五道庫水電站溢流壩挑流鼻坎優(yōu)化試驗

張術(shù)彬，常俊德，田振華

（黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080）

五道庫水電站溢流壩挑流鼻坎優(yōu)化試驗

張術(shù)彬，常俊德，田振華

（黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080）

挑流鼻坎是水庫溢流壩挑流消能結(jié)構(gòu)的重要組成部分，直接影響水庫的工程安全與運行效益。文章通過五道庫水電站溢流壩水工模型試驗，對原設(shè)計方案進行驗證并調(diào)整。與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化堰面曲線和挑流鼻坎參數(shù)，使進口段水流流態(tài)和堰面負壓情況得到明顯改善，挑射水流挑射高度和內(nèi)外緣挑距均顯著提高，壩體結(jié)構(gòu)更合理，利于工程安全。研究成果可為設(shè)計單位提供技術(shù)參考，對同類工程設(shè)計和其他模型試驗有借鑒意義。

溢流壩；挑流鼻坎；水工模型試驗；優(yōu)化設(shè)計；挑流半徑

目前我國大中型水庫河岸式溢洪道的消能大多采用挑流型式，挑流消能是一種安全經(jīng)濟消能措施，借助挑流鼻坎使高速水流沿拋物面挑射，在挑射過程中，通過吸附和摻混空氣來耗散部分能量，將水流拋射到遠離鼻坎腳處，與河床尾水銜接[1-2]。確定挑流消能布置型式，安全挑距、水舌入水深度、允許最大沖坑深度等，應(yīng)以不影響鼻坎基礎(chǔ)、兩岸岸坡及保證相鄰建筑物安全為原則；沖刷坑上游坡度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定，宜在1∶3～1∶6選用；挑流鼻坎段反弧半徑可采用反弧最低點最大水深6～12倍選用；挑流鼻坎挑角在15～35°選用[3-5]。王南海對洪門水電站溢洪道挑流消能型式進行水工模型試驗研究，該工程位于江西省撫河支流黎灘河下游，在南城縣洪門鎮(zhèn)上游二公里處，樞紐工程由大壩、引水式廠房以及設(shè)在壩址右岸以北埡口處的溢洪道組成，是具有防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚等綜合利用大型水利樞紐工程。1958年7月動工，1969年全部建成。原設(shè)計溢洪道堰頂高程94.00 m，挑流鼻坎高程86.00 m，挑角30°，反弧半徑6.0 m，最大沖坑深達6.0 m。經(jīng)過模型試驗優(yōu)化后，挑流鼻坎高程下降至70.5 m，最大沖坑深達5.0 m，減少對下游的沖刷[6]。中包水電站在長江支流黃柏河上，位于湖北省宜昌市霧渡河鎮(zhèn)上游，系面板堆石壩，最高壩高85.0 m，總庫容5 500萬m3，裝機容量5 000 kW，屬三等工程。泄水建筑物由岸邊溢洪道和左岸泄洪放空隧洞組成。溢洪道采用挑流消能，具有在出流方向與河槽交角大、河床窄、單寬能量集中，水流歸槽極為不利特點。通過模型試驗，將原方案連續(xù)式鼻坎平尾布置改為斜鼻坎布置，使鼻坎成左高右低，左長右短，明顯調(diào)整水舌入水方向，與河槽方向大體一致，改善水舌歸槽水流條件，保證下游兩岸的防洪安全[7-8]。雖然挑流鼻坎布置及水力設(shè)計參數(shù)有明確要求，但由于水利工程特殊性，水力參數(shù)不可能完全靠數(shù)學分析方法和應(yīng)用經(jīng)驗公式計算，需要經(jīng)過水工模型試驗論證，確定參數(shù)，否則可能產(chǎn)生較大誤差。因此，對挑流消能結(jié)構(gòu)布置及水力設(shè)計參數(shù)優(yōu)化尤為必要。

本文通過五道庫水電站溢流壩水工模型試驗,驗證原設(shè)計方案的過流能力及挑流鼻坎的挑流流量、挑射角度、鼻坎高程、存在的主要問題，優(yōu)化挑流鼻坎水力設(shè)計參數(shù)，為設(shè)計單位提供技術(shù)支撐，保證工程結(jié)構(gòu)合理和運行安全。

1 試驗設(shè)計方案

1.1 工程概況

伊春五道庫水電站總庫容為9 509×104m3，水庫規(guī)模為中型，工程屬于Ⅲ等工程，水電站屬Ⅴ等工程。主要建筑物攔河壩、溢流壩及壩式進水口為3級建筑物。電站廠房及次要建筑物為5級建筑物。攔河壩、溢流壩及壩式進水口采用100年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核；電站廠房采用30年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核。工程主要由碾壓混凝土重力壩、溢流壩和壩后式水電站等組成。

重力壩：采用混凝土重力壩，壩長471 m，最大壩高46.20 m，壩頂寬6.0 m，壩頂設(shè)1.2 m高防浪墻，壩頂高程303.20 m，防浪墻頂高程304.40 m。上游坡面自高程284.50 m以上為垂直面，高程284.50 m以下為1∶0.15，下游坡面自高程295.20 m以上為垂直面，高程295.20 m以下為1∶0.75。上游壩殼混凝土防滲墻厚1.5m。壩基坐落于弱風化巖石中上部，強風化巖石下限以下2 m，基礎(chǔ)設(shè)混凝土底板，底板厚2.5 m。

溢流壩：溢流壩布置在主河床，采用砼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)與重力壩段相接。溢流壩分兩孔，單孔凈寬8 m，堰頂高程為293.00 m，采用WES實用堰，直線連接坡比為1∶0.75，反弧段半徑為11 m。采用挑流消能，挑流鼻坎高程為266.30 m，挑角為20°。

壩后式電站：電站廠房位于五道庫河右岸，主要由廠房段、尾水渠段及升壓站等分組成。電站廠房內(nèi)安裝三臺HLTF75-WJ-81臥式混流水輪機組，三臺SFW2667-8/1730發(fā)電機，單機容量2 MW，總裝機容量為6 MW。廠房水下部分采用鋼筋混凝土封閉式結(jié)構(gòu)，水上部分采用磚混結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼結(jié)構(gòu)保溫彩鋼板屋面。

1.2 主要內(nèi)容

提出不同上游水位情況下溢流壩泄流能力、相應(yīng)泄流能力關(guān)系曲線及各種泄流情況水流流態(tài)；提出不同堰前水位情況下的閘孔出流的泄流能力，繪制堰前水位～閘門開度～泄流能力關(guān)系曲線、出流能力；提出各種泄流情況過堰水面線、堰面壓力分布及堰面曲線優(yōu)化方案；提出溢流壩閘墩優(yōu)化布置型式；研究各級流量下挑流鼻坎的布置、高程、合理位置進行優(yōu)化，給出最優(yōu)挑流鼻坎設(shè)計參數(shù)，各種泄流情況時挑流鼻坎高程、挑角，反弧半徑及下游的沖坑深度、范圍和幾何形狀，起挑流量；在完成驗證試驗內(nèi)容基礎(chǔ)上，對設(shè)計上所存在問題提出優(yōu)化方案[9]。

1.3 模型設(shè)計

五道庫水電站壩址溢流壩采用挑流消能，連續(xù)式鼻坎平尾布置，堰面為WES實用堰。根據(jù)水工模型試驗規(guī)范、試驗內(nèi)容、試驗供水和試驗場地等條件，試驗模型由供水平槽、庫區(qū)、溢流壩，下游河道等組成，詳見模型布置圖1。模型按重力相似準則設(shè)計，正態(tài)模型，幾何比尺1∶50，各物理量[10-11]比尺見表1。

表1 模型比尺統(tǒng)計Table 1 Calculation results of model scale

圖1 模型布置Fig.1 Arrangement plan of hydraulic model

模擬范圍：河道模擬總長度為800 m，包括壩軸線上游長度約300 m，壩軸線下游長度約500 m，上游模擬地形高程305.00 m以下，下游模擬地形270.0 m高程以下。

模擬溢流壩：原型溢流壩采用常態(tài)混凝土，其糙率n=0.014，根據(jù)糙率比尺計算模型材料糙率比尺為0.0073，有機玻璃的糙率n=0.008，可滿足糙率相似要求，模型選擇有機玻璃制作溢流壩模型。

模擬地形：根據(jù)壩址地形圖進行模型地形制作。為保證在模型上能準確復現(xiàn)天然地形，確保制作精度，采用斷面板法制作地形，模型高程用水準儀測控，并在施工過程中分階段校核，河道表面采用水泥砂漿制作。

局部動床沖刷試驗：沖刷池位于挑流鼻坎后，其順水流方向的軸線與溢流壩中墩軸線重合，沖刷池沿水流方向長3.0 m，與壩軸線平行方向?qū)?.8 m，深0.7 m。

模型砂選擇：根據(jù)溢流壩地質(zhì)報告描述的地質(zhì)條件并與設(shè)計單位分析研究確定，下游河床巖石抗沖流速取用V=4.0 m·s-1，可認為按此抗沖流速開展局部沖刷試驗結(jié)果安全。

按照伊茲巴什公式計算模型砂粒徑:

式中，V是基巖抗沖流速，m·s-1；d是散粒體粒徑，m；計算的模型砂粒徑d=6.5～12.8 mm，實際選用模型砂的平均粒徑為7.2 mm。

1.4 量測儀器與測量方法

流量采用矩形量水堰量測，水面線使用精度為0.1 mm的鋼板尺和賓得AL-32型水準儀測量，流速采用螺旋槳光電流速儀測量，時均壓力采用內(nèi)徑為6 mm的玻璃管測量，流態(tài)用數(shù)碼相機和攝像機記錄，沖淤地形采用測量精度為1.0 mm賓得AL-32型水準儀測量。

2 原設(shè)計方案試驗成果分析

2.1 試驗工況

根據(jù)試驗要求并與設(shè)計單位協(xié)商確定，本次試驗工況有P=0.1%（校核工況）、P=1%（設(shè)計工況）和P=3.33%（30年一遇工況），采用流量控制方法，開展溢流壩泄流能力；堰面曲線優(yōu)化與挑流水舌及溢流壩下游局部沖刷等內(nèi)容試驗研究。

試驗運行工況見表2。

表2 試驗運行工況Table 2 Schemes of experiment

2.2 泄流能力

閘門全開和閘門部分開啟時，堰前水位～閘門開度～泄流量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 堰前水位-閘門開度-泄流量關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of water level before dam-gate opening-discharge

閘門全開時溢流壩綜合流量系數(shù)M按照公式計算[12]：

式中，M-綜合流量系數(shù)；Q-流量（m3·s-1）；B-溢流堰總凈寬，B=16 m；g是重力加速度，g=9.81（m·s-2）；H是堰上總水頭；σs是淹沒系數(shù)，取σs＝1；

在校核水位下，泄流量為1 090 m3·s-1，實測平均綜合流量系數(shù)M為0.462，大于設(shè)計采用的0.456，泄流能力滿足要求。實測進口流速2.62 m·s-1和出鼻坎流速流速23.09 m·s-1。

2.3 水流流態(tài)和挑流水舌特征值

在設(shè)計水位下，過堰水流為堰流，溢流孔左、右兩邊墩進口有嚴重繞流現(xiàn)象，邊墩內(nèi)、外水面高差很大，達1.5～2.0 m時，形成很大繞流漩渦。在校核水位下，過堰水流為堰流，進水口閘前水流流態(tài)比較紊亂，左右邊墩處水流急速轉(zhuǎn)向，形成較大繞流旋渦，邊墩內(nèi)外水面高差很大，在1.5～2.0 m時，下泄水過中墩后匯流，產(chǎn)生較大波動。水流經(jīng)堰面反弧段底板部斷面后挑射，挑流水舌寬度23 m，水舌最高點高程274.13 m，水舌內(nèi)緣挑距30.2 m、外緣挑距53.0 m。直觀水舌形態(tài)，挑流鼻坎挑射角偏小，影響挑流消能的效果，水面線測量結(jié)果如表3。校核水位下挑流水舌特性表見表4，挑流水舌流態(tài)見圖3。實測起挑流量為52.02 m3·s-1，終挑流量為42.35 m3·s-1。

表3 水面線測量結(jié)果Table 3 Conclusions of the water level

表4 實測水舌特性值Table 4 Measured value of water jets (m)

圖3 水舌流態(tài)Fig.3 Aspect graph of water jets

2.4 壩下局部沖刷

國內(nèi)外對基巖挑流沖刷現(xiàn)象的物理模型研究很多，對基本模型律和模擬方法仍無公認結(jié)論。多數(shù)專家認為，基巖總能由節(jié)理裂隙分割成塊，巖塊在不平衡動水壓力作用下喪失穩(wěn)定而振動拔起，導致沖刷破壞。散粒體模擬法是應(yīng)用最早，也是目前廣泛采用的一種基巖沖刷模擬方法。動床模型用砂、礫、卵石等散粒體鋪成，與原型河床地形宏觀幾何相似，而水流條件則按重力相似準則設(shè)計[13-15]。本試驗局部動床沖刷池位于挑流鼻坎下游，其順水流方向的軸線與溢流壩中墩軸線重合，沖刷池沿水流方向長3.0 m，與壩軸線平行方向?qū)?.8 m，深0.7 m。根據(jù)溢流壩地質(zhì)報告分析確定下游河床巖石抗沖流速取用4.0 m·s-1，模型砂粒徑按伊茲巴什公式計算，取值6.5～12.8 mm。試驗所取模型砂中值粒徑為7.2 mm。

沖刷試驗在校核水位工況下，實測最大沖坑深度在21.74 m，比原設(shè)計深1.5 m；最深沖坑距鼻坎84.7 m，比原設(shè)計多14.6 m；上游坡比1∶6.2，超過規(guī)范1∶3～1∶6的上限值。

2.5 壩面時均壓力

在溢流壩面右孔中心線上布設(shè)15個測壓孔，分別為堰頂曲線段布設(shè)6個點、堰面直線段4個點，堰面反弧段5個點，在校核水位下，觀測壩面堰頂曲線段5個測點出現(xiàn)負壓，容易引起混凝土堰面的氣蝕破壞。最小值為-22.37 kPa；壩面最大壓力值發(fā)生在反弧段測點，最大時均壓力值為181.70 kPa。

試驗結(jié)果表明，溢洪道泄流能力滿足設(shè)計要求，但還存在一些問題，如進水口左右邊墩出現(xiàn)繞流漩渦，堰面曲線段部分存在負壓，鼻坎挑角偏小，沖刷坑深度加大等，嚴重影響溢流壩的工程安全和效益。

3 優(yōu)化設(shè)計方案與試驗成果分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計方案

針對存在的問題，對溢流壩體型進行優(yōu)化，優(yōu)化方案與原設(shè)計方案相比，主要做了如下改動：①左右邊墩的上游進口端由原設(shè)計方案的1/4圓弧修改為1/2圓弧，中墩尺寸無變化，左右閘孔凈寬仍為8.0 m。②將冪曲線下游直線段的坡比由1∶0.75修改為1∶0.80，溢流壩段長度向下游方向延長，挑流鼻坎樁號由原設(shè)計方案壩軸0+035.780 m延伸至壩軸0+039.225 m。③反弧半徑由原設(shè)計方案的11.0 m增大至12.0 m，挑角由20°增大到25°，挑流鼻坎高程由266.30 m提高到266.60 m。優(yōu)化方案溢流壩體型參數(shù)結(jié)果見表5。

表5 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 5 Results of optimization

3.2 優(yōu)化成果分析

優(yōu)化成果表明，溢流壩進口段、曲線段、直線段、反弧段及挑流鼻坎等體型布置合理，水流流態(tài)平穩(wěn)，直觀水舌形態(tài)較好，壩面出現(xiàn)負壓范圍和數(shù)值明顯減少且符合規(guī)范要求，泄流能力增強，滿足工程設(shè)計要求。

水流流態(tài)：工況一時，兩孔全開，進水口段水流流態(tài)較好，進流對稱，水流在閘墩墩頭繞流后形成脫流，閘室內(nèi)閘墩墩頭內(nèi)側(cè)水面略低于模型上同樁號的閘墩外側(cè)水面，相差1.0～1.5 m。兩邊墩墩頭，未出現(xiàn)明顯的繞流漩渦，此處的水流流態(tài)較原設(shè)計方案有明顯改善。堰頂流速與水深分布較均勻，左右兩側(cè)邊墩的繞流漩渦消失，水流流態(tài)得到明顯改善。在校核水位時，過堰水流為孔流，水流流態(tài)與原設(shè)計方案相比無明顯變化。優(yōu)化方案的泄流量為1 085 m3·s-1比原方案泄流量大24 m3·s-1，溢流壩進口形式，中墩形狀及堰型設(shè)計等均滿足泄洪要求。

挑射水舌：水舌出鼻坎后，向下游挑射，表觀水舌形態(tài)較好，未出現(xiàn)水花橫向飛濺現(xiàn)象。實測水舌最高點高程276.63 m比原方案高2.5 m；水舌內(nèi)緣挑距41.1 m，比原方案多10.9 m；水舌外緣挑距56.2 m，比原方案多3.2 m；出鼻坎流速23.11 m3·s-1比原方案多0.4 m3·s-1，射流在空中的時間變長，有利于射流能量的消減，減少對下游河床的沖刷。實測起挑流量為74.60 m3·s-1，終挑流量為59.71 m3·s-1。

局部沖刷試驗:校核流量時沖坑最深，實測沖坑最深點高程243.90 m比原方案高1.1 m，最深沖坑距鼻坎85.5 m比原方案多0.8 m。減小沖坑反坡，利于鼻坎基礎(chǔ)的穩(wěn)定。沖坑上游坡比為1∶5.63，沖刷坑上游坡度T/L值均在1∶3.0～1∶6.0的合理范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

時均壓力：溢流壩直線段和反弧段的時均水壓力與原方案基本相同，壩面曲線段的負壓范圍和負壓值明顯變小，最小值-12.9 kPa，測得的負壓值均小于0.06 MPa，符合規(guī)范要求，避免溢流堰面混凝土氣蝕破壞。優(yōu)化方案時，在壩面右孔中心線布設(shè)16個測壓孔。壩面最大壓力發(fā)生在測點14#附近，此區(qū)域位于溢流壩面的反弧段，最大時均壓力為151.49 kPa。工況一為閘門全開狀態(tài)，工況二和工況三為閘門部分開啟，工況一時在測點4#、5#、6#出現(xiàn)負壓，負壓最大值為-12.87 kPa，負壓值＜0.06 MPa，符合參考文獻[12]要求。

4 結(jié)論

五道庫水電站溢流壩水工模型試驗泄洪消能、體型優(yōu)化部分共進行兩個方案試驗（原設(shè)計方案和優(yōu)化方案），通過實測數(shù)據(jù)對比分析得到以下主要結(jié)論：

水流流態(tài)及水面線：優(yōu)化方案與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案左、右邊墩墩頭兩側(cè)的繞流漩渦消失，進口水流流態(tài)得到明顯改善；挑射水舌的內(nèi)緣挑距和挑射高度均明顯增大，水舌形態(tài)更好；兩個方案各工況下過壩水面線平穩(wěn)，均未發(fā)生水花飛濺到邊墻外現(xiàn)象，各測點處設(shè)計邊墻頂高程均超出校核工況水面高程0.5 m以上，邊墻頂高程滿足設(shè)計要求。

泄流能力：在校核水位時，優(yōu)化方案的泄流量為1 085 m3·s-1，超泄洪水24 m3·s-1，泄流能力滿足設(shè)計要求。

流速：優(yōu)化方案與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案鼻坎處流速略有增加，對提高內(nèi)緣挑距和挑射高度有利。

時均壓力：優(yōu)化方案與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案壩面時均壓力負壓范圍明顯變小，負壓值變小，對避免溢流壩面混凝土氣蝕破壞有利。

局部沖刷：沖刷試驗選用的抗沖流速較小，可以認為局部沖刷試驗結(jié)果偏于安全；各試驗工況下，優(yōu)化方案的T/L值為1∶5.63～1∶5.27，在規(guī)范規(guī)定1∶3.0～1∶6.0的允許范圍之內(nèi)，滿足要求。

校核水位下，流量低于起挑流量74.60 m3·s-1時形成貼壁流，對鼻坎穩(wěn)定不利，建議對鼻坎基礎(chǔ)加強防護；溢流壩面小部分出現(xiàn)負壓，為防止混凝土氣蝕破壞，應(yīng)確保挑流鼻坎的施工質(zhì)量，嚴格控制好平整度。各工況下，推薦方案溢流壩出鼻坎平均流速為22.59～23.11 m·s-1，均＞20 m·s-1，為防止混凝土氣蝕破壞，應(yīng)確保施工質(zhì)量，嚴格控制好平整度。受下游河流流向影響，挑射水流可能會造成下游局部沖刷，建議對下游進行適當防護。

溢流壩采用WES實用堰的挑流消能型式，流態(tài)復雜，根據(jù)工程實際地形地質(zhì)條件和工程規(guī)模大小，調(diào)整冪曲線下游直線段的坡比、增加反弧半徑、提高挑流角度和挑流鼻坎高程，最佳方法是通過水力計算，結(jié)合水工模型試驗論證實施，減少損失。

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Study on optimizing of flip bucket at Wudaoku hydropower station'soverflow dam/

ZHANG Shubin,CHANG Junde,TIAN Zhenhua(Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute,Harbin 150080,China)

Flip bucket has heavy effect on the safety and working benefit of the reservoir,which is one of the important parts of overflow dam's trajectory energy disipation.The paper verified and adjusted the original design by Wudaoku hydraulic model test.The results show that compared with the original design scheme,water flow regime of inlet section and pressure of weir surface was significantly improved,jet height and inner jet trajectory length were sharply increased.The adjustment that included optimizing weir surface curve and flip bucket parameters was reasonable and beneficial to dam's structure.The acquired conclusions can be provided to a strong technical support for designing and a referrence for similar project.

overflow dam;flip bucket;hydraulic model test;optimal design;jet radius

S767.5；X172

A

1005-9369（2014）06-0122-07

時間 2014-6-11 16:06:36 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140611.1606.004.html

張術(shù)彬,常俊德,田振華.五道庫水電站溢流壩挑流鼻坎優(yōu)化試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(6):122-128.

Zhang Shubin,Chang Junde,Tian Zhenhua.Study on optimizing of flip bucket at Wudaoku hydropower station's overflow dam[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(6):122-128.(in Chinese with English abstract)

2012-10-24

黑龍江省科技攻關(guān)項目（GC12A301）

張術(shù)彬（1965-），男，高級工程師，研究方向為水工、水力學。E-mail:szswjzsb@163.com