用的結(jié)果。它是既涉及空化又涉及固壁損傷機(jī)制的極為復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象。庫水位越高流速越大，發(fā)生空化水流的可能性增大。以往模型試驗(yàn)研究表明，深孔檢修門槽區(qū)和泄槽反弧末端是空化高發(fā)區(qū)域。水流空化噪聲具有高頻特性，工程上常用水流空化產(chǎn)生的寬頻帶隨機(jī)性噪聲信號作為空化發(fā)展不同階段的判據(jù)，因此運(yùn)用空化噪聲探測技術(shù)研究水流空化問題是一種有效的技術(shù)手段。通過水下噪聲測量和分析可監(jiān)測空化的初生和發(fā)展，分析空化特性并確定空化產(chǎn)生的部位。為了避免環(huán)境噪聲干擾，水下噪聲測量和分析主要在高頻段進(jìn)行，采集分析系統(tǒng)頻率為200 kHz。重點(diǎn)分析其功率譜特性，并作1/3倍頻程處理。通常采用噪聲功率譜級差法來進(jìn)行空化特性的判斷分析，聲譜級差值ΔSPL=SPLf-SPLo，其中SPLf為特征工況運(yùn)動水流總噪聲譜級，而SPLo則為動水無空化狀態(tài)的背景噪聲譜級，選用135 m低水位或閘門小開度運(yùn)行作為背景噪聲。通常將ΔSPL值達(dá)到5 dB作為空化初生的判別指標(biāo)；當(dāng)明顯地出現(xiàn)某一類型空化時，相應(yīng)頻段ΔSPL值將達(dá)到10 dB以上；當(dāng)空化較弱，譜級差值ΔSPL介于5～10 dB之間[11-12]。實(shí)測庫水位172.6 m泄洪時，深孔檢修門槽區(qū)在整個開門過程和全開穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，高頻段噪聲譜級的跳躍均小于5 dB，表明在檢修門槽區(qū)未出現(xiàn)明顯水流空化。泄槽末端挑流鼻坎部位隨著閘門開度增大，高頻段起伏小于10 dB，表明該部位存在初生空化水流信號。

（4）摻氣空腔與通氣風(fēng)速。跌坎底部摻氣空腔形態(tài)原型無法觀測，1∶20單體模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著庫水位抬升，水舌內(nèi)緣挑距加大（175 m時主體水舌進(jìn)入反弧段），空腔回溯水流強(qiáng)度加大，摻氣空腔長度并未增大反而呈減小態(tài)勢（見圖7和表3）。庫水位165 m及以下時，空腔波動較小，空腔長度22～23 m，擺動幅值3～5 m；庫水位175 m時，空腔波動劇烈，空腔長度21 m，擺動幅值達(dá)12 m，其擺幅是165 m庫水位的2.4倍。

圖7 摻氣空腔與通氣風(fēng)速

表3 底部空腔長度隨庫水位變化

摻氣空腔負(fù)壓與通氣風(fēng)速密切相關(guān)，一般來說，空腔負(fù)壓絕對值越大，通氣風(fēng)速越大。為避免強(qiáng)烈的“嘯叫聲”和噪聲污染，規(guī)范要求平均風(fēng)速不超過60 m/s，空腔負(fù)壓-2.0～-14 kPa。各級庫水位摻氣空腔負(fù)壓值見圖8，隨著庫水位抬升，負(fù)壓絕對值增大，但均在允許范圍內(nèi)，與模型試驗(yàn)結(jié)果呈一致規(guī)律。原型實(shí)測172.6 m庫水位時摻氣空腔負(fù)壓值為-4.9 kPa。

通氣風(fēng)速由于現(xiàn)場儀器損壞未獲得原型數(shù)據(jù)，1∶20深孔單體模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著庫水位抬升，通氣風(fēng)速和單寬通氣量呈逐漸增大的趨勢。庫水位175 m泄洪時，通氣風(fēng)速達(dá)71 m/s，測算單寬通氣量為25 m3/s·m。

圖8 各級庫水位摻氣空腔負(fù)壓值與通氣風(fēng)速

圖9 深孔明流段底板摻氣濃度沿程分布

（5）水流摻氣濃度。各級庫水位深孔明流段底板摻氣濃度沿程分布見圖9。原型觀測顯示，隨庫水位升高，沿程摻氣濃度增大，極值出現(xiàn)在摻氣跌坎下游30 m附近，之后摻氣濃度快速衰減，至反弧末端降至最低。實(shí)測172.6 m庫水位最大摻氣濃度為12.9%，反弧末端最小值為2.0%。根據(jù)以往多個工程原型觀測成果，摻氣濃度3%以上即可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕目的。

（6）汛后檢查。汛后深孔過流面檢查表明：深孔檢修門槽區(qū)未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞，壩面和反弧末端亦無明顯損蝕破壞，部分深孔明流段水舌的上表面水跡有明顯抬高現(xiàn)象。過流面在高速含沙水流的長期沖刷磨損下，部分淺表砂漿被沖掉呈現(xiàn)出麻面，主要表現(xiàn)為過流面大粒徑砂石料外露、糙感明顯、細(xì)部不平整3 mm以內(nèi)，側(cè)墻過流面部位施工期間遺留的砂線和施工縫，在高速水流作用下出現(xiàn)蜂窩和細(xì)小破損[14]。

4.2 泄洪表孔

（1）水流流態(tài)。表孔開敞式溢流堰泄洪時，泄洪前緣水面平穩(wěn)，水流平順，漂浮物下排順利。壩面上游10 m以內(nèi)水流拉動明顯，水面跌落凹陷，見圖10（a）。泄洪水流繞墩頭匯入閘室后，由于流速加大，閘墩頭部表面水流脫離邊壁。閘室內(nèi)首先從兩側(cè)邊壁形成小范圍摻氣帶，逐漸向中部擴(kuò)展，至泄槽末端表面四周水體全部摻氣。由于挑角較?。?0°），挑射水流近乎平拋射向下游水墊，見圖10（b）。壩下消能區(qū)水流漩滾較為劇烈，水體呈白色泡沫狀。由于表孔開啟泄流孔數(shù)較少，泄洪霧化影響范圍有限。

圖10 表孔泄洪大壩前后景象

圖11 表孔溢流壩面動水壓強(qiáng)

圖12 表孔溢流壩面底部流速

（2）動水壓強(qiáng)。表孔溢流壩面動水壓強(qiáng)分布見圖11，兩級庫水位呈現(xiàn)相同規(guī)律，即水流進(jìn)入閘室后，沿堰頭橢圓曲線和WES曲線動水壓強(qiáng)逐漸降低，在堰頂下游25～30 m處達(dá)到最低壓強(qiáng)（仍為正壓），后受反弧段影響壓強(qiáng)陡然升高，至樁號20+060 m附近壓強(qiáng)達(dá)到最大值，之后快速衰減直至泄槽末端。實(shí)測172.6 m庫水位堰頂下游最小壓強(qiáng)5.9 kPa，反弧段最大壓強(qiáng)176 kPa，泄槽末端17 kPa。

（3）底部流速。表孔溢流壩面底部流速分布見圖12。兩級庫水位亦呈現(xiàn)相同規(guī)律，即沿流程水流流速逐漸增大，至泄槽反弧末端達(dá)到極值。并且?guī)焖辉礁撸粶y點(diǎn)測值增大。實(shí)測172.6 m庫水位WES下游段測點(diǎn)流速14.9 m/s，行至反弧起始斷面流速加大至22.9 m/s，反弧末端最大流速27.5 m/s。應(yīng)該指出的是，本測值為底部流速，實(shí)際表面水流流速將更大。

（4）水流空化噪聲。表孔工作門槽區(qū)和泄槽末端反弧是空化高發(fā)區(qū)域。庫水位172.6 m泄洪時，工作門槽后側(cè)墻和底板，開門過程中高頻段噪聲譜級均較空氣中背景略有升高，隨著閘門開度進(jìn)一步增大，高頻段噪聲譜級無明顯增大，整個開門過程及閘門全開穩(wěn)態(tài)條件下高頻段噪聲譜級與背景噪聲譜級相比升高幅值不超過10 dB，表明工作門槽區(qū)未監(jiān)測到空化水流信號。泄槽末端反弧段挑坎，啟門之初高頻段噪聲譜級較空氣中背景值上升約7～10 dB，隨著閘門開度增加，高頻段較背景值升高約10～25 dB；至閘門全開時，高頻段較背景值升高仍有10～20 dB，表明開門過程中及全開穩(wěn)態(tài)條件下，反弧挑坎部位存在輕微空化水流信號。

（5）汛后檢查。汛后過流面檢查表孔流道未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞。

4.3 壩下河床沖刷三峽大壩壩址基巖為堅(jiān)硬完整的花崗巖，地質(zhì)條件良好，具有修建混凝土高壩的優(yōu)越地形地質(zhì)條件，故泄水建筑物采用挑流消能。河床壩段建基面高程較低，最低為4 m，一般在40 m以下[9]。左導(dǎo)墻壩段建基面10 m，下游堤頭低至-8 m。

圖13 泄洪壩段下游歷年沖刷縱剖面圖

表4 壩下沖刷特征值（原型觀測）

表5 壩下沖刷特征值（1∶100水工模型試驗(yàn)）

由挑流沖刷深度估算公式并結(jié)合三峽工程實(shí)際，壩下河床沖刷深度與庫水位、下游水位（水墊深度）、下泄流量與運(yùn)用方式（如機(jī)組、深孔、表孔、開啟方式）等因素密切相關(guān)。根據(jù)2003年12月、2008年4月、2009年3月和2012年11月三峽壩區(qū)水下地形，繪制了泄洪壩段下游歷年沖刷縱剖面圖（見圖13），沖刷深度特征值見表4。

tk=kq0.5H0.25

式中：tk為水墊厚度，自水面算至坑底，m；k為沖刷系數(shù)，與基巖構(gòu)造、節(jié)理裂隙特性有關(guān)；q為單寬流量，m3/（s·m）；H為上下游水位差，m。

三峽深孔、表孔經(jīng)過2003—2018年泄洪運(yùn)行考驗(yàn)，庫水位變化范圍135～175 m，下游水位66.0～71.5 m，2008年工程完建后最大出庫流量46 000 m3/s，泄水建筑物最大下泄流量約16 000 m3/s。其中2003～2007年，三峽工程仍處于施工期，深孔參與施工度汛，運(yùn)用庫水位較低（135～156 m）。2003年12月水下地形為深孔135 m水位運(yùn)行1個汛期后地形，消能區(qū)沖刷地形較為平坦，高程多在30～40 m之間，泄洪8#和18#壩段下游出現(xiàn)兩個沖坑，其最深點(diǎn)高程分別為26.5 m和24.5 m，距深孔鼻坎146 m。2008年4月地形可以認(rèn)為是工程完建后的初始地形，2009年3月地形是三峽水庫首次高庫水位（172.6 m）泄洪沖刷形成，沖坑最深點(diǎn)高程20.8 m，位于泄洪7#壩段下游117 m，折算其上游坡比為1∶6，遠(yuǎn)緩于規(guī)范要求的1∶2.5。2012年12月地形為建庫以來最大入庫洪峰712 000 m3/s經(jīng)攔蓄削峰泄洪沖刷形成的，雖然最大出庫流量45 800 m3/s，但庫水位較低（163 m以下），下游水位較高，故壩下地形不沖反淤。1∶100水工模型試驗(yàn)壩下沖刷結(jié)果[15]見表5，與原型沖刷相近工況總體一致。

5 分析與討論

應(yīng)該指出的是，三峽深孔在高庫水位（172 m以上）泄洪時出現(xiàn)了特殊的水力現(xiàn)象，明流泄槽段水面間歇性躍升，水翅陣發(fā)性噴濺。庫水位135 m、156 m和162 m深孔泄洪均未出現(xiàn)，是高庫水位泄洪特有的一種流態(tài)。其不利影響主要有二：一是少許水流翻越導(dǎo)墻外溢；二是引起附近壩體輕微振動。

高庫水位運(yùn)行深孔高速摻氣水流是復(fù)雜的水氣兩相紊流，水翅陣發(fā)性噴濺的成因和機(jī)理目前尚不完全清楚，超出當(dāng)前認(rèn)知邊界，但可從水流自摻氣（內(nèi)因）、摻氣跌坎和反弧段邊界條件（外因）、進(jìn)口漩渦（外因）等方面展開討論。原型觀測并結(jié)合深孔單體1∶20模型試驗(yàn)成果初步分析認(rèn)為：①高庫水位運(yùn)行水流流速高（約35 m/s），水體紊動劇烈，水流表面發(fā)生自摻氣容易失穩(wěn)，175 m庫水位反弧段底板脈動壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差為50 kPa（是165 m庫水位的1.5倍）；②高庫水位底部摻氣空腔回溯水流擺動幅值加大，通氣風(fēng)速和空腔負(fù)壓紊動增強(qiáng)。175 m庫水位空腔回水?dāng)[動幅值達(dá)12 m（是165 m庫水位的2.4倍）；③跌坎水舌內(nèi)緣落點(diǎn)進(jìn)入反弧段，泄槽水面波動較大，反弧段底板及側(cè)壁動水壓強(qiáng)紊動劇烈，部分測點(diǎn)瞬時最大值和最小值之差達(dá)412 kPa；④氣泡逸出膨脹破裂引發(fā)；⑤進(jìn)口漩渦的不良激勵；⑥以上諸因素的疊加等。由此可以得到以下啟示：①復(fù)雜邊界的高速水氣兩相流應(yīng)引起足夠重視，三峽深孔1∶20單體模型可能是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室能做到的最大尺度物理模型（流量1.3 m3/s，高度達(dá)6 m），仍存在明顯縮尺效應(yīng)，雖可揭示空腔回水?dāng)[動特性，但卻不能預(yù)演（復(fù)演）水翅陣發(fā)性噴濺現(xiàn)象。而復(fù)雜邊界的摻氣水流三維數(shù)值模擬技術(shù)更不成熟；②深孔運(yùn)行水位變幅大（135～180 m）加大了底部摻氣設(shè)計(jì)難度，應(yīng)避免摻氣水舌落點(diǎn)進(jìn)入反弧段，邊界微小變化亦可能對水流產(chǎn)生較大波動；③任何運(yùn)行工況（特別是高水位）保持底部穩(wěn)定的摻氣空腔至關(guān)重要，既可確保穩(wěn)定補(bǔ)氣又可避免對主體水流擾動。

水工水力學(xué)是門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，特別是對于復(fù)雜邊界的高速水氣兩相流問題，仍需要不斷的理論探索和實(shí)踐檢驗(yàn)。

6 結(jié)論

三峽大壩泄水建筑物高速水流空化空蝕和壩下挑流沖刷是評價其安全運(yùn)行的主要指標(biāo)。原型觀測結(jié)果顯示，泄洪深孔、表孔過流面未見空蝕和泥沙磨損破壞，壩下挑流消能區(qū)沖坑最深點(diǎn)高程20.8 m，高于建基面，折算其上游坡比1∶6，遠(yuǎn)緩于規(guī)范要求的1∶2.5，表明三峽大壩泄水建筑物布置總體是成功的。自2003年三峽水庫蓄水以來，經(jīng)受了16個汛期特別是2012年最大入庫洪峰流量71 200 m3/s（約相當(dāng)于20年一遇洪水）的考驗(yàn)，泄水建筑物運(yùn)行調(diào)度正常。同時應(yīng)該指出的是，深孔雖然泄洪歷時較長，但大多在中低庫水位165 m以下運(yùn)行，170 m庫水位以上泄洪較少，表孔泄洪歷時較短。高庫水位、低下游水位運(yùn)行是其泄洪消能特性評價的控制工況。