SUE 水電站工程設(shè)計(jì)方案評價(jià)及優(yōu)化

王勤香，朱政德

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

SUE 水電站工程設(shè)計(jì)方案評價(jià)及優(yōu)化

王勤香1，朱政德2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

依據(jù)國際規(guī)范及合同要求，采用變態(tài)定床模型試驗(yàn)方法，對SUE水電站工程建筑物設(shè)計(jì)方案合理性進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，SUE水電站建筑物體型尺寸設(shè)計(jì)合理，泄洪閘過流能力滿足要求，上游翼墻及下游導(dǎo)流墻起到導(dǎo)流、平穩(wěn)流態(tài)的作用，但設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)泄洪閘下游消力池消能防沖效果欠佳；為此，根據(jù)下游水躍的特點(diǎn)，合理加長消力池長度，并在消力池水躍尾部合適位置設(shè)置消力墩對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化；優(yōu)化后PMF洪峰流量時(shí)，海漫水流平穩(wěn)，海漫末端斷面垂向流速分布趨于正常流速分布；設(shè)計(jì)流量時(shí)，海漫下游底部流速減小，下游河床不會發(fā)生沖刷。

水電站；設(shè)計(jì)方案；評價(jià)；優(yōu)化；模型試驗(yàn)

SUE水電站位于蘇丹南部SUE河上，SUE水庫的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)徑流，為水庫下游地區(qū)提供灌溉用水，并兼顧發(fā)電。擬定壩長3 748.5 m，正常蓄水位和PMF洪水位均為445 m。根據(jù)本工程的地形、地質(zhì)條件等，建筑物主要包括左岸均質(zhì)土壩壩段，左岸混凝土連接壩段，泄洪閘壩段，廠房壩段，右岸混凝土連接壩段和右岸均質(zhì)土壩壩段。主河槽布置電站廠房和泄洪閘，兩側(cè)布置擋水大壩，閘址選在主河槽左岸的淺灘上。泄洪閘共設(shè)7孔，閘段總長83.00 m，每孔凈寬11 m，設(shè)計(jì)洪水流量1 030 m3/s，PMF洪水泄量1 880 m3/s，選用WES實(shí)用堰，堰頂高程439.30 m。閘室基礎(chǔ)坐于沖積層上，下游消力池設(shè)計(jì)池長40.00 m，池深2.1 m，消力池后接海漫，海漫下游為侵蝕沖積平原［1］。

1 原設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證評價(jià)的主要內(nèi)容

依據(jù)國際規(guī)范及合同要求，采用較為準(zhǔn)確可靠的水工模型試驗(yàn)方法，對SUE水電站原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行以下幾方面驗(yàn)證評價(jià)：

（1）驗(yàn)證評價(jià)PMF洪水445 m時(shí)泄水閘泄洪能力能否滿足PMF洪水流量1 880 m3/s要求；

（2）觀察上游進(jìn)口翼墻流態(tài)，量測順壩流速對大壩的影響，并對上游翼墻防沖及體型布置進(jìn)行評價(jià)；

（3）驗(yàn)證評價(jià)坐于沖基層的泄洪閘的消能防沖措施；

（4）觀察泄洪閘下游流態(tài)，評價(jià)電站尾水渠與消力池之間導(dǎo)流墻尺寸及體型布置。

2 模型設(shè)計(jì)

考慮模擬河道洪水，應(yīng)滿足重力（Fr）相似，且滿足紊動阻力相似要求［2-3］；主要控制比尺為幾何比尺、流量比尺、流速比尺、糙率比尺，其中：λu=

考慮研究內(nèi)容、模型場地、供水設(shè)備及量測精度等因素，模擬河段長選取大壩上、下游分別為1.0 km、0.8 km，模擬河寬按照壩軸線長度取3.8 km。模擬河段鉛垂尺寸遠(yuǎn)小于平面尺寸，模型平面比尺不能太小，而鉛垂比尺不能太大，模型設(shè)計(jì)為變態(tài)定床模型，取變態(tài)率e=2。因變態(tài)率較小，平原河道變態(tài)模型對流速分布的影響不大。故模型水平比尺λl=100，鉛垂比尺λl=50。模型平面布置見圖1，圖中標(biāo)識的斷面為測流速、水位斷面［4］。

圖1 模型平面布置圖

3 設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)評價(jià)分析

3.1 過流能力驗(yàn)證評價(jià)

模型試驗(yàn)研究主要內(nèi)容為驗(yàn)證泄洪閘型式、尺寸設(shè)計(jì)是否滿足過流能力要求，也就是說上游PMF洪水時(shí)泄洪閘能否達(dá)到1 880 m3/s過流能力。為此，在模型前池的進(jìn)口處的供水管道上安裝電磁流量計(jì)控制水庫上游來流量，在閘前進(jìn)口漸變流斷面布設(shè)測針量測閘前水位，驗(yàn)證水位流量關(guān)系。根據(jù)驗(yàn)證水位流量關(guān)系與設(shè)計(jì)單位提供的Sue泄洪閘水位流量關(guān)系進(jìn)行比較，量測的水位流量關(guān)系與推算的水位流量關(guān)系十分接近，模型設(shè)計(jì)制作準(zhǔn)確合理；當(dāng)上游水位445 m時(shí)泄洪閘敞泄流量為1 950.94 m3/s，此流量大于設(shè)計(jì)的PMF洪峰流量1 880 m3/s，且相對誤差為3.78%，泄洪閘過流能力滿足要求。

3.2 上游進(jìn)口流態(tài)、流速試驗(yàn)分析

SUE水電站因壩長、壩前水深大，水庫面積大，進(jìn)口水流流態(tài)十分平穩(wěn)，翼墻處基本無回流。圓弧形翼墻進(jìn)流條件良好，能較好引導(dǎo)水流進(jìn)閘泄流，WES堰起到很好的蓄水、平穩(wěn)水頭、加大過流能力作用。

通過泄洪閘前0-580斷面觀測流速，壩前流速平緩，進(jìn)閘水流不會對上游翼墻產(chǎn)生沖刷，順壩流速不大，除了PMF洪水（Q=1 880 m3/s）時(shí)壩坡中水面流速稍大于1.0 m/s，其他情況下各處的流速均小于1.0 m/s，應(yīng)該不會對壩體造成沖刷。

3.3 泄洪閘下游流態(tài)及消能防沖效果分析

3.3.1 消力池及海漫流態(tài)描述

泄洪閘下泄小流量時(shí)消力池水躍穩(wěn)定，基本無折沖水流，邊孔回流不明顯，消力池末無水拱，海漫水流平穩(wěn)；當(dāng)流量超過設(shè)計(jì)流量1 030 m3/s時(shí)消力池中形成淹沒水躍，水躍翻滾強(qiáng)烈，左、右邊孔受折沖水流影響水面回流明顯，消力池表面翻涌區(qū)在消力池前段約13 m范圍內(nèi)，整個(gè)消力池末端水拱明顯（見圖2），池長不能滿足要求，消力池消能效果欠佳，出池水流余能較大，海漫水流不平穩(wěn)，導(dǎo)流墻導(dǎo)流、隔流效果不能滿足要求［5］。

圖2 閘門全開PMF洪峰流量時(shí)消力池流態(tài)

3.3.2 海漫及其下游消能防沖效果分析

泄洪閘下泄小流量時(shí)出池水流余能較小，主流基本居中，海漫水流平穩(wěn)，海漫能較好地調(diào)整流速分布，垂向流速分布調(diào)整為正常流速分布，海漫末端底部流速最大為0.59 m/s，0-200斷面垂向流速分布為正常流速分布，渠底最大流速為0.91 m/s；當(dāng)流量超過1 030 m3/s時(shí)，主流居中，海漫水流不平穩(wěn)，垂向流速分布還沒調(diào)整到天然河道的水流狀態(tài)，PMF洪水時(shí)海漫末端底部流速最大為1.79 m/s。0-200斷面流速分布還不是典型的正常流速分布，PMF洪水時(shí)渠底最大流速為2.41 m/s，設(shè)計(jì)洪水時(shí)渠底最大流速為1.65 m/s，下游河床為中礫砂質(zhì)河床，設(shè)計(jì)流量時(shí)下游河床將發(fā)生沖刷［6］。

3.4 電站尾水波動試驗(yàn)分析

SUE水電站尾水洞出口與泄水閘下游消力池之間布設(shè)了長61.2 m，高程為433.6 m導(dǎo)流墻。模型試驗(yàn)在額定發(fā)電流量情況下對堰流、閘孔出流各種工況的水電站尾水流態(tài)及尾水位變化進(jìn)行了觀測分析：泄洪閘泄流時(shí)，導(dǎo)流墻長度、高度能滿足要求，電站尾水流態(tài)較平穩(wěn)，尾水位變幅較小，泄洪時(shí)不會對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成大的影響。

4 原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析

4.1 存在問題及優(yōu)化措施

4.1.1 SUE水電站存在問題及下游水躍特點(diǎn)

原設(shè)計(jì)方案泄洪閘的過流能力滿足要求，上游進(jìn)口流態(tài)平順進(jìn)流均衡，上游順壩流速較小、電站尾水波動不大，原方案設(shè)計(jì)整體比較合理。但稍不足的是當(dāng)泄洪閘泄洪增大時(shí)消力池末水拱嚴(yán)重，消能效果不佳，設(shè)計(jì)流量時(shí)下游河床發(fā)生沖刷。

SUE水電站設(shè)計(jì)水頭12.8 m，PMF洪水時(shí)躍前斷面最大流速為14.86 m/s，水深7 m，弗勞德數(shù)為1.79小于4.5，為低水頭低弗勞德數(shù)泄水建筑物。低弗勞德數(shù)水躍消能的顯著特點(diǎn)是來流的泄水功率高而水躍消能率低，弗勞德數(shù)在2～5時(shí)，水躍擺動大、消能率不到50%，這樣將造成躍后水流強(qiáng)烈的紊動和波動，給下游消能防沖帶來巨大的困難。SUE水電站消力池中大流量泄流時(shí)嚴(yán)重的水拱現(xiàn)象及下游渠道底部較大的流速，說明原設(shè)計(jì)消力池池長不足，消能防沖效果需要提高［7］。

4.1.2 優(yōu)化方法措施

（1）選擇合適躍長計(jì)算公式確定池長

(4) 有同學(xué)建議，將本實(shí)驗(yàn)使用的白熾燈改為LED燈，因?yàn)榘谉霟舢a(chǎn)熱多，會使不同組之間的溫度產(chǎn)生差異而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此建議得到了老師和同學(xué)們的一致贊同，這是因?yàn)檫@一改進(jìn)有利于遵循____________原則。

應(yīng)根據(jù)水躍特點(diǎn)選取水躍長度公式計(jì)算躍長確定池長。根據(jù)低水頭低弗勞德數(shù)躍長計(jì)算方法［8］，選取低水頭低弗勞德數(shù)水躍長度公式L=10（Fr1-1）h1計(jì)算水躍長度為56 m，消力池長度取水躍長度的0.8倍，消力池長度計(jì)算為44.5 m，取消力池長度45 m，故優(yōu)化方案為在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上加長消力池及導(dǎo)流墻長度5 m以控制水躍。

（2）在水躍尾部合適位置設(shè)置消力墩

既控制水躍又要提高低水頭、低弗勞德數(shù)灌區(qū)泄水建筑物下游消能防沖效果，且經(jīng)濟(jì)可行，在加長消力池基礎(chǔ)上，可在消力池內(nèi)（水躍發(fā)生段）布設(shè)不同型式、位置的消力墩。根據(jù)前人研究結(jié)果［9-13］，水躍尾部設(shè)梯形消力墩消能效果優(yōu)于水躍首部消力墩消能效果，故將梯形消力墩放于消力池尾部。根據(jù)分析不同墩位置躍后水深及流態(tài)特點(diǎn)［4-7］，認(rèn)為消力墩布置在距水躍尾部小于0.4倍水躍長度處，形成淹沒出流，下游水流流態(tài)平穩(wěn)，不會出現(xiàn)二次水躍且又能起到消能防沖效果，為此優(yōu)化方案把梯形消力墩放置在距水躍尾部0.4倍水躍長度處進(jìn)行模型觀測分析。

4.2 優(yōu)化方案模型試驗(yàn)分析［14-15］

優(yōu)化方案效果采用模型試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，下面主要從最不利的PMF洪水情況對流態(tài)和防沖效果方面進(jìn)行分析。

觀測分析優(yōu)化后模型試驗(yàn)及圖3可以得出，模型優(yōu)化試驗(yàn)消力池及海漫流態(tài)得到改善，大流量時(shí)水躍基本得到控制，海漫進(jìn)口水拱現(xiàn)象得到改善，海漫水流平穩(wěn)，主流居中。

分析圖4可以看出，PMF洪水時(shí)消力池末端流速底部主流有所上移，表面回流速度減小，垂向流速分布基本趨于正常河道水流流速分布，優(yōu)化后海漫末端底部流速較優(yōu)化前減小，PMF洪水時(shí)海漫末端底部流速最大1.15 m/s。

海漫下游斷面流速分布為典型的正常流速分布，下游河床為中礫砂河床，設(shè)計(jì)洪水時(shí)渠底最大流速為1.45 m/s，設(shè)計(jì)流量時(shí)下游河床不會發(fā)生沖刷。

圖3 優(yōu)化方案閘門全開PMF 洪峰流量時(shí)消力池流態(tài)

圖4 PMF洪水海漫末端斷面優(yōu)化前后垂向流速分布

5 結(jié) 論

（1）SUE水電站原設(shè)計(jì)方案的過流能力、上游進(jìn)口流態(tài)、下游電站尾水波動均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）為控制水躍，提高消力池的消能防沖效果，采用加長池長和消力池中水躍尾部設(shè)置消力墩方法對原方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案效果較好，優(yōu)化措施可對低水頭低弗勞德數(shù)泄水建筑物工程提供參考。

（3）為防PMF洪水時(shí)下游河床沖刷，建議SUE水電站下游河床可采用卵石或拋石砌護(hù)。

［1］ 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.SUE水電站工程預(yù)可研報(bào)告［R］.鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2012.

［2］ 羅秋實(shí).河流數(shù)值模擬技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，2012：191－220.

［3］ 中華人民共和國水利部.水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程：SL155-2012［S］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［4］ 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院.SUE水電站水工模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.鄭州：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2013.

［5］ 羅全勝，王勤香.水力分析與計(jì)算［M］.鄭州：黃河水利出版社，2013.

［6］ 張志昌.水力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［7］ 李 煒.水力計(jì)算手冊［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2007.

［8］ 王勤香.泄水建筑物下游低弗汝德數(shù)水躍長度研究［J］.人民長江，2014，45（17）：63－65.

［9］ 吳戰(zhàn)營，牧振偉，潘光磊.導(dǎo)流洞出口消力池內(nèi)設(shè)置懸柵消能工試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9（4）：39－41.

［10］ 王均星，朱祖國，陳利強(qiáng).消力池內(nèi)輔助消能工對水躍消能效率的影響［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，44（1）：42－46.

［11］ 王忠誠.T字墩消力池的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［12］ 唐聰聰，劉亞坤.某人工彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段模型試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14（1）：10－14.

［13］ 王二平，婁利芳，黃 山，等.某節(jié)制閘工程泄流消能試驗(yàn)研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（1）：29－33.

［14］ 吳戰(zhàn)營，牧振偉.消力池內(nèi)懸柵輔助消能工優(yōu)化試驗(yàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2014，34（1）：27－31.

［15］ 尹舒倩，王世興，趙 濤，等.某水電站泄水陡坡體型優(yōu)化模型試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015，13（3）：10－14.

Design Scheme Evaluation and Optimization of SUE Hydropower Projects

WANG Qinxiang1，ZHU Zhengde2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng，He’nan 475004，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430074，China）

According to the test requirements of contract and specification，based on abnormal fixed bed model tests，the design scheme evaluation of SUE hydropower projects shows the building size and design size are reasonable and overflow capacity of sluice can meet the requirements.Upstream arc－shaped guide wall can smooth inlet flow together with downstream the guide wall.When the flow is more than the designed flow，the restraint ability of stilling basin to hydraulic jump and energy dissipation is ineffective.According to the characteristics of the downstream hydraulic jump，the optimized scheme of original scheme is to lengthen reasonably the stilling basin and set eliminating force piers in the back of hydraulic jump in stilling basin to help the dissipation.By adopting optimized model，under PMF flood，apron extension flow pattern is steady，the velocity of apron extension terminal distribution tend to be the normal river flow velocity distribution；under design flow，the bottom velocity of the downstream of apron extension decreases which will not cause the downstream river bed erosion.

hydropower station；design scheme；evaluation；optimization；model test

TV65

A

1672—1144（2016）05—0132—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.025

2016－06－04

2016－07－01

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于水流特性的生態(tài)灌區(qū)水利工程安全運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用研究”（15B570002）

王勤香（1969—），女，河南中牟人，教授，主要從事治河防洪及水力學(xué)教學(xué)與研究工作。E－mail：kfwqxbeibei@163.com