溪古水電站無壓豎井旋流洞試驗(yàn)研究

衛(wèi) 勇,劉 菁,焦 娟

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

溪古水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)，是九龍河“一庫五級(jí)”梯級(jí)開發(fā)方案中自上而下的第1梯級(jí)，為“龍頭水庫”電站，工程開發(fā)任務(wù)為水力發(fā)電，并兼顧下游減水河段環(huán)保用水要求。

溪古水電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)及電站廠房3部分組成。電站廠房位于距大壩下游約19 km處的新山溝口上游左岸。

首部樞紐工程位于九龍縣城下游約10 km的溪古峽谷內(nèi)，主要由混凝土面板堆石壩、左岸泄洪建筑物(排沙洞+溢洪洞)和左岸引水發(fā)電進(jìn)口組成(見圖1)。從上游至下游依次排列有：導(dǎo)流洞進(jìn)口、發(fā)電引水口、排沙(放空)洞進(jìn)口、溢洪洞進(jìn)口，其中后3個(gè)進(jìn)口位置相對(duì)集中。設(shè)置高程分別為2 766.00、2 795.00、2 790.00和2 850.00 m；壩址以上控制流域面積1 300 km2，多年平均流量39.4 m3/s，總庫容9 986.0萬m3，裝機(jī)容量249 MW，年平均發(fā)電量10.551億kWh。溪古水電站工程屬Ⅲ等中型工程，攔河壩為2級(jí)建筑物，泄水建筑物為3級(jí)，工程區(qū)地震基本烈度Ⅶ度。

攔河壩洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)洪水P=1%；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=0.05%。消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)洪水P=3.33%；溢洪洞設(shè)計(jì)及校核洪水時(shí)的流量分別為169.00 m3/s和200.00 m3/s。

溢洪洞由無壓進(jìn)口堰閘段、上平段、渦室、渦井、下平段等組成(見圖2)，溢洪洞下平段與導(dǎo)流洞完全結(jié)合。無壓進(jìn)水口堰頂高程為2 850.00 m，進(jìn)口堰閘段長28.0 m，軸線方位與溢洪洞上平段相同為NE74.7502°，堰形為WES曲線形實(shí)用堰，堰高11.5 m，上游坡度3∶1，堰面曲線方程為y=0.0823x1.836，下接i=1∶1.5的斜坡段，末端通過半徑R=10.0 m圓心角為33.69°的反弧與隧洞上平段底板相連。堰上設(shè)孔口尺寸5 m×7.6 m(寬×高)的平面檢修門和5 m×8.5 m(寬×高)弧形工作門各1道，由設(shè)在邊墩頂部的2×750 kN液壓啟閉機(jī)操作。兩邊墩厚2.5 m，壩頂高程為2 860.00 m，堰閘段下游有S215省道改線公路通過。堰閘段下游公路后緊接溢洪洞無壓上平段，其進(jìn)口橫斷面為5 m×6.5 m( 寬×高、直墻高4.5 m)，漸變?yōu)闊o壓城門洞形3.1 m×10.8 m(寬×高、直墻高9.25 m)，坡降為I=0.125，上平段后接渦室。

圖1 樞紐總體布置圖

渦井底部的下游側(cè)與下平段連接。為了增加消能效果，改善洞內(nèi)流態(tài)，在渦井底部設(shè)一水墊塘，水墊塘深10 m，在明流溢洪洞下平段進(jìn)口處頂部設(shè)1∶8壓坡，壓坡段長度為26.0 m，出口高度為3.33 m。在壓坡段后接5.5 m×6.7 m(高×寬，其中直墻高5.2 m)的城門洞形，該段坡降為0.012 8。

溢洪洞出口后平面上采用擴(kuò)散段、立面為泄槽與消力池連接，消力池底板高程2 745.00 m，消力池尺寸為60 m×20 m×16m(長×寬×高)。溢洪洞在校核水位2 857.80 m時(shí)下泄洪水Q=200 m3/s。

2 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[1], 根據(jù)原型水流特性、 幾何尺寸并結(jié)合試驗(yàn)場地及儀器設(shè)備等條件,確定模型幾何比尺為：Lr=40, 則相應(yīng)的其它水力要素比尺為：

為了便于觀測排沙洞、溢洪洞及消力池的水流流態(tài), 并盡量滿足水流的阻力相似要求, 排沙洞、溢洪洞及消力池全部用有機(jī)玻璃制作，庫區(qū)及下游河道定床用水泥砂漿抹面。

3 原方案存在的問題

(1) 溢洪洞上平段與渦室連接處，庫水位為2 853.00～2 854.00 m時(shí)流態(tài)不夠穩(wěn)定。

(2) 溢洪洞豎井出口孔口偏大，豎井內(nèi)水面偏低。

(3) 消力池流態(tài)較差，水位波動(dòng)較大，設(shè)計(jì)及校核工況時(shí)，消力池水面高于消力池的邊墻頂高程。

4 體型修改與優(yōu)化

根據(jù)原方案存在的問題及國內(nèi)外試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)[2-8]，我們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了修改。

4.1 溢洪洞上平段及渦室起旋器

為解決溢洪洞上平段與渦室連接處的水面波動(dòng)并減小渦室的涌浪高程，試驗(yàn)中首先對(duì)不同高度、形狀的起旋器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)起旋器的長度不能太長，其下緣不能較上平段末端的底板高程低太多，否則容易造成渦室中間的水流空腔不能與底部連通，并抬高渦室的水面高程；另外，當(dāng)起旋器的平面尺寸不合適時(shí)，溢洪洞上平段與渦室連接處，在庫水位為2 853.00～2 854.00 m時(shí)流態(tài)不夠穩(wěn)定。于是，試驗(yàn)中對(duì)上平段的底坡進(jìn)行了4個(gè)坡比的研究，分別為1∶8、1∶9、1∶10及1∶12。結(jié)果發(fā)現(xiàn)底坡較緩時(shí)，沿渦室四周的水面較平穩(wěn)，但上平段末端的部分水流容易形成跌流，流態(tài)較差；而坡比為1∶9時(shí)，渦室水面較平穩(wěn)、水流旋轉(zhuǎn)良好。推薦的溢洪洞上平段及渦室起旋器尺寸見圖3。觀察發(fā)現(xiàn)：庫水位高于2 852.00 m(即流量大于24 m3/s時(shí)，豎井內(nèi)可形成平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)流。)

圖3 溢洪洞上平段及渦室起旋器圖 單位：m

4.2 溢洪洞豎井及下平段孔口

為提高豎井的淹沒深度，從而減小豎井底部的開挖深度，試驗(yàn)中首先進(jìn)行了下平段的試驗(yàn)研究，孔口尺寸分別為4.5 m×3.8 m、4.5 m×3.2 m、4.5 m×2.8 m、4.5 m×2.0 m。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：下平段孔口尺寸為4.5 m×2.0 m時(shí)，既能夠保證豎井內(nèi)有足夠的淹沒深度，同時(shí)下平段孔口下游的流態(tài)亦較好。

4.3 豎井底部開挖深度

試驗(yàn)進(jìn)行了豎井底部開挖深度分別為10、8和5 m的研究，結(jié)果表明：豎井開挖深度對(duì)豎井底部的壓力分布有較大影響，但對(duì)豎井的淹沒深度影響較小。最后選擇豎井底部的開挖深度為5 m較合適，推薦的溢洪洞豎井深度及下平段孔口尺寸見圖4。

圖4 溢洪洞下平段體型圖 單位：m

4.4 消能率

豎井旋流的消能率主要取決于：① 豎井直徑的大小，它決定了豎井內(nèi)單位面積上的能量；② 豎井出口的體型，它決定了豎井的水墊深度及下平段明渠的流速。

選取溢洪洞0+189.81 m斷面計(jì)算，該斷面的底板高程為2 756.66 m,斷面寬度為5.5 m,設(shè)計(jì)及校核水位時(shí)的流量分別為169 m3/s和200 m3/s，于是根據(jù)模型實(shí)測水深及流速可計(jì)算出設(shè)計(jì)及校核水位下，該斷面以上的總消能率，如表1。

表1 溢洪洞0+189.81 m斷面以上消能率的計(jì)算表

由表1可見：設(shè)計(jì)及校核水位時(shí)溢洪洞0+189.81 m斷面以上的消能率分別為87.8%及86.0%，說明豎井旋流洞的體型是合適的。

5 結(jié) 語

本試驗(yàn)對(duì)溢洪洞的上平段坡比、起旋器的尺寸、豎井底部的深度、下平段孔口尺寸等進(jìn)行了優(yōu)化，解決了泄水建筑物的流態(tài)及消能問題，其主要結(jié)論有：

(1) 旋流洞上平段的底坡1∶8、1∶9、1∶10及1∶12的研究表明，底坡較緩時(shí)，沿渦室四周的水面較平穩(wěn)，但上平段末端的部分水流容易形成跌流，流態(tài)較差；而坡比為1∶9時(shí)，渦室水面較平穩(wěn)、水流旋轉(zhuǎn)良好。

(2) 溢洪洞僅渦室起旋器底部有較小的負(fù)壓，如設(shè)計(jì)及校核洪水時(shí)，最小壓力分別為-0.6及-1.4 m水柱，可通過在起旋器中加設(shè)通氣孔摻氣解決。

(3) 由于溢洪洞上平段模型流速僅為2.5 m/s左右，遠(yuǎn)小于6 m/s，所以原模型摻氣量相差較大，為保證豎井渦室通氣順暢，應(yīng)保留渦室通風(fēng)洞。

(4) 豎井開挖深度對(duì)豎井底部的壓力分布有較大影響，但對(duì)豎井的淹沒深度影響較小；為減小水流對(duì)豎井底部的沖擊壓力，豎井底部應(yīng)有一定的開挖深度。

(5) 從實(shí)測溢洪洞的水面線及流速分析，設(shè)計(jì)及校核水位時(shí)溢洪洞0+189.81 m斷面以上的消能率分別為87.8%及86.0%，說明豎井旋流洞的體型是合適的。

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