某水電站表孔溢洪洞水力特性模型試驗研究

張 勇，唐聰聰，高東紅

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000；2.大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

某水電站表孔溢洪洞水力特性模型試驗研究

張 勇1，唐聰聰2，高東紅2

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000；2.大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

通過1∶40的整體水工模型試驗，對某水電站表孔溢洪洞的泄流能力進行驗證。通過觀測分析各工況下表孔溢洪洞進口控制段流態(tài)、水深、流速，得出水位～流量關(guān)系曲線以及水位～流量系數(shù)關(guān)系曲線。根據(jù)試驗結(jié)果，對原設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計并提出合理化建議，消除了泄流過程中的不利流態(tài)，使泄流能力達到設(shè)計要求。

模型試驗；表孔溢洪洞；泄流能力；關(guān)系曲線

1 工程概況

某水電站屬大（2）型Ⅱ等工程，其主要任務(wù)是發(fā)電。水庫正常蓄水位752m，總庫容2.32億m3，調(diào)節(jié)庫容1.43億m3，裝機160MW，電站保證出力19.22MW，年平均發(fā)電量5.24億kW·h。

電站工程由攔河大壩、泄洪、引水建筑物及地面廠房等主要建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，攔河壩為1級建筑物，溢洪洞、深孔溢洪洞為2級建筑物，發(fā)電洞及電站廠房為3級建筑物。

表孔溢洪洞布置在右岸，設(shè)計泄量776.41m3/s，校核泄量1080.33m3/s，全長約327m。表孔溢洪洞由進口引渠段、控制段、洞身段、泄槽段、出口消能段組成，見圖1。其中各段組成為:原設(shè)計引水渠段底板高程為739m，斷面型式為梯形，底寬14m，邊坡1∶0.5?？刂贫尾捎肳E S實用堰型，上游堰高p1=5.0m，堰頂高程741m，堰寬11m，中圓弧半徑R1=1.96m，上、下游圓弧半徑R3、R1分別為0.392m、4.9m，溢流堰面曲線方程為y=0.071850x1.85，堰后由1∶1的陡坡與洞身反弧段連接。洞身段全長328m，包括進口漸變段、反弧段、洞身段。漸變段長15.0m，由11.0m× 10.0m的矩形斷面漸變成8.0m×10.0m的城門洞型斷面，圓拱中心角為120°。泄槽及出口消能段包括挑流鼻坎段和下游護坦段。挑流鼻坎長29m，反弧半徑為40m，反弧角度為39.063°，反弧分為3段，第一段角度為11.840°，第二段角度為11.167°，第三段角度為16.056°［1］。

圖1 溢洪洞布置及測量斷面圖

2 模型設(shè)計及試驗方案

2.1 模型設(shè)計及試驗工況

根據(jù)試驗任務(wù)和試驗大廳的場地條件，該水電站整體水工模型試驗按弗勞德重力相似準(zhǔn)則，并考慮阻力相似，采用整體正態(tài)模型，模型比尺為1∶40，建筑物引水渠段為P V C板制作，閘門、控制段、洞身段采用有機玻璃制作。模型設(shè)計中相關(guān)物理量見表1，特征工況下的水位、流量見表2。水工整體模型模擬范圍取引水渠段130m，直接與水庫相接。下游河道為定床，用水泥砂漿抹面，作為水位流量控制河段。其余建筑物采用有機玻璃制作，已達到建筑物糙率相似，光滑整潔，并且便于觀察水流特性。溢洪洞的控制段、漸變段、洞身段及出口泄漕段的底板均安有測壓孔，用以測量壓強分布規(guī)律。

表1 重力相似條件下各水力參數(shù)

表2 溢洪洞試驗工況組合

2.2 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容主要包括:觀測分析各工況表孔溢洪洞進口控制段流態(tài)、水深、流速，驗證過流能力及流量系數(shù)；繪制控制段“水位～流量”、“水位～流量系數(shù)”關(guān)系曲線等；繪制控制段沿線各工況的水深、流速等；根據(jù)試驗結(jié)果對溢洪洞提出優(yōu)化方案。

3 原設(shè)計方案試驗成果

本次試驗共進行了庫水位743.788～754.828m范圍內(nèi)7組不同的水位工況。

3.1 泄流能力

在不同的庫水位情況下，模型試驗得出的溢洪洞的泄流量為95.702m3/s～1062.52m3/s，泄流能力曲線如圖2所示。由圖中可以看出在模型試驗流量小于計算流量，隨著水位的升高流量相對差值越大，流量相對差值最大為-3.3%，泄流能力太小，達不到工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 庫水位～流量關(guān)系曲線

3.2 流量系數(shù)

溢洪洞控制段采用WE S溢流堰，堰寬11m，根據(jù)《水力學(xué)》中提出的流量系數(shù)計算公式如下［2］:

其中Q—溢洪洞過流量；c—上游堰面坡度影響系數(shù)；ε、σs—分別為側(cè)收縮系數(shù)和下游淹沒系數(shù)；H0—堰前總水頭，取H0=H；m—流量系數(shù)。

對于（1）式，溢洪洞內(nèi)有漸變段的存在，且洞身段較復(fù)雜，上游堰面坡度影響系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和淹沒系數(shù)不易確定，所以將綜合起來考慮，得綜合流量系數(shù)公式如下:

得水位～綜合流量系數(shù)如圖3所示

圖3 水位～綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線

由圖中可以看出:隨著庫水位的升高，實測綜合流量系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，與標(biāo)準(zhǔn)WE S剖面型實用堰的流量系數(shù)變化規(guī)律有所不同。

3.3 流態(tài)及水面線

由于堰高較小，引水渠內(nèi)水流流速較大，水流出現(xiàn)震蕩，在引水渠護坦與溢洪洞進口控制段連接處水流流態(tài)不均勻，出現(xiàn)漩渦，漸變段處水流交匯，水位波動較明顯，洞身內(nèi)水流流態(tài)較平穩(wěn)。

因泄流能力較設(shè)計值小，控制段內(nèi)水面線低于設(shè)計水面線。

3.4 流速、時均脈動壓力

在設(shè)計水位工況下，實測表孔溢洪洞內(nèi)流速分布在10.65m/s～26.51m/s。洞身沿程流速逐漸增大。

在整體水工模型中，WE S溢流堰至反弧段末端共設(shè)置13個壓強測點，泄槽內(nèi)設(shè)置6個測點，從壓力分布圖上看，當(dāng)水位高于設(shè)計水位752m，樁號0+000.000～0+008.000內(nèi)開始出現(xiàn)負壓，最小負壓出現(xiàn)在樁號0+004.000處，為-1.602m水柱，負壓的絕對值較小，滿足規(guī)范要求［3］。

4 修改試驗方案

由試驗結(jié)果得出:在原設(shè)計方案下溢洪洞泄流能力不滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，引水渠內(nèi)水流流速較大，水位波動較大，在高水位下，會溢出邊墻，在溢洪洞進口連接處水流出現(xiàn)漩渦，水流流態(tài)不平穩(wěn)，過流效果不理想。

表孔溢洪洞在設(shè)計水位752.00m和校核水位754.71m時的試驗實測下泄流量分別為760.494m3/s和1048.746m3/s；設(shè)計要求的下泄流量分別為776.41m3/s和1080.33m3/s，試驗泄流能力偏小。為了使表孔溢洪洞的泄流能力滿足設(shè)計要求，建議引水渠底部高程降低3.0m，即引水渠底部高程由原設(shè)計高程739.00m降低為736.00m，邊坡保持不變，實驗內(nèi)容保持不變［4-6］。

4.1 泄流能力

引水渠底板高程降低后，溢洪洞的過流能力明顯加大，隨著庫水位的升高，實測流量值比相應(yīng)水位下的計算值增大，流量相對差值最大為5.2%，滿足設(shè)計要求。修改前后的水位～流量關(guān)系見圖4。

圖4 修改前后的水位～流量關(guān)系曲線

4.2 流量系數(shù)

流量系數(shù)的變化趨勢與原設(shè)計方案基本相同，也是呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在小流量情況下，修改前后的流量系數(shù)基本相同，隨著庫水位的升高，溢洪洞的過流能力明顯增大，相應(yīng)的流量系數(shù)也隨之增大。修改前、后的水位～綜合流量系數(shù)如圖5所示。

圖5 修改前后水位～綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線

4.3 流態(tài)及水面線

引水渠底板高程降低后，引水渠內(nèi)水深加大，流速減小，渠內(nèi)水流震蕩幅度大大減小，基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)。護坦與進口控制段連接處，水流過渡比較平順，漩渦消失。洞身內(nèi)水流流態(tài)也較為平穩(wěn)。

修改方案后，實測流量都略大于計算值，滿足設(shè)計要求，因此，在設(shè)計水位工況下，水面線與設(shè)計水面線吻合較好。洞身和泄槽邊墻高度均有一定安全余幅。

4.4 流速、時均脈動壓力

修改后，在設(shè)計水位下，溢洪洞內(nèi)沿程流速分布范圍10.21m/s～27.24m/s。流速變化幅度不大。在試驗工程中，從時均脈動壓力分布圖上看:方案修改前后壓強變化趨勢基本相同。

修改方案后，當(dāng)庫水位高于設(shè)計水位752m時，才開始出現(xiàn)負壓，負壓范圍為樁號0-001.562～0+ 008.000，最小負壓出現(xiàn)在樁號0+002.000，最小值為-1.698m水柱，究其原因，由于過流量增大，溢流堰流速增大，此處真空度絕對值增大，所以負壓就更小。但仍滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論及建議

本文通過對某水電站表孔溢洪洞進行整體水工模型試驗，對其過流能力進行校核，并在此基礎(chǔ)上對設(shè)計提出優(yōu)化方案，其結(jié)論及建議如下:

（1）通過試驗得出在原方案設(shè)計情況下，溢洪洞的過流能力不足，不能滿足設(shè)計要求，且引水渠內(nèi)水位波動較大，使水流不能平穩(wěn)地過渡到溢洪洞內(nèi)，通過方案的修改，溢洪洞實測泄流量都略大于計算值，完全滿足設(shè)計要求，此時，水流流態(tài)也得到大大改善，故建議采用此修改方案施工。

（2）試驗得出的水位～流量關(guān)系曲線，水位～綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線，與以往工程經(jīng)驗值的變化規(guī)律相吻合，且與計算值相近，具有一定的可信度。

（3）修改方案后，試驗觀測了校核水位、設(shè)計水位及正常水位的水面線，與設(shè)計水面線吻合較好，結(jié)果洞身和泄槽邊墻高度均有一定安全余幅。《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2002）規(guī)定，高流速無壓隧洞摻氣水面線以上空間宜為隧洞斷面面積的15～25%。在校核水位下，高流速無壓隧洞摻氣水面線以上空間最小面積余幅分別為29.14%，滿足規(guī)范要求。

（4）高于設(shè)計水位752m后，溢流堰段出現(xiàn)負壓，但絕對值不是很大，滿足規(guī)范要求，通過試驗，在反弧段末端至泄漕段水流流速會超過30m/s，建議根據(jù)一定情況在挑流消能段處設(shè)置摻氣減蝕措施。

［1］劉亞坤，倪漢根.新疆吉勒布拉克水電站表孔溢洪洞水工模型試驗初步報告［R］.大連:大連理工大學(xué)，2014.

［2］劉亞坤.水力學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:96-97，230-235.

［3］SL279-2002.水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］張明義，陳曉梅.溫泉水電站表孔溢洪道水工模型試驗研究［R］.西安:水力學(xué)與水利信息學(xué)進展，2009.

［5］牛文娟.某水利樞紐工程表孔溢洪道模型試驗設(shè)計研究［J］.水利科技與經(jīng)濟，2012（09）.

［6］葛旭峰，魯克恩.小石峽水電站表孔溢洪道模型試驗研究［J］.南水北調(diào)與水運科技，2010（05）.

TV135

A

1672-2469（2015）10-0061-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.18

張 勇（1968年—），男，高級工程師。