某水電站溢洪道水工模型試驗(yàn)研究

向 蕾

某水電站溢洪道水工模型試驗(yàn)研究

向 蕾

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

根據(jù)工程建設(shè)需要，為全面驗(yàn)證工程總體布置和建筑物結(jié)構(gòu)布置的合理性，對(duì)某泄水陡坡進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，分析出原設(shè)計(jì)體型存在的主要問(wèn)題。通過(guò)增設(shè)摻氣槽、懸柵、修改模型尺寸，對(duì)泄水陡坡進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：泄水陡坡過(guò)流能力滿(mǎn)足要求，工程總體布置和建筑物結(jié)構(gòu)布置合理，滿(mǎn)足冬季排冰需求。

梯級(jí)開(kāi)發(fā)；引水式電站；泄水陡坡；體型優(yōu)化；水工模型試驗(yàn)

1 工程概況

某水電站為梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第3級(jí)引水式電站，發(fā)電引水流量110.8 m3／s，前池正常水位1 806.418 m，前池最高水位1 807.718 m，前池結(jié)構(gòu)主要由前室、進(jìn)水室、泄水閘及泄水陡坡等建筑物組成，泄水陡坡布置于泄水閘后，主要由漸變段、緩坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段組成，除尾部渠道段采用梯形斷面型式外，其余部位均采用矩形槽斷面型式。

泄水閘凈寬10 m，長(zhǎng)15 m。漸變段長(zhǎng)30 m，縱坡為i＝1／500，底寬由10 m漸變至4 m，墻高6.771 m。緩坡段長(zhǎng)114.358 m，縱坡1／500，與陡槽之間采用渥曲方程相銜接，陡槽段全長(zhǎng)335.23 m，縱坡1／3.82，一級(jí)消力池后縱坡為1／3.295，底寬4 m，共設(shè)兩級(jí)消力池。

2 模型設(shè)計(jì)與模型制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容、供水以及場(chǎng)地等條件，本模型試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型比尺需依據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容場(chǎng)地以及供水、模型類(lèi)型選定，本模型屬于單體模型，比尺≥1∶80，故經(jīng)過(guò)綜合比選，本模型幾何比尺選定為為λL＝35，流量比尺λQ＝λL2.5＝ 7247.2，流速比尺λv＝λL0.5＝5.916糙率比尺λn＝

2.2 模型制作

模型由高水箱控制段、引渠段、前池段（包括泄水舌瓣閘門(mén)、閘后彎道段、溢流堰、堰后銜接段）、陡坡段（包括各段陡坡末端消力池）、尾水渠等部分組成。模型模擬范圍自泄水閘上游150 m，至下游最末一級(jí)消力池后300 m尾水渠。按照此要求，將原型中的材料糙率按照糙率相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算之后，選用有機(jī)玻璃制作模型。有機(jī)玻璃的糙率為0.0076～0.0086，換算成原型為0.014～0.016，與混凝土的糙率十分接近。

模型流量量測(cè)系統(tǒng)由上游量水堰和下游量水堰（均為薄壁堰）組成，來(lái)流量由上下游量水堰共同量測(cè)。經(jīng)過(guò)率定，整個(gè)模型系統(tǒng)的上、下游流量誤差不超過(guò)±5%。流速采用LGY—Ш型多功能智能流速儀測(cè)量；水位測(cè)量采用水準(zhǔn)儀和鋼板尺。模型的放線(xiàn)精度及制作安裝精度均符合水利部《河工動(dòng)床模型試驗(yàn)規(guī)程》SL99—2012及《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》SL155—2012的要求，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程也按照上述規(guī)范進(jìn)行。

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果分析

在4種泄洪工況（設(shè)計(jì)水位1806.418 m、校核水位閘門(mén)關(guān)1807.718 m、校核水位閘門(mén)開(kāi)1807.718m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）條件下，通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)體形水流流態(tài)變化、水面線(xiàn)、過(guò)流能力、壓強(qiáng)分布、沿程流速分布的試驗(yàn)成果分析，某泄水陡坡設(shè)計(jì)體型存在以下4個(gè)問(wèn)題：

1）在前3種工況下，通過(guò)的試驗(yàn)流量均小于設(shè)計(jì)流量。

2）在最高水位堰閘均過(guò)流和泄水陡坡通過(guò)最大流量110.8 m3／s時(shí)，陡槽段（0＋150～0＋695）水面均低于邊墻高度設(shè)計(jì)值，但堰后銜接段以及90°彎道的邊墻高度低于水深，說(shuō)明相應(yīng)部位建筑物過(guò)流斷面積偏小。

3）第三級(jí)消力池邊墻高度除設(shè)計(jì)水位外在其它工況下均有不足，有涌浪翻出池外。在校核水位閘門(mén)開(kāi)及泄水陡坡流量110.8 m3／s情況下，各級(jí)消力池的池長(zhǎng)明顯不足，水躍躍出池外，說(shuō)明需要增加輔助消能工，以增加消能效果。

4）最大流速均發(fā)生在陡槽末端，都在20 m／s以上，當(dāng)泄水陡坡流量為110.8 m3／s時(shí)，最大流速為27.3 m／s，接近30 m／s。因此需要在陡槽中適當(dāng)增加摻氣減蝕工程措施，以防止氣蝕發(fā)生。

4 原設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

4.1 泄水陡坡體型及摻氣設(shè)施布置

通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)在前3種工況下，通過(guò)的試驗(yàn)流量均小于設(shè)計(jì)流量，通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)原因在于設(shè)計(jì)流量均按照寬頂堰自由出流計(jì)算，而試驗(yàn)表明，此時(shí)的寬頂堰均為淹沒(méi)出流。導(dǎo)致閘門(mén)的過(guò)流能力偏低，為提高閘后段的過(guò)流能力，將泄水閘門(mén)后的90°彎道段底坡由原來(lái)的1／500變陡至1／100，其余尺寸不變。原設(shè)計(jì)方案中各工況下堰后銜接段中的消力池沒(méi)有任何作用，因此將溢流堰后的銜接段消力池去除，變?yōu)?／20.93的斜坡，銜接段出口與陡坡相交處底部高程降至1800.502 m。為進(jìn)一步降低陡槽段的流速以及減小氣蝕發(fā)生的可能性，在第二、三段陡坡靠近末端的位置增設(shè)兩個(gè)摻氣槽。

4.2 消力池體型優(yōu)化

為降低第三級(jí)消力池后尾水渠中流速，避免渠道發(fā)生沖刷破壞，將第三級(jí)消力池池深由3.5 m減少至2.65 m，以減小尾水渠底坡，池底高程不變，池末出口后的渠道底部高程相應(yīng)降低0.85 m。原設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)表明，在最高水位以及最不利工況下，消力池的體型尺寸明顯不足，池內(nèi)水面紊動(dòng)劇烈，并造成第三級(jí)消力池下游尾水渠水面波動(dòng)較大且流速偏高，因而有必要對(duì)消力池內(nèi)增設(shè)輔助消能工，可以在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上增強(qiáng)消能效果，消能懸柵是一種輔助消能工，最先使用在喀什卡群電站泄水陡坡中，消能效果顯著，其原理和其他輔助消能工一樣，使水流盡量發(fā)生摻混碰撞，流速得以降低，能量得以耗散。因此在消力池內(nèi)設(shè)置懸柵作為輔助消能工。

5 優(yōu)化體型試驗(yàn)成果分析

5.1 泄洪工況試驗(yàn)

在4種泄洪工況（設(shè)計(jì)水位1 806.418 m、校核水位閘門(mén)關(guān)1 807.718 m、校核水位閘門(mén)開(kāi)1 807.718 m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）條件下，通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)體形水流流態(tài)變化、水面線(xiàn)、過(guò)流能力、壓強(qiáng)分布、沿程流速分布的試驗(yàn)成果分析，得出以下結(jié)論：

1）各工況下舌瓣閘門(mén)和溢流堰的過(guò)流能力均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）正常水位下，各建筑物的邊墻高度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3）正常水位下各級(jí)消力池基本能滿(mǎn)足要求，但在最高水位以及最不利工況下，各級(jí)消力池的流態(tài)都比較紊亂，池長(zhǎng)明顯不夠。

5.2 消力池加?xùn)旁囼?yàn)

本試驗(yàn)中，先后在各級(jí)消力池中進(jìn)行了不同柵條間距以及單層和雙層?xùn)艞l的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在各級(jí)消力池中加設(shè)雙層懸柵可以有效地平順池內(nèi)水流，降低消力池末端流速，尤其是第三級(jí)消力池中設(shè)置的雙層懸柵，可以有效降低其后尾水渠中的流速。在工況二的情況下（校核水位閘門(mén)開(kāi)），加?xùn)胖拔菜牧魉倨毡樵? m／s左右，加設(shè)雙層懸柵之后，流速降至3 m／s左右。

5.3 舌瓣門(mén)閘前水位開(kāi)度關(guān)系試驗(yàn)

模型試驗(yàn)還測(cè)得了舌瓣門(mén)在最高水位情況下，開(kāi)度由75°（全關(guān)）降至0°（完全開(kāi)啟）時(shí)，閘門(mén)上的水頭與開(kāi)度之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)表與關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)表1和圖1。

閘門(mén)開(kāi)度／° 75 62.5 50 37.5 25 12.5 0實(shí)際水深／m 1.225 1.54 1.89 2.555 3.36 4.025 5.075

圖1 舌瓣閘門(mén)前水頭與開(kāi)度關(guān)系圖

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某水電站泄水陡坡水工模型優(yōu)化試驗(yàn)，可以分別得出以下結(jié)論：

1）泄水陡坡結(jié)構(gòu)布置合理。

2）原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，在第二、三段陡槽末端設(shè)置摻氣槽后，二級(jí)消力池池末及之后的陡槽流速均有不同程度的減小，尤其是最不利工況下流速減小的尤為明顯，但是二三級(jí)消力池的躍前流速均有小幅增加，說(shuō)明增設(shè)摻氣槽對(duì)之后的流段中整體流速的減小有一定的作用，但不顯著，建議在設(shè)計(jì)中酌情考慮是否設(shè)置多道摻氣槽。

3）通過(guò)在各級(jí)消力池中增設(shè)懸柵可以改變以上紊亂的流態(tài)，并降低第三級(jí)消力池下游渠道流速。經(jīng)過(guò)在各級(jí)消力池中進(jìn)行不同柵條間距以及單層和雙層?xùn)艞l的試驗(yàn)并綜合對(duì)比后，最終確定在各級(jí)消力池中加設(shè)雙層懸柵可以有效地平順池內(nèi)水流，降低消力池末端流速，尤其是第三級(jí)消力池中設(shè)置的雙層懸柵，可以有效降低其后尾水渠中的流速。加?xùn)胖拔菜牧魉倨毡樵? m／s左右，加設(shè)雙層懸柵之后，流速降至3 m／s左右。

4）90°彎道段的冬季排冰流量（2 m3／s）試驗(yàn)測(cè)量了彎道段內(nèi)的流速，結(jié)果表明彎道段的流速普遍＞1 m／s，基本能夠滿(mǎn)足冬季排冰的流速要求。

［1］姚錦玉.七礤水庫(kù)溢洪道重建工程挑坎設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.廣東水利水電，2013（06）：68-70.

［2］曾衡.某工程階梯溢洪道優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2012（08）：32-36.

［3］鐘勇明，黃智敏，陳卓英，何小惠.河源市源城區(qū)七礤水庫(kù)溢洪道消能試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2010（06）：22-24.

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1007-7596（2015）07-0053-02

2015-06-28

向蕾（1984-），女，新疆喀什人，學(xué)士學(xué)位，工程師，從事水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究工作。