綽斯甲水電站泄洪閘水工模型實驗效果分析

王 劍 曾海釗

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072)

綽斯甲水電站泄洪閘水工模型實驗效果分析

王 劍 曾海釗

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072)

為了使水電站建筑物設(shè)計指標更加合理，本文對綽斯甲水電站泄洪閘進行了水工模擬實驗，對試驗數(shù)據(jù)進行了分析。試驗結(jié)果表明：沖沙閘、泄洪閘聯(lián)合泄洪能力和單獨泄能力均滿足要求，為水電站調(diào)度優(yōu)化和驗證下游岸坡防護工程設(shè)計參數(shù)提供了參考依據(jù)。

水電站；泄洪閘；模擬實驗

1 工程概況

綽斯甲水電站位于大渡河流域綽斯甲河中游，地處四川省阿壩藏族羌族自治州壤塘縣蒲溪鄉(xiāng)。工程由泄洪閘、沖沙閘、排污閘、左右岸連接壩段及取水口等建筑物組成。壩頂全長134.50m，閘壩頂高程2790.00m，最大閘高27.50m。正常蓄水位2788.00m，汛期運行水位2785.00m，死水位2784.00m，設(shè)計洪水位2781.12m，校核洪水位2784.90m。水電站泄洪和庫區(qū)沖沙形式為“正向泄洪、沖沙，側(cè)向取水”，在主河床位置布置3孔泄洪閘，左岸緊靠進水口布置沖沙閘及排污閘各1孔。電站裝機390MW，總庫容116.20萬m3。綽斯甲水電站是一座單純以發(fā)電為主的大（2）型水電站工程。

綽斯甲河發(fā)源于青海省班瑪縣，其流域北為巴顏喀拉山脈南東段，南西為大雪山脈，東臨邛崍山脈北段。河流上游分為杜柯河和色爾曲兩源，杜柯河為主源。杜柯河在匯入色爾曲后始稱綽斯甲河。干流總長400.50km，流域面積15935km2，其中四川境內(nèi)（魚托鄉(xiāng)至綽斯甲河口）長約221km，天然落差1278m，河道平均比降5.78‰。

2 試驗?zāi)康呐c內(nèi)容

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過水工泥沙模型試驗進行綜合研究，以驗證和優(yōu)化首部樞紐整體水流條件、泄流能力等，確保電站庫區(qū)沖沙、庫區(qū)排沙及下游消能防沖能力，并為驗證和優(yōu)化水電站調(diào)度運行方式和下游岸坡防護提供試驗依據(jù)。

2.2 試驗內(nèi)容

a.壩前庫區(qū)（試驗段）總體水流流態(tài)及沖沙閘、泄洪閘、排污閘等各泄水建筑物進流流態(tài)觀測，消除可能出現(xiàn)的不良水流現(xiàn)象。

b.觀測沖沙閘、泄洪閘（單孔和組合泄流）的泄流能力，提供水位—流量、水位—流量系數(shù)關(guān)系曲線；提供下泄特征洪水［如設(shè)計洪水（P=1%）、校核洪水（P=0.1%）、下游消能防沖設(shè)計洪水（P= 2%）等］相應(yīng)上游庫水位。

c.當河道流量在650～1580m3/s時，分別觀測沖沙閘、泄洪閘在汛期排沙運行水位下不同開度與泄流量關(guān)系，提供相應(yīng)開度—流量關(guān)系曲線。

d.觀測下游水流運動形態(tài)。

e.通過試驗對下游消能設(shè)計進行修改比較優(yōu)化；提供出口下游動床沖刷地形、流速分布和岸邊流速、岸坡涌浪等觀測成果，提出岸坡防護措施建議。

f.庫區(qū)攔沙效果和優(yōu)化閘前導(dǎo)、排沙設(shè)施布置；通過選定的避峰流量650m3/s及135m3/s（汛期徑流P=50%）模擬庫區(qū)、閘前的泥沙運動狀況及首部樞紐排沙效果；結(jié)合推移質(zhì)運動觀測，調(diào)整導(dǎo)（攔）沙設(shè)施的布置［1］。

g.中水年庫段輸沙過程試驗（汛期過程）。在導(dǎo)（攔）沙設(shè)施調(diào)整優(yōu)化基礎(chǔ)上，以設(shè)計提供的沖淤平衡地形鋪墊，并經(jīng)適當流量進行調(diào)整運行后的淤沙地形為庫區(qū)沖淤試驗初始地形，按代表年入庫水沙條件進行輸沙過程系列試驗，驗證庫區(qū)（試驗段）泥沙運行及調(diào)度的綜合性能；通過輸沙過程系列試驗，提供庫區(qū)（試驗段）輸沙過程中各次敞泄排沙前后有關(guān)時段淤積形態(tài)、庫容變化情況以及電廠取水口引水含沙量（總含沙量和d≥0.25mm顆粒情況）；提供輸沙過程前與輸沙過程完成后相應(yīng)庫區(qū)試驗段（包含泄洪沖沙閘前、取水口前范圍）流速分布。

3 模型設(shè)計及驗證

3.1 模型設(shè)計

根據(jù)模型試驗任務(wù)要求，模擬涉及首部樞紐水工水力學、水電站泥沙淤積、取水口庫區(qū)沖沙等，保證水流和泥沙運動相似，本模型為比尺λl=40和λh= 40的正態(tài)模型。本模型按重力相似準則進行設(shè)計，其各項相似關(guān)系和相似比尺如下：

長度比尺：λL=40；

流量比尺：λQ=λL2.5=402.5=10119.30；

速度比尺：λv=λL0.5=400.5=6.325；

糙率比尺：λn=λL1/6=401/6=1.849；

時間比尺：λt=λL0.5=400.5=6.325。

經(jīng)過計算，推移質(zhì)粒徑比尺、輸沙率比尺和推移質(zhì)運動時間比尺分別為λd（推）=40、λgb=252.98、λt（推）=6.33。

3.2 河床沙級配

本河段為卵石夾沙河道，模型試驗采用的床沙級配換算后見下表和圖1。

綽斯甲水電站床沙顆粒級配成果表

圖1 綽斯甲水電站床沙顆粒級配

推移質(zhì)泥沙試驗，根據(jù)設(shè)計提供的多年河床淤積粒徑級配，按推移質(zhì)粒徑比尺換算，選用天然沙模擬原型沙［2］。

3.3 模型制作與水面線驗證試驗

此次模型試驗?zāi)M河道總長1.40km，壩址以上0.90km，壩址以下0.50km。模型由前池、庫區(qū)、壩段、泄水建筑物、電站取水口、下游河段等部分組成，其中取水口及泄水建筑物全部采用有機玻璃制作。下游水位控制斷面在0+400處，按照設(shè)計提供的該斷面水位—流量關(guān)系確定（見圖2）。

圖2 斷面水位—流量關(guān)系

為滿足該樞紐模型試驗研究和驗證的需要，在模型河床布置了7個斷面，左右兩岸分別對稱布置水位測點，共14個測點。試驗中分別在134m3/s、262m3/s、650m3/s、984m3/s和1580m3/s五級流量情況下，測量試驗河段的水面線，其資料作為校核該模型糙率與原型河道糙率相似的依據(jù)。

水面線驗證試驗結(jié)果表明：模型河道采用的水泥砂漿抹面糙率偏小，實測模型水位偏低，因此，對模型河床采用水泥砂漿塊體加糙，經(jīng)反復(fù)調(diào)整加糙塊體間距，達到了模型河道水面線與原型河道水面線的基本相似。通過加糙，五種流量下試驗測量水位與設(shè)計提供水位的最大誤差為_0.13m，因此，可認為模型河道糙率與原型基本滿足阻力相似要求［3］。

4 試驗效果分析

4.1 泄流能力驗證

模型試驗對沖沙閘、泄洪閘單獨泄洪和聯(lián)合泄洪分別進行了泄流能力驗證。沖沙閘全開時綜合流量系數(shù)范圍：堰流流態(tài)時為0.30～0.33，閘孔出流流態(tài)時為0.55～0.72；單開1孔泄洪閘流量系數(shù)范圍：堰流流態(tài)時為0.30～0.31，閘孔出流流態(tài)時為0.60～0.70；泄洪沖沙閘全開的流量系數(shù)范圍：堰流流態(tài)時為0.32～0.36，閘孔出流流態(tài)時為0.61～0.67。來流為1750m3/s（設(shè)計流量p=1.0%）與2320m3/s（校核流量p=0.1%）情況下，相應(yīng)庫水位分別為2780.16m與2783.94m，均低于設(shè)計計算值，表明該工程能滿足泄量要求。

4.2 水流流態(tài)分析

試驗觀測結(jié)果表明：當水位在2782.00m以下時，閘室進口處為明流，沖沙閘和2號泄洪閘均能對稱均勻入流，1號和3號泄洪閘的水流不對稱；水位在2782.00m以上時，各泄水建筑物進口流態(tài)、閘室段流態(tài)均較好。

水流流出尾墩時較均勻，沖沙閘在樁號0+ 050.00附近形成水躍，泄洪閘的下泄水流在護坦上擴散，水流擴散后在樁號0+065.00附近形成水躍，水流在該段摻混劇烈，形成旋滾水流，受貼腳和尾墩作用，流出護坦后基本在河道中間，左右兩側(cè)形成回流。

4.3 壩下游動床沖刷分析

實測下游消能防沖洪水閘室末端沖沙閘中心線上流速為11.52m/s，泄洪閘1號、2號、3號孔中心線上流速分別為12.69m/s、11.19m/s、10.43m/s；實測下游河道內(nèi)最大流速為6.89m/s。

下游局部動床沖刷試驗表明：在各級典型頻率洪水情況下，壩下游護坦以下河床及岸坡將產(chǎn)生不同程度沖刷，隨著流量增加，沖刷范圍和沖刷深度進一步增大，尤其是大流量洪水情況下，右岸護坡坡腳沖刷較為嚴重。

為減小水流對右岸邊坡坡腳的沖刷，可通過降低閘下護坦高程和在護坦末端右側(cè)增設(shè)楔形貼角和尾墩等工程措施，使各級洪水流量情況下，消力池護坦內(nèi)水深增大，水躍穩(wěn)定，水流紊動充分，擴散相對均勻，消能情況改善明顯，水流流出護坦后，主流在河床中央，下游河床及邊坡坡腳的沖刷亦明顯減弱。建議設(shè)計單位根據(jù)試驗結(jié)果對護坦末端和下游附近河床及兩岸邊坡岸壁，采取適當?shù)姆罌_保護工程措施。

4.4 庫區(qū)泥沙沖淤分析

庫區(qū)泥沙沖淤試驗結(jié)果表明：在反復(fù)對比試驗并不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整原攔沙坎和沖沙閘右側(cè)束水墻長度、方向、高程等，有效地改善了電站取水口前沿附近水流流態(tài)，避免了粗顆粒泥沙因水流揚動卷入電站取水口的現(xiàn)象，電站取水口引水防沙條件得到明顯改善，樞紐設(shè)計引水防沙建筑物布置基本能保證“門前清”，推移質(zhì)無進入進水口可能性［4］。在泄洪沖沙閘全開敞泄排沙的條件下，泄洪閘為庫區(qū)泥沙排除的主要通道，在流量分別為135m3/s、650m3/s的情況下，電站停機，敞泄沖沙6h后，閘前庫區(qū)河段的溯源沖刷長度均約為900m，沖沙總量均為6萬m3。運行中建議加強閘前淤積監(jiān)測，當閘前達到一定淤積高程時，進行敞泄沖沙。

5 結(jié) 語

綜上所述，通過利用水工模型對泄洪閘進行泄流分析，可以準確分析出工程的泄洪能力及閘室段、進口段流態(tài)等，并根據(jù)模擬結(jié)果采取相應(yīng)措施。

該工程模擬試驗證明：沖沙閘、泄洪閘泄流能力均滿足設(shè)計要求，但實際應(yīng)用過程中，需要對泄洪閘護坦末端和下游附近河床及兩岸邊坡岸壁，采取適當防沖保護工程措施，并加強閘前淤積監(jiān)測，當閘前達到一定淤積高程時，進行敞泄沖沙。

［1］ 李煒.水利計算手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］ 包中進，陸芳春，史斌.浙江省曹娥江大閘水力特性試驗研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005（5）：60-63.

［3］ 史斌，包中進，陸芳春.曹娥江樞紐閘下沖刷試驗研究［J］.浙江水利科技，2004（6）：32-34.

［4］ 王峰.利用FORTRAN編程進行水閘泄流計算應(yīng)用［J］.中國水能及電氣化，2011（3）：48-51.

表3 運行方案節(jié)能效果對比

5 結(jié) 語

石港泵站自建成以來截至2016年10月，累計運行1114臺時，抽水0.9億m3，其中抽排澇水0.7億m3、抗旱補水0.2億m3。該新型冷卻裝置發(fā)揮了巨大的節(jié)能效益，有效降低了工程運行成本，值得同行業(yè)其他泵站參考推廣。

參考文獻

楊銳.循環(huán)冷卻水在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國水能及電氣化，2009（11）.

Analysis on Effects of Hydraulic Model Experimentation on Sluice of Chaosijia Hydropower Station

WANG Jian，ZENG Haizhao
（Chengdu Engineering Corporation Limited under Power China，Chengdu 610072，China）

In order to make designing indexes of hydroelectric station structure more reasonable,this article conducts hydraulic analogue experimen on sluice of Chaosijia Hydropower Station and analyzes the test data.Test results indicate that joint flood carrying capacity of scouring sluice and sluice and their respective flood carrying capacities can conform to what is required.It provides reference to schedule optimization in hydropower stations and verify design parameters of bank slope protective projects in the downstream.

hydropower station;sluice;simulation experiment

TV135.2

A

1673-8241（2016）12-0045-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.012