吉布洛電站上游調(diào)蓄水庫泄水建筑物水工模型試驗研究

李穎，陶永霞，劉子祺，羅全勝，雷恒

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封　475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封　475004；3．黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟源　459017）

吉布洛電站上游調(diào)蓄水庫泄水建筑物水工模型試驗研究

李穎1，2，陶永霞1，2，劉子祺3，羅全勝1，2，雷恒1，2

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封475004；3．黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟源459017）

針對吉布洛電站上游調(diào)蓄水庫泄水建筑物底孔位置低、泄量大、下游僅用防沖護坦作消能工等特點，采用1∶40幾何比尺建立了正態(tài)整體物理模型，通過模型試驗分析了泄水建筑物過流能力、水流流態(tài)及流速、進出口體型等。試驗發(fā)現(xiàn)泄流時，出現(xiàn)了排漂泄流下游水橫向流入表孔下游、主流側(cè)流左右岸裹頭水流現(xiàn)象明顯、底孔下游水躍有水拱及二級水躍現(xiàn)象發(fā)生等問題。為此，提出了邊墩進口體型優(yōu)化方案，同時疏浚下游河道，改善水流流態(tài)。結(jié)果表明，措施有效，橫向流消失，水拱及水躍現(xiàn)象基本消除，為工程設(shè)計和施工提供依據(jù)。

泄水建筑物；水工模型試驗；流態(tài)；流速；吉布洛電站

1　概況

吉布洛電站上游調(diào)蓄水庫位于赤道幾內(nèi)亞維樂河上，工程為閘壩式結(jié)構(gòu)，河床壩段為混凝土擋水及泄水建筑物，兩岸連接段為心墻堆石壩，壩長518 m，壩寬約100 m，最大壩高50 m?；炷列顾ㄖ镩L113 m，由3個泄洪底孔、3個泄洪表孔和1個排漂道組成，如圖1所示。設(shè)計洪水標準［1］為500年一遇，校核洪水標準為10 000年一遇。泄水建筑物具有底孔位置低、泄量大、泄流條件復(fù)雜等特點，最大泄量6 206 m3/s，而且大壩下游未建消力池，僅考慮利用巖石自身抗沖能力，設(shè)置了防沖護坦。

圖1　泄水建筑物平面布置圖Fig.1　The plan of the flood discharge structure

2　模型設(shè)計與工況選擇

2.1模型設(shè)計

根據(jù)弗勞德重力相似準則設(shè)計模型［2-3］，模型幾何比尺為Lp/Lm=λL=40，其流速比尺、流量比尺、糙率比尺、時間比尺、密度比尺分別為6.32、10 119.29、1.85、6.32、1。按原地形制作正態(tài)整體模型，模型主要由上游水庫、發(fā)電站進口、底孔、表孔及排漂泄水建筑物和下游河道組成。模型試驗采用斷面法制作地形，壩體部分采用混凝土制作，過水建筑物使用有機玻璃制作，河床采用混凝土砂漿硬化，砂漿厚度達到4 cm，邊墻采用24磚墻砌筑，內(nèi)外墻面使用混凝土砂漿粉面，尾水采用插板式尾門設(shè)計，尾門寬度13 m。試驗設(shè)備和量測技術(shù)條件均滿足《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》［4］要求。

2.2模型試驗工況與測試方法

根據(jù)模型測試程序及試驗測試內(nèi)容，制定了本模型試驗的試驗工況、運行工況、觀測內(nèi)容等，模型試驗工況見表1。

為量測分析校核洪水位、設(shè)計洪水位時底孔泄洪建筑物、表孔泄洪建筑物及排漂建筑物堰面壓力，在底孔、表孔泄流建筑物及排漂建筑物堰面分別布設(shè)測壓管12根、15根、10根［5］，如圖2（a）所示。為控制上下游校核洪水位、設(shè)計洪水位及水庫、電站進水口不同水位，分別在壩上0～100.00斷面、距下游尾門80 m處和距電站進口上游50 m處布設(shè)測針量測控制水位；在上下游過水斷面布設(shè)7個過水斷面，采用三點法測速；左1～左4、右1～右4分別為左右岸順壩流測速斷面，采用三點法測速；下游左右裹頭布置6個測速斷面，采用一點法測速，如圖2（b）所示。試驗采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀進行測速，WYG-Ⅱ型智能水位儀進行水位量測，測針為SCW60，精度為＜±0.27 mm。

表1　模型試驗工況表Tab.1　Table of working conditions of the model test

3　原設(shè)計試驗及結(jié)果

3.1過流能力分析

整體泄水建筑物水位與流量關(guān)系如表2所示，可以看出泄水建筑物設(shè)計洪水位下最大泄流量6 625.89 m3/s，校核洪水位下最大泄流量6 837.60 m3/s，大于6 206 m3/s，滿足過流能力要求。

圖2　壓力及流速測試點布置平面圖Fig.2　Arrangement of test measuring and velocity points

表2　整體泄流建筑物水位與流量關(guān)系Tab.2　Relations between the water level of the whole sluicing structures and flow

3.2水流流態(tài)分析

1）全開設(shè)計洪水位時，上游左右岸有順壩流，但順壩流速不大；表孔泄流建筑物的左右邊孔繞流明顯，左邊墩處繞流深度4 m左右，右邊墩處繞流深度2 m左右，邊孔泄流有偏流、脫流現(xiàn)象；底孔水面處右側(cè)漏斗漩渦不斷，多發(fā)生在右岸連接壩段，漏斗漩渦深度超出1 m，如圖3（a）所示。下游603 m時水躍、水拱、二級水躍位置較下游606.22 m時下移，側(cè)流現(xiàn)象不太明顯；下游606.22 m時左岸裹頭上水深2 m左右，右岸裹頭上水深2.8 m左右。

圖3　典型工況各段流態(tài)Fig.3　Flow regime of each typical condition

2）全開校核洪水位時，上游左右岸順壩流明顯，但順壩流速不算大；表孔左右邊孔繞流更加明顯，左邊墩處繞流深度6 m左右，右邊墩處繞流深度4 m左右，邊孔泄流偏流現(xiàn)象明顯，如圖3（b）所示。底孔右側(cè)水面處漏斗漩渦頻繁發(fā)生，漏斗漩渦深超出1.5 m，水面深陷，漩渦挾帶氣泡進入進水口，如圖3（c）所示。下游603.5 m時水躍、水拱、二級水躍位置較下游606.53 m時稍下移，側(cè)流現(xiàn)象不太明顯；下游606.53時側(cè)流現(xiàn)象較明顯，左岸裹頭上水深2.8 m左右，右岸裹頭上水深2～2.8 m。

3.3水流流速分析

設(shè)計洪水位下整體泄流時，底孔泄流下游主流基本居中，表孔泄流下游主流居中稍偏右。底孔下游躍前斷面底部流速約為25.11 m/s，水躍區(qū)底部最大流速約為21.06 m/s，表孔下游躍前斷面底部流速約為21.75 m/s，水躍區(qū)底部最大流速約為21.36 m/s；通過水躍消能后底部流速基本小于10 m/s。校核洪水位下底孔、表孔除有個別點流速大于10 m/s，其他流速均小于10 m/s，說明護坦起到了一定的消能防沖作用。

左岸順壩流稍強于右岸，校核洪水位時順壩流流速稍大于設(shè)計洪水位時順壩流流速，但一般順壩流流速平均小于0.50 m/s，建筑物整體泄流時左右岸的順壩流應(yīng)該不會對土壩體連接段造成沖刷。上游裹頭進口處底孔底部流速為1.12 m/s，表孔底部流速為1.02 m/s，裹頭處流速較單體泄流時小，均不會引起上游裹頭沖刷。下游裹頭水流速度一般不大于10 m/s，不會引起下游基巖河床的沖刷。

壩下游未作消能工［6］，裹頭處流速量測結(jié)果見表3。左裹頭底部流速均小于10 m/s，右裹頭1處～右裹頭3處底部流速最大，設(shè)計洪水位下右裹頭底部最大流速為16.05 m/s，校核洪水位下右裹頭底部最大流速為20 m/s左右。斜坡護坦0+033.00斷面下游底部流速基本均小于20 m/s。由此可判斷利用巖石自身抗沖能力能起到消能防沖效果。

3.4水面線分析

通過不同工況水面線測繪圖可以看出，排漂泄流時下游水面比較平穩(wěn)，水位沿程變化不大，校核洪水位時裹頭處最高水位位603.28 m，低于裹頭頂部高程603.5 m；底孔泄流、表孔泄流水位沿程變化較大，從壩頂下泄水流在建筑物下游發(fā)生水躍水面壅高，在躍后（壩下游87.5 m左右）發(fā)生水拱水面繼續(xù)升高，在壩下游145 m以后水面開始下降，然后受下游地形影水面又升高。表孔泄流時下游左岸裹頭處最高水位為605.16 m，底孔泄流時下游右岸裹頭處最高水位為606.32 m，而左右岸裹頭頂部高程為603.5 m，因此下游洪水時極易發(fā)生主流側(cè)向流［7-8］。

4　優(yōu)化設(shè)計后試驗及結(jié)果

1）表孔邊墩優(yōu)化

為改善表孔進口流態(tài)，沿表孔左右邊墩向上游延伸做導(dǎo)流墩，優(yōu)化表孔進口體型，減小改善邊墩進口繞流現(xiàn)象，導(dǎo)流邊墩為1/4圓弧，圓弧半徑為6 m，圓心o在底孔上游最邊沿線上，如圖5所示；表孔進口改進后，表孔單體泄流、整體泄流時，表孔進口邊墩繞流深度與改進前相比大大改善，最大繞流深度1.5 m左右，遠小于優(yōu)化修改前表孔進口繞流深度，表孔左、右邊孔主流基本居中，堰面下游偏流、脫流現(xiàn)象得到很大改善，如圖6所示。

表3　設(shè)計洪水下游603.0 m泄流時垂線流速分布Tab.3　Vertical velocity distribution of the designed flood downstream discharge of 603.0 m　m/s

圖4　泄水建筑物全開校核洪水位（下游606.53 m）水面線Fig.4　Checking the water level of flood（606.53 m downstream）with the discharge structure fully opened

圖5　表孔邊墩優(yōu)化模型平面圖Fig.5　Optimized model plan of the table hole pier

圖6　表孔邊墩優(yōu)化后進口流態(tài)Fig.6　Import flow regime after the table hole pier is optimized

2）表孔與底孔下游分隔墻加高10 m，左、右岸下游擋墻外側(cè)坑洼處回填至擋墻頂泄水建筑物泄流時，隔墻加高處無橫向流發(fā)生，在其下游稍有不太明顯的橫向流現(xiàn)象，如圖7所示。泄水建筑物主流無側(cè)流左右岸裹頭水流現(xiàn)象，側(cè)向回流消失。校核情況下，底孔泄流和整體泄流時左岸裹頭無側(cè)向流，右岸裹頭下游為彎道凹岸，水面壅高，稍有壅高水流流向裹頭。

3）下游河道疏浚

下游河道疏浚至壩下游300 m處，疏浚高程至590 m高程。泄水建筑物下游水躍位置下移，表孔下游水躍發(fā)生位置在閘墩墩尾處，底孔下游水躍發(fā)生位置在底孔閘墩尾部下游處，水躍下游水拱、二級水躍水流現(xiàn)象消失，泄水建筑物下游水流流態(tài)得到大大改善。由于下游河道疏浚，河床高程降低，泄水建筑物下游水躍位置下移，斜坡護坦段有較長急流段，斜坡上流速25 m/s左右；底孔閘墩尾部為方形高速水流在墩尾脫流線明顯，下游水位較低時，底孔閘墩尾有水舌挑起［9-13］，如圖8所示。

圖7　加高后分隔墻及校核工況流態(tài)Fig.7　Flow regime after the flow guide wall raising and checking

圖8　下游河道疏浚后流態(tài)Fig.8　Flow regime after downstream river-way is dredged

5　結(jié)論

通過吉布洛電站上游調(diào)蓄水庫水工模型試驗，模擬了該河段在不同水流條件下的水力運動規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）全開整體泄流時，設(shè)計洪水位下過流量Q= 6 625.89 m3/s，校核洪水位下過流量Q=6 837.6 m3/s，大于最大泄量Q=6 206 m3/s，過流能力滿足設(shè)計要求。

2）表孔進口邊墩體型提出了改進措施，改進后表孔進口邊墩處繞流現(xiàn)象得到明顯改善，泄流建筑物進流基本均衡。

3）泄流建筑物下游，水躍前最大流速25.11 m/s，水躍區(qū)裹頭段最大流速小于23 m/s，躍后流速小于10 m/s，說明利用防沖護坦消能起到了消能作用，不會引起下游基巖河床沖刷。

4）表孔泄流下游與底孔泄流下游間分隔墻高度加高10 m，無橫向流現(xiàn)象。

5）下游河道疏浚后流態(tài)得到了改善，下游水躍位置下移不會影響底孔閘墩處閘門，下游水拱、二級水躍、裹頭上的側(cè)向流消失。

［1］中華人民共和國水利部.SL252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］水利水電科學(xué)研究院.水工模型試驗 ［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［3］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］南京水利科學(xué)研究院.SL155-2012，水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［5］成應(yīng)鵬，周錫發(fā)，趙以國，等.開縣天白水電站水工模型試驗［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，32（1）：161-163.CHENG Yingpeng，ZHOU Xifa，ZHAO Yiguo，et al.Hydraulic model test of spillway in Kaixian Tianbai hydropower station［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2013，32（1）：161-163（in Chinese）.

［6］丁旭.赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫泄洪建筑物流態(tài)三維模擬計算［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2015，9（31）：96-99.DING Xu.The numerical simulation（CFD）for flood dischargestructureinthedjiplohoupstreamstorage reservoir in equatorial guinea［J］.Power System and Clean Energy，2015，9（31）：96-99（in Chinese）.

［7］宿祺.團山子水利樞紐工程溢洪道模型試驗研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

［8］羅永欽，張紹春，楊家衛(wèi).觀音巖水電站泄水建筑物水力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.水力發(fā)電，2015，2（41）：90-93.LUO Yongqin，ZHANG Shaochun，YANG Jiawei.Study on the key hydraulics problems of flood discharge structure of Guanyinyan hydropower station［J］.Water Power，2015，2（41）：90-93（in Chinese）.

［9］呂會嬌，鄭慧洋，袁淮中，等.玉灘水庫工程溢洪道水工模型試驗研究［J］.水利水電工程設(shè)計，2013，32（1）：43-47.Lü Huijiao，ZHENG Huiyang，YUAN Huaizhong，et al.Experiment on hydraulic model of spillway of Yutan reservoir［J］.Design of Water Resources&Hydroelectric Engineering，2013，32（1）：43-47（in Chinese）.

［10］王麗杰，楊文俊，常銀兵，等.寬尾墩-跌坎型底流聯(lián)合消能工水力特性試驗研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2013，11（2）：37-40.WANG Lijie，YANG Wenjun，CHANG Yinbing，et al.Experiment study of energy dissipation of flaring pierfalling still bottom-flow plunge pool［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology，2013，11（2）：37-40（in Chinese）.

［11］付旭輝，楊勝發(fā)，劉良軍，等.羊頭鋪水電站水工模型試驗研究［J］.小水電，2008，139（1）：11-14.FUXuhui，YANGShengfa，LIULiangjun，etal.Experimental research on sheep head shop hydropower hydraulic model［J］.Small Hydropower，2008，139（1）：11-14（in Chinese）.

［12］王一博，費文才，賀昌海.麥洛維水電站#1堰孔水工模型試驗研究［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（8）：84-86.WANG Yibo，F(xiàn)EI Wencai，HE Changhai.Hydraulic model test study of weir hole#1 of merowe hydropower station［J］.Water Resources and Power，2011，29（8）：84-86（in Chinese）.

［13］顏雪麗，楊勝發(fā)，孫連超.劉家溝水電站水工模型試驗研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，30（4）：839-842.YAN Xueli，YANG Shengfa，SUN Lianchao.Hydraulic model test of Liujiagou hydropower plant［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2011，30（4）：839-842（in Chinese）.

（編輯李沈）

Research on Hydraulic Model Test of Sluicing Structures of Upstream Storage Reservoir of Djiploho Hydropower Station

LI Ying1，2，TAO Yongxia1，2，LIU Ziqi3，LUO Quansheng1，2，LEI Heng1，2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Engineering Technology Research Center of Small Watershed Conservancy of Universities of Henan Province，Kaifeng 475004，Henan，China；3.Yellow River Water Resources and Hydropower Development Corporation，Jiyuan 459017，Henan，China）

In view of the characteristics of Djiploho Hydropower Station's upstream storage reservoir such as the low spillway hole position，huge amount of the discharge and only scour apron（anti-impingement bedding）used as the energy dissipator，a normal integrated physical model is established by 1：40 geometric scale in this paper，and the spillway flow capacity，flow regime and flow velocity，and inlet and outlet sizes can be explored through the model test.The test finds that in the course of discharge，significant transverse flow of the downstream water into the the surface hole and obvious wrapped head flow of the mainstream and side stream on the left and right banks occur，and water jump arch and secondary water jump phenomena also occur.For this purpose，a scheme is proposed in this paper to optimize the inlet type of the side pier and dredge the downstream river-way and improve the flow pattern.The results show that the measures are effective，and the transverse flow disappears，the water arch and the hydraulic jump are eliminated，and the model of the paper can provide the basis for the engineering design and construction.

discharge structure；hydraulic model test；flow regime；flow velocity；Djiploho hydropower station

1674-3814（2016）07-0149-06

TV131.4

A

國家自然科學(xué)基金項目（U1304503）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目（132300410022）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（U1304503）；Basic and Advanced Technology Research Program of Henan Province（132300410022）.

2015-12-15。

李穎（1981—），女，講師，研究方向為水利水電工程；

雷恒（1980—），男，副教授，研究方向為水工模型試驗。