雙溝水電站過冰期導(dǎo)流洞試驗研究

韓 爽 ，楊 英 ，胡曉霖

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林長春130061；2.水利部綜合事業(yè)局，北京100053）

1 工程概況

雙溝水電站位于吉林省撫松縣境內(nèi)第二松花江上游，是松江河梯級開發(fā)工程的電站之一，上游是小山水電站、下游是石龍水電站。該電站主體由混凝土面板堆石壩、引水式電站、溢洪道以及導(dǎo)流期間臨時工程導(dǎo)流洞、上、下游圍堰等組成。

導(dǎo)流洞總長598.57 m，進口上唇為橢圓曲線，進口底高程為490.00 m，頂高程為506.00 m；出口底高程為487.00 m，頂高程為499.00 m。導(dǎo)流洞洞身斷面為寬12.00 m、高12.00 m的城門洞型，洞底坡度為0.511%，并在導(dǎo)流洞進、出口分別設(shè)有進口橋和出口橋一座。

在雙溝大壩上游設(shè)有一座總長為8.47 m的過江大橋，過江橋為4個橋墩、5孔。橋面高程為515.00 m。

2 試驗研究

試驗研究在比尺為50的正態(tài)模型上進行。

2.1 冰的模擬

雙溝壩區(qū)河道流冰級配見表1。

表1 雙溝壩區(qū)河道流冰級配表

試驗采用石蠟?zāi)M冰塊，觀測其下潛、卡堵后形成冰塞時，對建筑物泄流能力的影響，并由冰塞系數(shù)K分析堵塞程度。

式中：q，q0為某一水位下，導(dǎo)流洞暢流時、發(fā)生冰塞時過流量（m3/s）。

2.2 洪痕驗證

泄放Q=193 m3/s流量進行模型主槽驗證試驗，各洪痕點實測水位與水文站成果值擬合較好，見表2。

表2 Q=193 m3/s洪痕驗證表

2.3 糙率驗證

導(dǎo)流洞糙率是決定泄流能力及洞內(nèi)流態(tài)的重要因素，試驗研究必須保證模型與原形的糙率相似。設(shè)計導(dǎo)流洞底板糙率為0.013、洞壁糙率為0.025，試驗以導(dǎo)流洞的綜合糙率來衡量。

導(dǎo)流洞的綜合糙率n：

式中：n1，n2為導(dǎo)流洞底板與導(dǎo)流洞邊壁的糙率；x1，x2為導(dǎo)流洞底板與導(dǎo)流洞邊壁的濕周。

導(dǎo)流洞綜合糙率計算，由相鄰兩個斷面間的沿程水頭損失hf等于兩斷面的測壓管平均水頭差，即：

式中：H1，H2為入、出流斷面測壓管平均水頭，m。

依據(jù)沿程水頭損失公式，即謝才公式與曼寧公式計算糙率n。

式中：R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?，m；V為過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；L為沿程兩過水?dāng)嗝娴木嚯x，m；hf為沿程測壓管測定的水頭損失，m。

試驗通過在導(dǎo)流洞底及側(cè)壁安裝測壓管來測量相鄰斷面的水頭損失，計算此段糙率。驗證導(dǎo)流洞綜合糙率值，見表3。

表3 雙溝電站導(dǎo)流洞原型、模型糙率值

2.4 研究成果

2.4.1 冰塊尺寸為第Ⅰ類型

1）施放11級洪水僅在流量為268 m3/s時，大橋橋墩前近15 m范圍內(nèi)，冰蓋不為并置型，有羅列與疊加的冰塊呈緊湊的、密集的堆積現(xiàn)象。

2）若不采取破冰措施，大部分冰塊將堆積在過江橋橋墩前，不能順利下行（僅Q=373 m3/s有個別冰塊通過橋孔）。并置的冰塊使過江橋前水位壅高0.24～1.73 m。其中橋前25 m水位最大涌高為1.93 m（泄量268 m3/s）。過江橋前的最大冰塞系數(shù)K為0.39。

3）可自行通過江橋的個別冰塊，受導(dǎo)流洞進口橋墩的阻擋，幾乎全部堆在此橋前并沿河道平鋪，造成水位壅高0～1.48 m，但不存在冰塊堵塞現(xiàn)象。

4）若采取行冰措施使冰塊通過導(dǎo)流洞進口橋，那么無論大、小流量均有封堵導(dǎo)流洞進口的情況發(fā)生，特別是流量越小，冰塊堵塞導(dǎo)流洞進口的概率越大。當(dāng)采取一定措施使冰塊可以沿著導(dǎo)流洞進口平順下行的時候，在導(dǎo)流洞出口橋前冰塊同樣受橋墩的制約，在橋前形成冰塊的堵塞，流量越小，冰塊卡堵左側(cè)1～2孔的機會越大，最嚴重的情形為268 m3/s流量以下，冰塊完全插堵整個導(dǎo)流洞出口至出口橋的區(qū)段，壅高的水位沿著導(dǎo)流洞上行。出導(dǎo)流洞口的水流夾裹著冰塊以極大的動能下泄，導(dǎo)致下行過程中撞擊導(dǎo)流洞出口橋橋墩的現(xiàn)象十分嚴重。導(dǎo)流洞出口至導(dǎo)流洞出口橋區(qū)間最大流速可達13.33 m/s。

2.4.2 冰塊為第Ⅱ類型

1）過江橋無論是1孔、2孔還是5孔泄流，冰塊尺寸為第Ⅱ類型時，在過江橋前均不形成堵塞現(xiàn)象，冰塊隨水流順暢下行。區(qū)別為1孔、2孔、5孔泄流時，過江橋橋前的水位壅高值不同，四級流量下壅高范圍在0.11～1.20 m，過江橋橋前與橋后最大水位跌差為1.31 m。

2）導(dǎo)流洞進口橋橋前在這四級流量下均不存在完全卡堵的現(xiàn)象，僅是導(dǎo)流洞進口橋橋前的流冰密度大于60%，并平鋪在導(dǎo)流洞進口橋橋前依次順行至導(dǎo)流洞進口。只有在泄量為96 m3/s時，導(dǎo)流洞進口的一孔偶有堵塞情形發(fā)生，但是隨著泄量減小，進口水位的不斷抬高被卡堵的冰塊松動，堵塞將被沖開。因而該冰塊級配下沒有在導(dǎo)流洞進口橋及導(dǎo)流洞進口被冰塊淤堵至死完全抑制泄流的情形。

3）導(dǎo)流洞出口無論在那一級流量下都能順利行冰，至導(dǎo)流洞出口橋橋前只有在流量小于163 m3/s時，出口橋橋前冰塊的數(shù)量才越發(fā)增多，當(dāng)宣泄流量為96 m3/s時，冰塊有堵塞出口橋至多兩孔的現(xiàn)象，但是在水位壅高的情況下卡堵的冰塊又將被完全沖開。因此導(dǎo)流洞出口與出口橋依然不存在被下行的冰塊堵塞致不泄流的情形。由于下行的水流夾裹著冰塊沿導(dǎo)流洞出口宣泄的動能很大，當(dāng)流量為373 m3/s時，導(dǎo)流洞出口至導(dǎo)流洞出口橋區(qū)間的最大流速可達12.59 m/s，并以該流速夾裹著下泄的冰塊撞擊導(dǎo)流洞出口橋的橋墩，應(yīng)引起重視。

3 結(jié)論

1）冰塊為第Ⅰ類型時，行冰試驗的結(jié)論。若不采取排冰措施：流量268 m3/s，過江橋前水位最大壅高1.93 m；流量373 m3/s，上游圍堰最高水位497.47 m，超過圍堰設(shè)計高程497.42 m。若采取排冰措施，無論導(dǎo)流洞進、出口，都面臨被冰塊封堵的現(xiàn)象，因而工程應(yīng)采取破冰措施，完全規(guī)避此種情形發(fā)生。

2）冰塊為第Ⅱ類型時，行冰試驗的結(jié)論，與第Ⅰ類型冰塊不同，第Ⅱ類型冰塊可通過各座橋梁和導(dǎo)流洞而排向下游。當(dāng)流量小于163 m3/s時，導(dǎo)流洞進口才偶有卡堵現(xiàn)象。建議雙溝電站施工期間，上游小山水電站的發(fā)電流量大于163 m3/s為妥。