五道庫(kù)水電站溢流壩模型試驗(yàn)成果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王愛(ài)華，李 俊

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

五道庫(kù)水電站壩址位于湯旺河支流五道庫(kù)河中游，伊春市美溪區(qū)東北約20 km處，五道庫(kù)河是湯旺河左岸一級(jí)支流，發(fā)源于伊春市境內(nèi)的小興安嶺南麓的小白山南側(cè)，因從五道庫(kù)溝流出，故名“五道庫(kù)河”，自東北流向西南，在五道庫(kù)經(jīng)營(yíng)所駐地以東接納樺皮羌子河后，折向南，在美溪區(qū)附近注入湯旺河。流域總面積1 773 km2。河道長(zhǎng)80 km，總落差685 m，水能理論蘊(yùn)藏量為26.56 MW。較大支流為右岸的樺皮羌子河及左岸的臥龍河，流域面積分別為470 km2和350 km2［1］。

五道庫(kù)水庫(kù)總庫(kù)容為9655 ×104m3，為中型水利樞紐工程，工程屬于Ⅲ等工程，主要建筑物攔河壩、溢流壩及壩式進(jìn)水口為3 級(jí)建筑物，電站裝機(jī)6.0MW，電站廠房為壩后式，電站廠房及次要建筑物為5 級(jí)建筑物。水庫(kù)采用100a 一遇(P =1%)洪水設(shè)計(jì)，1 000 a一遇(P =0.1%)洪水校核，溢流壩消能防沖按30a 一遇洪水設(shè)計(jì)。

五道庫(kù)水電站攔河壩采用碾壓混凝土重力壩，壩頂全長(zhǎng)477.50 m，最大壩高48.20 m，溢流壩段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流壩堰面采用WES 實(shí)用堰，下游采用挑流消能，溢流壩堰面及基礎(chǔ)采用常態(tài)混凝土，壩體內(nèi)部為碾壓混凝土。

2 溢流壩模型試驗(yàn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 溢流壩初步設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)的提出

五道庫(kù)水電站初步設(shè)計(jì)階段初步擬定溢流壩段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流壩分兩孔，單孔凈寬8 m，堰頂高程為293.00 m，中、邊墩厚均2.5 m，溢流壩總寬度為23.50 m。工作門(mén)采用弧形鋼閘門(mén)，弧門(mén)上游2 m處設(shè)檢修鋼閘門(mén)。

溢流壩堰頂高程為293.00 m，采用WES 實(shí)用堰，直線連接坡比為1:0.75，反弧段半徑為11 m。下游采用挑流消能，挑流鼻坎高程為266.30，挑角為20°。

理論設(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力、下游消能挑距等均滿足要求，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)不同上游水位情況下的溢流壩泄流能力、水流流態(tài)、過(guò)堰水面線、堰面壓力分布以及各級(jí)流量下挑流鼻坎的布置、高程、位置合理性，理論計(jì)算很難確定，需要結(jié)合水工模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 溢流壩初步設(shè)計(jì)方案的模型試驗(yàn)結(jié)論與分析

1)根據(jù)水工模型試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算閘門(mén)全開(kāi)時(shí)平均綜合流量系數(shù)M 為0.462 ＞0.456(設(shè)計(jì)采用)，校核洪水位303.39 m時(shí)，下泄流量為1 090 m3/s，超泄洪水29 m3/s，泄流能力滿足要求［2］。

2)閘門(mén)全開(kāi)時(shí)過(guò)堰水流為堰流，溢流孔左、右兩邊墩進(jìn)口有嚴(yán)重繞流現(xiàn)象，邊墩內(nèi)、外水面高差很大，達(dá)到1.5 ～2.0 m，形成很大的繞流漩渦。當(dāng)過(guò)堰水流為孔流時(shí)，閘門(mén)前水面不平穩(wěn)，波動(dòng)較大。

3)各工況下溢流壩面最大壓力發(fā)生在溢流壩面的反弧段區(qū)域，最大時(shí)均壓力為181.70 kPa。各工況下堰頂閘門(mén)槽下游附近區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，測(cè)得的負(fù)壓最小值為－22.37 kPa。

4)各工況下的實(shí)測(cè)沖刷坑上游坡度T/L 值均在1∶3.0 ～1∶6.0。

5)實(shí)測(cè)起挑流量為52.02 m3/s，相應(yīng)的上游庫(kù)水位294.32 m，終挑流量為42.35 m3/s，相應(yīng)的上游庫(kù)水位294.15 m，當(dāng)流量小于起挑流量時(shí)，會(huì)形成貼壁水流，對(duì)鼻坎基礎(chǔ)穩(wěn)定不利。

6)從水舌形態(tài)上看，水舌出射角度偏小，挑射高度偏低。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果分析，造成左、右兩邊墩進(jìn)口嚴(yán)重繞流現(xiàn)象及進(jìn)口處形成很大的漩渦的原因?yàn)樯嫌芜M(jìn)口邊墩及中墩形狀為非流線型，影響水流形態(tài)。

產(chǎn)生堰面負(fù)壓是由于下游直線段坡比小的原因造成的，可適當(dāng)加大坡比，同時(shí)需調(diào)整反弧段半徑、挑角及鼻坎高程以使水舌出射角度及挑射高度更合理。

2.3 溢流壩優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

依據(jù)水工模型試驗(yàn)，對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，溢流壩堰面直線連接坡比由1∶0.75調(diào)整為1∶0.8，反弧段半徑由11 m調(diào)整為12 m。下游挑流鼻坎高程由266.30 調(diào)整為267.50，挑角由20°調(diào)整為25°。同時(shí)將上游進(jìn)口邊墩墩面形狀由原來(lái)非流線型表面改為流線型墩面［3］。

2.4 溢流壩優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)結(jié)論

計(jì)算優(yōu)化方案閘門(mén)全開(kāi)時(shí)平均綜合流量系數(shù)M為0.458，大于設(shè)計(jì)采用的0.456，泄流能力滿足要求。校核洪水位303.39 m 時(shí)，下泄流量為1 085 m3/s，超泄洪水24 m3/s。

閘門(mén)全開(kāi)時(shí)水流在兩邊墩墩頭，未出現(xiàn)明顯的繞流漩渦，此處的水流流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案有了明顯改善。

優(yōu)化方案各工況下溢流壩面最大壓力發(fā)生在溢流壩面的反弧段區(qū)域，最大時(shí)均壓力為151.49 kPa。負(fù)壓最大值為－12.87 kPa，負(fù)壓值＜0.06 MPa，符合規(guī)范規(guī)定，同時(shí)最大壓力機(jī)負(fù)壓最大值明顯減小。

從水舌形態(tài)上看，水舌的出射角度、挑射高度均較理想。優(yōu)化方案各工況下的沖坑呈長(zhǎng)勺狀，校核工況時(shí)出現(xiàn)最深沖坑，底高程為243.90 m，距離挑流鼻坎85.0 m。

實(shí)測(cè)起挑流量為74.60 m3/s，終挑流量為59.71 m3/s。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到以下結(jié)論:

1)優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)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(jìn)口水流流態(tài)得到明顯改善;挑射水舌的內(nèi)緣挑距和挑射高度都明顯增大，水舌形態(tài)更好。

2)泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3)優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化方案鼻坎處的流速略有增加，對(duì)提高內(nèi)緣挑距和挑射高度是有利的。

4)優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化方案壩面時(shí)均壓力的負(fù)壓范圍明顯變小，同時(shí)負(fù)壓值也明顯變小，這對(duì)避免溢流壩面混凝土氣蝕破壞是有利的。

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

3 結(jié)論與思考

五道庫(kù)水電站溢流壩設(shè)計(jì)經(jīng)理論設(shè)計(jì)→水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證→分析研究→優(yōu)化設(shè)計(jì)→水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證一系列逐步優(yōu)化的過(guò)程。對(duì)理論設(shè)計(jì)中無(wú)法確定的問(wèn)題經(jīng)模型試驗(yàn)去驗(yàn)證，也為今后相關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。五道庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程也證明了對(duì)大中型工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的水工模型試驗(yàn)是非常有必要的。五道庫(kù)水電站溢流壩優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程也表明，理論計(jì)算中的挑距計(jì)算滿足要求，但理論計(jì)算無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出內(nèi)緣挑距，因此適當(dāng)增大挑角及鼻坎高程對(duì)提高內(nèi)緣挑距和挑射高度是有利的。在過(guò)堰流量低于起挑流量和終挑流量時(shí)會(huì)形成貼壁流，對(duì)鼻坎穩(wěn)定不利，設(shè)計(jì)者應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鼻坎基礎(chǔ)防護(hù)。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 伊春美溪區(qū)五道庫(kù)水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2013.

［2］水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院SL253—2000 溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2000.

［3］常云華，李宗偉，黃樹(shù)友. 上溝水利樞紐溢流壩水工模型試驗(yàn)研究［J］. 長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，10(02):31－34.