唐河水電站泄洪閘模型試驗(yàn)研究

郭天明

1 工程概況

唐河水電站壩址位于靈丘縣東河南鎮(zhèn)韓淤地村西170m處，距縣城約22km，最大壩高30.4m，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物有攔河壩、泄洪閘、灌溉洞和供水管道取水口。

泄洪閘布置在河床左段，面板堆石壩與混凝土重力壩之間，樁號(hào)為0+069—0+115.5。泄洪閘軸線與大壩軸線垂直，最大泄洪量2033m3/s，設(shè)計(jì)泄量1729m3/s。

泄洪閘由進(jìn)口段、閘室段、消力池、海漫段及鉛絲籠段組成，總長(zhǎng)173.5m。進(jìn)口段長(zhǎng)35.93m（樁號(hào)為0-038.54—泄0+000），底高程1037.0m，進(jìn)口為帶胸墻的寬頂堰，底板高程1048.0m，共5孔，每孔凈尺寸為6.5m×6.5m，閘室底板和閘墩為混凝土。閘室段長(zhǎng)26.5m，樁號(hào)為泄0+000—泄0+026.5，閘室總凈寬41.5m。閘室后接消力池，池長(zhǎng)35m，樁號(hào)為0+026.5—0+073.5，池寬41.5m，池深3m。消力池前設(shè)一段12m長(zhǎng)的陡坡，坡度1∶4.0。消力池及陡坡均為混凝土。消力池后接海漫，長(zhǎng)度為50m，樁號(hào)為0+073.5—0+123.5，上游寬41.5m，下游寬41.5～53.8m。海漫底板與側(cè)墻均為混凝土，海漫左側(cè)墻長(zhǎng)50m，與海漫軸線呈4°夾角。左側(cè)墻長(zhǎng)為25m，與軸線呈10°夾角。海漫后為長(zhǎng)50m的鉛絲籠，樁號(hào)為0+123.5—0+173.5。鉛絲籠寬103.8m，其后接河道，河道表面為混合土卵石和作物等，河道不夠規(guī)則。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

在保證模型水流流態(tài)與原型相似的條件下，根據(jù)原型泄洪閘等建筑材料和尺寸及試驗(yàn)場(chǎng)地情況，同時(shí)按照水工模型試驗(yàn)的有關(guān)規(guī)程，確定幾何比尺為100。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及模型布置

2.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由八部分組成，即：模型水庫(kù)、模擬試驗(yàn)段、退水槽、退水渠、地水庫(kù)、水泵、流量計(jì)和控制閥。水泵從地下水庫(kù)抽水，經(jīng)流量計(jì)量后送入模型水庫(kù)，流經(jīng)模型試驗(yàn)段后，經(jīng)退水槽和退水渠流回地下水庫(kù)，流量大小由控制閥調(diào)節(jié)。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)段主要包括閘室段、消力池、斜坡、海漫段、鉛絲籠段及下游河道。本文主要研究泄洪閘5孔全開(kāi)時(shí)在設(shè)計(jì)水位和校核水位下泄流時(shí)的水流特性。模型測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。其中，測(cè)線1是沿泄洪閘中線的方向布設(shè)，測(cè)線2是沿主河道的方向布設(shè)。

圖1 模型測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2.3 模型材料

根據(jù)原型材料和模型糙率比尺，閘室段、消力池、斜坡及海漫段皆用有機(jī)玻璃制作，鉛絲籠段用網(wǎng)砂包石子模擬，河道表面用水泥沙漿摻細(xì)小碎石模擬。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 庫(kù)水位與泄量之間的關(guān)系

圖2 庫(kù)水位與泄量的關(guān)系

從圖2可以看出：在相同流量條件下，設(shè)計(jì)工況Qv=1729m3/s庫(kù)水位的試驗(yàn)結(jié)果與水力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果基本相同；流量小于設(shè)計(jì)工況時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的庫(kù)水位略高于水力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果，最大偏差不超過(guò)0.204%；流量大于設(shè)計(jì)工況時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的庫(kù)水位低于水力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果，最大偏差不超過(guò)0.384%。

3.2 泄洪閘全開(kāi)時(shí)沿主河道方向的水面線分布

泄洪閘全開(kāi)時(shí)，在設(shè)計(jì)流量與校核流量?jī)煞N工況下，沿主河道的水面線分布如圖3所示。

圖3 （a） 設(shè)計(jì)工況下沿主河道水面線

圖3（b） 校核工況下沿主河道水面線

從圖中可以看出，在5孔泄洪閘全開(kāi)泄洪時(shí)，在消力池后海漫入口附近，均出現(xiàn)較明顯的水面降落，之后沿泄洪閘中線兩側(cè)從海漫、鉛絲籠一直延伸至下游河道，在下游河道樁號(hào)泄0+273.5—0+290.0附近形成壅水，壅水最高可達(dá)4.5m。壅水前，沿泄洪閘中線兩側(cè)河道內(nèi)水深較淺，水流較急，且這種流態(tài)偏向中線右側(cè)，其最大橫向（與壩軸線平行）距離達(dá)到140m左右。水流流出鉛絲籠進(jìn)入下游河道，在鉛絲籠最右側(cè)出口水流進(jìn)入主河道，形成較大水深的河道主流，與壅水后中線來(lái)流匯合流向下游。

3.3 不同流量工況下的流態(tài)分析

不同流量工況下，泄洪閘、消力池、海漫及鉛絲籠各斷面的Fr數(shù)如表1和表2所示。

表1 校核工況下Fr數(shù)

表2 設(shè)計(jì)工況下Fr數(shù)

根據(jù)表1和表2可知，設(shè)計(jì)流量和校核流量工況時(shí)，消力池內(nèi)水流均為緩流，泄洪閘、海漫及鉛絲籠內(nèi)水流為急流。