某水電樞紐泄流能力試驗研究

【摘要】為了論證擬建的某水電樞紐的泄流能力，采用1：100的正態(tài)物理模型，通過ADV、PIV、旋槳流速儀對整個樞紐的流場進行測繪；應(yīng)用自動水位測針、水位測針對水位進行量測，對樞紐泄流能力進行試驗研究。文中闡述了設(shè)計方案條件下樞紐的泄流能力，并分析了樞紐泄流方面存在的問題及影響因素。通過對樞紐上下游疏浚、增加閘孔、優(yōu)化電站與閘門間攔沙坎等多種優(yōu)化措施，提出了滿足泄流能力的總體布置方案，研究成果可供類似工程參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】水電樞紐；泄流能力；模型試驗

1、工程概況

擬建的某水電站為低水頭徑流式電站，采用河床式開發(fā)。工程為一等大（1）型工程，正常蓄水位98m，相應(yīng)庫容12.07億m3，最大壩高43m，電站裝機容量728MW。船閘按最大通過500t級船舶設(shè)計，閘室有效尺度為120m×12m×4m（長×寬×門檻水深）。攔河壩按1000年一遇洪水設(shè)計，10000年一遇洪水校核。樞紐左岸布置部分電站廠房，內(nèi)裝20臺22.75MW的燈泡貫流式機組；緊鄰電站廠房布置左岸堆石壩，堆石壩長約830m；35孔16m×18m泄水閘布置在河床中部偏右岸，堆石壩和泄水閘采用側(cè)墻式連接，側(cè)墻壩段長18m，側(cè)墻兼作縱向圍堰；右岸緊臨泄水閘布置其余12臺22.75MW的燈泡貫流式機組電站廠房；船閘布置在右岸岸邊，采用并列式雙線船閘。整體模型布置如圖1。

2、研究目的及研究方法

通過整體水工模型試驗，論證樞紐總體布置的合理性，并進行優(yōu)化。模型按重力相似準則設(shè)計，模型長度比尺λl=100。模型模擬水電樞紐上下游2.5km。

在水工模型試驗中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得是一項非常重要的工作。數(shù)據(jù)的準確度與精確度直接關(guān)系到科研成果的質(zhì)量。因此本試驗選擇通過自動水位測針、水位測針校核各流量水位；通過PIV，ADV對整個流場進行測繪；通過旋槳流速儀對小范圍流場測量，以增加測量精度。

3、設(shè)計方案泄流能力試驗

3.1 模型糙率驗證

為確保模型能夠準確復(fù)演天然河道流態(tài)，進行了模型水面線率定。驗證結(jié)果如圖2、圖3。驗證結(jié)果表明，模型水位與原型實測水位基本一致，最大偏差12cm，考慮到試驗精度與比尺效應(yīng)，誤差在合理范圍內(nèi)，模型河道基本能夠復(fù)演壩址河段天然水流特性。

3.2 樞紐模型試驗

對樞紐建成后模型泄水閘上游水位與設(shè)計水位進行了驗證校核，如圖4。同時由于整個河道比較寬，在觀測閘前水位的同時，也在岸兩邊的河道布點觀測水位，進而比較同一河道斷面上的水位情況，如圖5。

從圖4可以看出，各流量下閘前實測水位已比設(shè)計水位高出了40cm以上，且隨著流量增大，水位差有增大趨勢。從圖5可以看出，同一流量同一橫斷面，兩岸的水位基本一致，閘前水位明顯降低。兩岸水位與閘前水位差較大，達到50cm以上。為了找出泄流能力不足的原因，又對其流場及閘孔流速進行了測量。分析數(shù)據(jù)，1、2、33-35閘孔流速較小，泄流能力很差。4、31號閘孔流速突然增大，中間幾孔閘流速趨于均勻。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過試驗及數(shù)據(jù)分析，樞紐上游水位壅高過大的原因有以下幾點：

1）河道的地形原因，樞紐泄水閘上游正對一座島，泄流時由于島的存在，把過閘主流分成了兩股，泄水閘前正對島的斷面流速突然減小，影響了閘孔的泄流。

2）河道較寬，足有2600m，泄水閘僅有700m，在泄洪的時候，水流急劇收縮。在泄水閘左右兩側(cè)的幾個閘孔擾流嚴重，同時導(dǎo)致閘孔流速分布不均，影響閘孔出流。

3）左岸沒有泄水閘，在泄洪的時候，左岸廠房關(guān)閉。廠房與堆石壩本身形成了水位的又一控制斷面，上游水位在此雍高，且形成大范圍回流，影響樞紐的泄流能力。

4）河道斷面較寬，兩岸流速幾乎為零，而泄水閘附近流速突然增大，形成較大的水面跌落。導(dǎo)致在控制閘前水位時，實際兩岸的水位還要偏高。

5）泄水閘下正對兩座小島，影響了泄流時的水流下泄。且有一座大的島嶼橫立在河道中央，使得泄流面積減小了一半。

6）泄水閘與右岸廠房連接段的攔沙坎過高，影響了泄水閘的過流能力。

7）泄水閘與堆石壩中間由于側(cè)墻的原因，泄流時在連接處水流條件復(fù)雜，流態(tài)不穩(wěn)定，壩前波浪較大。流量較大時，該部位相對不安全。

4、方案優(yōu)化及模型試驗

4.1方案優(yōu)化

針對試驗中的問題以及經(jīng)濟原則，根據(jù)以往經(jīng)驗，最終進行如下優(yōu)化：

在左側(cè)泄水閘與堆石壩連接處增加4孔泄水閘，增加泄流能力。在泄水閘與堆石壩連接處進行開挖，設(shè)置1：2的邊坡，優(yōu)化泄水閘左側(cè)閘孔的水流條件。在原有疏?；A(chǔ)上進一步增加疏浚面積，移除泄水閘下游正對的兩座島，平整地形到85米高程。降低右岸廠房與泄水閘間的攔沙坎到80米高程，同時把右岸攔沙坎體型進行弧形優(yōu)化，優(yōu)化右側(cè)泄水閘的水流條件。優(yōu)化后整體樞紐如圖6。

4.2 優(yōu)化模型試驗

通過流場圖及數(shù)據(jù)分析，主流大部分還是從島的右岸下泄，同時還有一股主流從島的左岸下泄，增加了泄流區(qū)域的面積。同時，下游疏浚之后，流態(tài)變好。對閘孔流速進行測量，與設(shè)計方案流速對比如圖7。與設(shè)計方案相比，優(yōu)化措施明顯改善了泄水閘兩側(cè)進流條件，各孔流速更加均勻，且兩側(cè)閘孔的過流能力也相應(yīng)增加。

對樞紐上游水位進行校核，如圖8。通過一系列的優(yōu)化措施，水位下降明顯?？梢詽M足工程設(shè)計的要求。增加四孔閘門且對閘與堆石壩連接處邊坡開挖后，左岸水位壅高明顯降低，且流態(tài)變好，該部位壩前基本再無波浪。

5、結(jié)語

對于像本工程這樣河道特別寬但泄水建筑物相對較集中，且長度相對河道而言比較短的樞紐布置形式，泄水建筑物兩側(cè)的水流束窄造成的擾流問題極大地降低了泄水建筑物的泄流能力。經(jīng)本工程進行一系列優(yōu)化后，基本解決了問題。由于此類問題對泄流的影響較大，在其他工程設(shè)計以及試驗時要特別注意。

樞紐前后的幾座島嶼對水流的下泄也造成了極大的影響，疏浚后得到了較好的改善。充分說明了河道的地形地貌對泄流能力的重要性。本工程按最優(yōu)方法應(yīng)該是移除幾座島嶼，但考慮到經(jīng)濟問題，沒有進行這種優(yōu)化措施。在進行工程設(shè)計時在滿足要求的情況下要充分考慮經(jīng)濟原則。

參考文獻：

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[3]李君濤，閆濤，王艷華.漢江雅口航運樞紐泄流能力試驗研究[J].中國港灣建設(shè).2017，37（1）：38-41.

作者簡介：劉圣凡（1991-），男，漢族，山東萊蕪人，碩士研究生，主要研究方向：水工水力學(xué)。