廳子塘電站溢洪道水動力特性研究

韋耀東++馬華安++胡開富

摘要：對廳子塘電站溢洪道的泄流能力、消能效率、布置形式進行分析研究，試驗測試了泄水建筑物的泄流能力、[JP2]水動力學特性。通過模型試驗研究，廳子塘電站泄水建筑物總體布置合理，泄流能力達到設計要求，體型基本合理。最后對溢洪道閘墩體型提出修改意見，經(jīng)試驗所確定的溢洪道閘墩體型比原設計方案的防沖效果有明顯的改善。[JP]

關鍵詞：溢洪道；水動力特性；試驗模型；防沖

中圖分類號：TV32文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2015）002005403

1概述

廳子塘電站位于曲靖市沾益縣大坡鄉(xiāng)米家村上游2 km處的牛欄江干流上，上距妥樂約15 km，下距廳子塘約14 km。電站壩址控制徑流面積為3 045 km2，河道平均坡降214%，多年平均流量為251 m3/s，多年平均年徑流量為79億m3，千年一遇（P=01%）洪水流量為1 620 m3/s，百年一遇（P=1%）洪水流量為1 190 m3/s，50年一遇（P=2%）洪水流量為923 m3/s。壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為415萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為830萬t。多年平均總輸沙量為498萬t。多年平均懸移質(zhì)含沙量為041 kg/m3。

大壩樞紐建筑物結(jié)合擋水、泄流、沖沙、引水發(fā)電等布置，主要由擋水拱壩、河床段布置溢流壩段，左岸布置有導流洞，右岸布置發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井（后接壓力埋管）和沖砂底孔，廠區(qū)樞紐布置在順河右岸臺地上，主要由主副廠房及升壓站組成[1]。

2模型設計

廳子塘電站模型將樞紐泄水建筑物作為整體模型制作，溢洪道按照工程布置一次性制作。并包括設計單位提供的樞紐上、下游與試驗內(nèi)容有關的地形，進行水動力學測試和泥沙試驗。

其中上游地形制作壩軸線以上約500 m長的河道硬床地形，高程為1 825 m～河底，用于沖刷試驗的承沙區(qū)域。樞紐部分包括雙曲拱壩壩體，按工程設計布置試驗用的泄水建筑物即溢洪道和沖沙洞。下游硬床地形從大壩下游面起，下游長約300 m，河床1770～1760 m等高線做成硬床，1760 m以下到模型底板為動床區(qū)，鋪設沖坑試驗的沖料。

整體模型的下游水力條件為壩址處水位流量關系（表1）進行控制。

表1壩址、水位、流量關系

[ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）][][]

[ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）][][]

[ZB（][BHDG3，WK4，WKW]高程/m[]流量/（m3·s1）[HT][ZB）]

1 738.48[]0[][]1 746[]832[][]1 743[]353

[BHDW]1 739[]9.77[][]1 747[]1 031[][]1 744[]493

[BH]1 740[]57.8[][]1 748[]1 250[][]1 749[]1 477

[BH]1 741[]133[][]1 742[]232[][]1 750[]1 710

[BH]1 745[]653[][]-[]-[][]-[]-

3泄流能力

溢洪道在閘門全開和各種開啟高度工況下水位流量關系見表2，泄洪能力滿足設計要求，校核洪水位最大下泄流量為1 478 m3/s，設計洪水位最大下泄流量為916 m3/s，正常水位下泄流量為1 063 m3/s。

在校核洪水位1 70875 m，沖沙洞全開最大下泄流量為1221 m3/s，溢洪道和沖沙洞聯(lián)合泄洪的最大下泄流量為1610 m3/s，泄洪建筑物的泄洪能力已完全滿足設計要求。

根據(jù)模型驗證，當忽略收縮系數(shù)時溢洪道的堰流流量系數(shù)為043～041，當閘門開度為4～1 m時，流量系數(shù)為058～062，其進口和溢流堰的體型、尺寸設計合理，符合設計泄流要求。

表2溢洪道各種閘門開啟高度的泄流量

m3/s

上游水位/m[]

閘門開度

全開[]5 m[]4 m[]3 m[]2 m[]1 m

[]備注

1 801.75[]1 488[]1 112[]903[]685[]457[]225[]校核洪水位

1 801.2[]1 353

[BH]1 801[]1 303[]1 036[]857[]656[]448[]222

1 800[]1 065[]924[]782[]609[]430[]212[]正常水位

[BH]1 799.32[]907724[]574[]414[]207[]設計洪水位

[BH]1 799[]837[][]695[]555[]405[]205

1 798.92[]820[]686[]550[]403[]204[]30年一遇洪水

[BH]1 798[]637[]488[]372[]192

1 797[]453[][][][]325[]172

1 796[]288[][][][]257[]140

1 795[]149[][][][][]107

1 794[]57.2

[BH]1 793[]0

4流態(tài)觀察

（1）門全開的泄流。[JP]

在水位1 798 m以上，溢流堰進口兩邊墻處發(fā)生急彎性水流斜面，影響范圍為3 m，轉(zhuǎn)彎水流與正常水面高差為1～15 m，流態(tài)較差，但不影響過流能力。溢流堰以下水流基本平穩(wěn)，邊孔受邊墩影響在泄槽能發(fā)生沖擊波，波長延續(xù)到挑坎，最大波高為1～15 m。三個中孔泄槽水流較為平穩(wěn)。閘墩尾部為設計體型（弧線收縮）時，溢洪道挑流水舌呈扇形擴散[2]。[JP]endprint

（2）[JP+1]閘門控制下的泄流。溢流堰進口兩邊墻處在閘前發(fā)生漩渦，影響范圍為15～25 m，漩渦中心與水面高差為02～08 m，流態(tài)較差，但不影響過流能力。泄槽段流態(tài)平穩(wěn)。[JP]

5水動力特性研究

溢洪道各功能段的水動力因素測試結(jié)果見表3，分析主要因素如下。

（1）壓力分布正常，堰頂壓力無負壓，該溢流堰體型及尺寸基本正確；自由泄流時泄槽全段無負壓[3]。閘門控制下泄流在拋物線段發(fā)生負壓，屬正常情況。

同一水位下，開度愈小、負壓愈大，見圖1。其中1 m開度的負壓最大。

（2）流速分布基本正常。

（3）空蝕分析?？昭〝?shù)均為正常值，溢流面不會產(chǎn)生氣蝕。

圖1溢洪道堰面壓力分布

表中空穴數(shù)K按式（1）計算：

K=[SX（]P+Pa-Pv[][SX（]V2[]2g[SX）][SX）]（1）

式中：P為動水壓力；Pa為大氣壓力（按廳子塘電站所在高程Pa=84 m）；Pv為飽和蒸汽壓力（試驗水溫為10 ℃，取Pv=012 m） [4]。建筑物空穴數(shù)的要求如下：

K>17時，一般不會發(fā)生氣蝕；1703時，要求表面光滑，控制平整度03012時，要求加通氣槽；K<012時，要求修改體型。

（4）水面線。泄槽段水面線均處于閘墩內(nèi)，因水流摻氣而升高的水深也處于閘墩內(nèi)。底坡及邊墻設計基本正確。

斷面摻氣水深按式（2）計算：

hc=h[JB（（]1+[SX（]KV2[]gR[SX）][JB））]（2）

式中：h為凈水深；R為按不摻氣水流計算的斷面水力半徑；K為槽壁粗糙度系數(shù)，普通混凝土表面采用0004～0006。

溢洪道底板空穴數(shù)和摻氣水深測試結(jié)果見表3、表4為閘門全開時的水動力要素，表5-表8為正常水位時閘門各開度時的水動力要素。

6挑流水舌

6.1挑流水舌形態(tài)

溢洪道挑流水舌的主要形態(tài)及其造成的下游水流形態(tài)見表9。

從表中可知：正常水位泄洪時挑坎水深38 m，F(xiàn)r=15；下泄校核洪水時挑坎水深43 m，F(xiàn)r=18。反弧半徑的適宜值為R/h1=6～10，設計采用反弧半徑偏小。

（1）溢洪道結(jié)構設計比較緊湊，溢洪道挑坎設計為射角13°的連續(xù)坎，反弧半徑10 m。從流量變化與射程的關系可以看出，挑坎對于挑流的射程貢獻不大，射程基本上在一個較小的范圍內(nèi)變化。水舌形態(tài)比較接近瀑布射流，挑流形態(tài)不明顯。水股呈集中形態(tài)，對河床沖刷力較大。

（2）射流在下游河道中形成消能流態(tài)，水舌在河面造成強烈的懸滾流，最長可達26 m。

（3）下泄水流起挑水位為1 7938 m；終挑水位為[JP2]1 79345 m?？梢娞艨彩呛苋菀仔纬缮淞鞯?。由于挑坎距大壩很近，在實際操作中應充分利用閘門控制，一次起挑成功。[JP]

6.2閘墩尾墻對挑流水舌的影響

溢洪道閘墩尾墻為弧線收縮，挑坎位于弧線收縮段，水流挑出后發(fā)生扇形擴散，擴散水流最寬可達10～15 m。沖沙洞挑流水舌與溢洪道挑流水舌距離較近，在兩個泄水建筑物同時泄洪時，兩股挑流水舌最近距離為6～8 m。溢洪道挑流的扇形擴散面可以使水流落在沖沙洞建筑物上，影響沖沙洞及其挑流水舌的正常運行[5]。

由于扇形擴散面過大，水流掃射的區(qū)域大，已經(jīng)撒落到壩下兩側(cè)山體上，影響岸坡穩(wěn)定。

7結(jié)論及建議

（1） 溢洪道各段流態(tài)基本平穩(wěn)，在各種閘門開度泄洪時不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

（2）溢洪道進水口處于開闊水面，泄流時河勢為1/4球體匯流，側(cè)邊有側(cè)向進水。兩側(cè)閘墩的迎水面設計為半圓，外邊墻為直墻，形成水流直角拐彎，對于溢洪道進水不利，因此發(fā)生急彎性水流斜面，流態(tài)較差。

建議兩側(cè)閘墩的迎水面設計為圓柱形，[JP2]外邊墻的擋水墻位于圓柱形后，可以改善進水條件，減少急彎性水流斜面，糾正流態(tài)。修改為圓柱形后，轉(zhuǎn)彎水流與正常水面高差為[JP]04～08 m，流態(tài)得到一定改善，泄槽內(nèi)沖擊波消失，堰面水流相對平穩(wěn)。

（3） 墩尾收縮引起的水舌擴散，對于挑流消能無影響，但影響岸坡。建議改為直墻，以約束水舌。通過模型修改后觀察流態(tài)，相鄰的兩股挑流水舌互不影響，流態(tài)較好，泄水運行正常。

為了使溢洪道在多種閘門組合調(diào)度時都有較好的流態(tài)，建議全部閘墩尾均修改為直墻。修改后測試，水舌已不再向外擴散。