为了掌握江垭水库泄洪建筑物的实际运行情况，避免工程在不利工况下长期运行，以确保大坝及泄水建筑物的安全，并验证工程设计及物理模型试验成果和数学模型计算成果，且为工程竣工验收提供科学依据，长江科学院水工研究所和湖南省水电院科研所联合于2001年、2002年汛期两次开展了大坝水力学原型观测。

（一）观测部位和内容

1）观测部位包括2号中孔，1号、2号表孔，大坝上游300m 以内水域，坝下约1000m以内范围的流态，挑流水舌的轨迹及其雾化影响等。

2）主要观测内容包括：①上游水位及坝前流态，下游水位及坝下游河道流态，包括电站尾水渠及引航道出口流态、波浪等；②表孔、中孔过流时的坝面流态、水面线、水舌轨迹，高、低坎水舌碰撞角、水舌最远挑距和最大扩散宽度；③过流面的时均压力和脉动特性、近壁流速、水下噪声；④表孔及中孔通气管风速、进气量以及水流掺气浓度；⑤泄洪雾化范围及特性；⑥下游河床冲刷及岸边淘刷。

（二）观测条件

2001年汛期对中孔单独运行进行了4种闸门调度方式的泄洪观测，即①2号中孔开2m；②2号中孔开4.5m；③1号孔、3号中孔开2m，2号中孔开5m；④1号、2号、3号中孔均开5m。依次为工况1～4。上游水位212.63～212.76m，下游水位124.24～125.94m，下泄流量145～1200m3/s。

2002年汛期对中、表孔进行了3种闸门调度方式的泄洪观测，即⑤1号、2号、3号中孔全开；⑥1～3号中孔全开和2号、3号表孔开3m；⑦1～3号中孔全开，1～4号表孔开启3m。依次为工况5～7。上游水位230.91～229.65m，下游水位136.20～138.76m，下泄流量2500～3850m3/s。

（三）观测的主要成果

1.水流流态

2001～2002年原型观测的7种工况基本验证了模型预示的水流流态。

1）坝上游流态。中孔单独运行和中、表孔联合运行时，在145～3580m3/s的泄洪流量范围内，上游库面平稳，对右岸码头和左岸上游引航道水域无不利影响。

2）坝面及挑流水舌情况。

（a）2号中孔单独泄流时，水舌过掺气坎后一片乳白。水舌跌落在反弧面上以后，向两侧扩散，未受或部分受边导墙的约束，入水面较宽，呈扇形，宽约97～117m，偶尔有分散水股冲击岸坡。外缘水舌挑距115～120m。

（b）3个中孔运行时，中央2号孔与1号、3号边孔由于横向扩散，两两相撞，激起两道水冠。1号、3号边孔水舌受边导墙的约束，使入水宽度减小到86～95m，偶尔有小量裂散水股溅落在左岸坡上，水舌外缘挑距117～130m。

（c）中孔和表孔联合运行时，坝面水舌经过掺气槽后同样一片乳白，水舌受到边导墙的约束。当边表孔泄洪时，水体与边导墙的碰撞减弱。水舌入水宽度为100～106m，高坎与低坎水舌的碰撞角为51°～54°。高坎水舌最高点高程为193m，碰撞后的水舌最高点高程为170～171m。

从趋势看，挑流水舌在坝下的挑距和挑高随闸门开度增大而增大，随库水位升高而增大，高、低坎水舌碰撞使低坎水舌挑距有所减小，挑高略有降低；随着1号、3号中孔和2号中孔开度的接近，水舌掺混加剧，挑距有所减小；边表孔的开启约束了低坎水舌的横向扩散，并使挑距有所增加；水舌入水宽度可以通过调度来控制，中孔泄洪时，三孔闸门应均匀开启，至少应左右对称开启；中孔与表孔联合泄流时，应先开边表孔，再开中表孔。

3）坝下游流态。7种工况运行时，下游河道水流都基本顺畅，大部分范围内无折冲水流或回流。中孔运行时，电站尾水渠以下河道水面波动小，浪高0.5m左右。中、表孔联合运行时，下游水位高，尾水渠被淹没，尾水洞出口为回流区。电站尾水渠至下游引航道口门区的波浪高达2m，最高达3m，坝下桥附近波浪高小于1m。

2.泄洪雾化

（1）泄洪雾化的雾区范围

江垭大坝泄洪雾化浓，雾区主要分布在水舌溅落区两岸坡及下游河床上空。在7种泄洪工况下，浓雾最高升腾高程约为230m，最大扩散宽度约为250m，最远飘移距离距坝轴线约600m，主要分布在两岸上坝公路之间的岸坡及河面上空。薄雾最大升腾高程约280m，最宽约500m，最远距坝轴线1000m。

在7种工况下，左岸上坝公路均处在薄雾区范围内，基本不影响交通。右岸上坝公路在6号冲沟下游50～100m范围内处在浓雾区，能见度低，影响正常交通。开关站附近基本为无雾区。

（2）泄洪雾化的降雨强度

为监测江垭大坝泄洪雾化降雨影响范围及强度，在坝区下游两岸布置24个雨量点。在7种工况下，坝顶、右岸开关站、左岸5号冲沟顶（原拌和楼平台）、坝下桥等处的降雨基本为零。Ⅲ级以上降雨强度（s≥10mm/h）分布于距坝轴线约600m以内的左、右岸坡或公路（右岸）上，1mm/h以下的降雨最远可达1000m以外的坝下桥附近。

在Ⅰ级（s≥600mm/h）～Ⅱ级（600mm/h≥s≥200mm/h）降雨区，暴雨倾盆，狂风大作。最大实测降雨强度达2314mm/h，位于左岸旧温泉房顶，发生在工况6。工况4时，导流洞出口顶上方的雨强也达2226mm/h。

在工况1～4条件下，泄洪雾雨对地下电厂的交通影响较小，电厂交通洞口附近最大降雨强度约为10mm/h；在工况5～7条件下，交通洞口附近降雨强度在11mm/h以上，车辆通行较困难。

泄洪雾雨对上坝公路的影响：右岸上坝公路最下层（高程148～185m）在工况1～4条件下，雨强为3.3～33.1mm/h，汽车尚能通行；在工况5～7条件下，雨强为32～129.7mm/h，风雨推力极大，汽车通行非常困难。右岸上坝公路第二层，在工况5～7条件下，雨强低，在8mm/h以下，汽车可以通行。左岸上坝公路大部分路段基本无雨，在工况7条件下，雨强仅7.5mm/h，不影响车辆通行。

3.动水压力特征及流速

（1）2号中孔动水压力特性

在观测工况条件下，中孔进口曲线段及门槽区的时均压力为13×9.81～31×9.81kPa，脉动压力均方根值不足0.4×9.81kPa，脉动主频在1.2Hz以下。中孔有压段接近出口的顶、底缘时均压力均为正压，最大脉动压力均方根值不足0.7×9.81kPa。有压段出口底缘实测最低时均压力为1.28×9.81kPa，出现在库水位H上=230.9m，3孔全开工况。

以上情况表明，中孔有压段时均压力与模型值相近，水力特性正常，在观测工况条件下，产生空化水流的可能性小。(www.daowen.com)

中孔掺气槽侧壁，时均压力为-（0.27～0.41）×9.81kPa，脉动压力均方根值为（0.06～0.37）×9.81kPa，有利于通气设施正常工作。掺气槽下游坝面20m范围内，时均压力为（0～0.27）×9.81kPa，坝面反弧段上均为正压，并且与模型值有较好的相似性。水舌跌入坝面后未引起不利的动水荷载和可能引起空化的特性。

（2）1号边表孔动水压力特性

中、表孔联合泄流时（工况7），掺气坎上游直线段压力均较小，时均压力值为（0.75～0.88）×9.81kPa，掺气坎下水舌底空腹内的时均压力为-（0.41～0.46）×9.81kPa，说明掺气设施处于正常工作状态；水舌跌入坝面时未形成明显冲击力，坝面压力沿程上升。由于受右边导墙收缩影响，挑坎处的侧壁压力4.77×9.81kPa和脉动压力均方根值4.91×9.81kPa均高于反弧底侧壁压力3.05×9.81kPa和脉动压力均方根值1.25×9.81kPa。此外，在相近工况下，原型和模型的时均压力值较为接近。

2号中表孔坝面压力特性与1号边表孔分布规律基本一致，特性正常，在观测工况下未发现可能产生空化及不利动水荷载的现象。

（3）近壁流速

在中孔泄流条件下，H上=212.7～230.9m范围内，掺气坎顶流速约20.3～26.4m/s；挑流鼻顶流速为26.8～32.7m/s，靠近侧导墙处流速为23.3～27.4m/s。

在中、表孔联合泄流条件下（工况7），1号表孔掺气坎顶流速为23.3m/s，挑流鼻坎侧壁处流速为31.9m/s。2号表孔堰顶侧壁流速为8.9m/s，挑流鼻坎流速为23.7m/s。

4.水流掺气浓度和通气管风速

为了防止溢流面空化空蚀，在1号、4号表孔和2号中孔出口坝面各设置了一道掺气槽，双侧供气，通气管直径为1m。在1号、3号中孔出口坝面各设一道掺气槽，单侧供气，通气管直径为1.3m。

（1）水流掺气浓度

在观测工况条件下，2号中孔掺气坎下游坝面的掺气浓度为7.6%～31.4%，并且随水位升高，掺气浓度加大。另外，坝面掺气浓度沿程下降，在反弧底达到最低值（7.6%），但足以满足减免空蚀的要求。

1号表孔泄流时（工况7），坝面反弧起点及其以上直坡段的近壁掺气浓度大于或等于7.8%；在1号表孔泄流（工况7）及不泄流（工况3～6）时，其反弧底及挑坎处近底侧壁掺气浓度为2.7%～7.6%，亦可满足掺气减蚀的要求。

（2）通气管风速及通气量

经观测和计算表明，1号、2号中孔通气管风速随库水位的升高明显增大，1号中孔通气管最大断面平均风速为52.7m/s，相应最大总进气量为69.9m3/s；2号中孔通气管最大断面平均风速61.7m/s，相应最大总气量为96.9m3/s，满足通气管风速不大于60m/s的规范要求，中孔水舌的气水比已达11%～15%。1号表孔通气管最大断面平均风速为50.9m/s，相应总进气量为80.0m3/s，气水比达29%。

以上情况表明，在观测条件下，中、表孔掺气设施运行正常，效果良好，满足通气免蚀要求。

5.水下噪声

1）2号中孔水下噪声特性。观测表明，在H上=212.7m，闸门开启2～5m时，中孔有压段及明流段均未发现蒸汽型空化迹象；在H上=231m，闸门全开时，有压段仅在门槽区，明流段仅在挑流鼻坎处发现有初生蒸汽型空化，由于坝面掺气浓度大，不会引起空蚀。

2）1号、2号表孔水下噪声特性。观测表明，1号表孔各测点噪声谱级在50kHz以上的频段重合于背景或差值不足3dB，未发现蒸汽型空化特性；50kHz以下低频段噪声谱级差也很小，不会引起空蚀。2号表孔各测点噪声谱级仅表现为一般水流特性，未发现空化特征。

6.下游河床冲淤

江垭水库下游河床冲刷区为厚层滑石质灰岩与白云质灰岩，岩石新鲜，无夹层。河床1.4m以上为弱风化，1.4m以下为新鲜基岩，波速大于4200m/s，完整系数大于0.55，岩溶不发育，岩芯完整，岩块粒径50cm以上，岩石抗冲流速约8m/s。大坝泄洪前河床高程约121.5～124.5m，河床表层为施工弃渣。

自1999年江垭大坝中孔第一次泄洪后，2000～2002年汛期多次泄洪，河床经历了多种泄洪方式的冲刷。其中2002年汛期原型观测时最大泄流量是3580m3/s，平均泄量3040m3/s，历时10h。在经历了2002年230.9m 库水位条件下的泄洪后，测量了坝下600m河床地形图。

观测结果表明，河床冲刷最深处在河中心附近，冲坑最低高程约114.0m，较2000年地形约冲深8m，最深点距低坎118～138m，与工况1～7水舌外缘挑距115～130m基本一致，冲坑后坡比约为1∶12，河床两岸附近仅有2个浅坑。坝下河道两侧地形一般高于或略低于2000年地形，最深冲刷高程未低于弱风化带下限。河床沿泄洪中心线有80m范围低于2000年地形，其中有35m低于弱风化带下限，基岩最大冲深不足5m。

在距河中心最深冲坑下游约100m后，有一较大面积堆丘，如以126m高程为界，则堆丘最大长度约140m，最大宽度约70m，堆丘顶部高程为128.4m。在鼻坎以下90m范围内，河床基本未冲刷或淘刷；在电站尾水渠附近及其下游河道，河床高程一般为124～124.5m，基本为天然河床形态，电站尾水渠及引航道口门区没有淤积现象。

在水工整体模型上曾对下游河床进行了各种泄洪方式的冲刷试验。为安全计，曾按6m/s抗冲流速选择动床砂。对比模型和相近工况的原型观测成果发现，原型河床冲刷总体上好于模型试验情况。如与工况7相似的情况，模型河床中央的最低高程为100.2m，距低坎距离为80.1m，冲坑上游坡比为1∶3.3，而原型最低高程为114m，冲坑距低坎118m，冲坑上游坡比为1∶11.2。由此，相近工况下，原型冲深比模型浅13.8m，最深点距低坎远37.9m。左、右两岸的冲刷也与此类似，原型冲深比模型相应浅8.6～8.7m；最深点距低坎原型比模型相应远7.9～19.9m。模型岩石的冲刷系数约为K=1.35，原型K=1.1～1.18。

2002年原型观测的泄洪流量已接近100年一遇的消能防冲标准，库水位比设计低5m。由于相近泄洪条件下，原型冲刷明显轻于模型，预计校核条件下（5000年一遇洪水），大坝泄洪不会危及自身的安全。

（四）小结

1）原型运行和观测表明，大坝泄洪时的水流流态及各项水力特性值，原型和模型以及设计计算值都有较好的一致性，采用中、表孔双层布置泄洪，高、低坎挑流空中碰撞消能方案是成功的，泄洪建筑物的体形设计也是可行的。在科学合理的调度方式下，水舌可以不打两岸护坡，下游河床冲刷较浅，不会对大坝安全构成威胁。为了减轻水舌和雾雨对近坝两岸边坡的冲刷，应尽可能用两边中孔对称开启方式替代中央中孔单独开启方式，用边表孔与中孔联合泄流方式代替中孔与中表孔联合泄洪方式，且闸门开度须严格控制在模型试验成果要求的范围内，并留有余地。

2）大坝泄洪时所产生的雾化现象较为明显，强降雨区主要集中在坝轴线以下600m以内的两岸山坡，应提高相应区域的防护标准，以免引起大的地质灾害。

3）下游河道两岸至坝下桥范围内未作护坡部分的岸边冲刷较为严重，多处发生崩岸现象，局部已危及上坝公路安全，宜延长河道两岸护坡长度至坝下桥。