水電站旁通洞的水力特性模型試驗(yàn)

曹德生 李貴圓 寧龍飛 張永奇

摘 要：對擬建水庫的長、短旁通洞排沙效果進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中率定了旁通洞的泄流能力；觀測了旁通洞進(jìn)口及洞內(nèi)流態(tài)；測量了長、短旁通洞在正常水位下、宣泄不同流量時(shí)的含沙量等。試驗(yàn)結(jié)果表明在閘門全開情況下，長、短旁通洞的泄流能力均超過200m3/s；在輸沙模數(shù)1200t/km2考慮下，長旁通洞方案中水典型年過機(jī)年平均含沙量為51.3g/m3，短旁通洞方案中水典型年過機(jī)年平均含沙量為59.0g/m3。研究結(jié)果證明：長、短旁通洞泄流能力均滿足分流要求、旁通洞進(jìn)口段與導(dǎo)流洞結(jié)合段無不良流態(tài)、短旁通洞的輸沙能力略優(yōu)于長旁通洞方案。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn) 摻氣坎 挑坎

中圖分類號： S763 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

1 工程概況及研究內(nèi)容

該水電站為引水式電站，總庫容60.4萬m3，壩址控制流域面積1112km2，多年平均流量47.3m3/s，工程開發(fā)的主要任務(wù)為發(fā)電。工程主要建筑物由首部樞紐、左岸引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及其附屬設(shè)施組成。首部樞紐主要包括混凝土重力壩和右岸旁通洞（排沙洞），混凝土重力壩從左至右依次為電站左岸副壩、庫中沉沙池、沖沙底孔壩段、表孔壩段、右岸副壩，壩頂高程EL.1493.00m。引水系統(tǒng)主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室和壓力管道。引水隧洞直徑為4.1m～4.9m，全長8037.75m。發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物包括主副廠房、安裝間、尾水渠、開關(guān)站。廠房位于河床左岸，為地面廠房，廠區(qū)地面高程962.7m，，并通過下游跨河橋與右岸對外公路連接。攔河壩由混凝土重力壩組成，從左到右依次由左岸非溢流壩段、沖沙底孔壩段、泄洪排沙底孔壩段、泄洪表孔壩段及右岸非溢流壩段組成，沉沙池布置在左岸沖沙底孔上游側(cè)。壩頂高程1493.00m，壩頂寬8.5m，最大壩高35.0m。壩頂長度為115.00m，其中左岸非溢流壩段長9.5m，沖沙底孔壩段長17.0m，泄洪排沙底孔壩段長16.5m，泄洪表孔壩段長25.5m，右岸非溢流壩段長46.5m。

本文研究內(nèi)容包括：比較長、短旁通洞排沙效果。主要內(nèi)容包括率定旁通洞的泄流能力；測量分析兩旁通洞在正常水位下，宣泄不同流量時(shí)的含沙量，計(jì)算中水典型年過機(jī)年平均含沙量，為方案比選提供依據(jù)。

2 模型設(shè)計(jì)及制作

根據(jù)本項(xiàng)模型試驗(yàn)技術(shù)要求，修建試驗(yàn)河段的正態(tài)水工泥沙模型。模型由進(jìn)水量堰、庫區(qū)、壩段、泄水建筑物、進(jìn)水口、下游河段、尾水調(diào)節(jié)設(shè)施、回水溝等部分組成，其中泄水建筑物與進(jìn)水口全部采用有機(jī)玻璃制作。模型全長約40.0m，模型高度1m左右，模型寬度2～3m，模型最大擺幅約7m。在地形圖上每50m布設(shè)一制模斷面，并在局部地形變化較大的區(qū)域，加密控制點(diǎn)，以保證模型與原型的幾何相似。在整個(gè)模型制作過程中，進(jìn)行河道主槽，主要控制點(diǎn)反復(fù)校對與修改，在制作完成后全面進(jìn)行檢查，取水河段高程誤差在0.05m（原型）以內(nèi)，平面誤差均在0.10m（原型）以內(nèi)。不存在系統(tǒng)誤差，模型與原型是幾何相似的。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 泄流能力

試驗(yàn)測定了長、短游旁通洞在正常水位（1491.0m）、不同開度下的泄流能力，短旁通洞進(jìn)口底板高程為1480.0m，弧門尺寸為5m×4.2m；長旁通洞進(jìn)口底板高程為1482.0m，弧門尺寸為6m×4.2m。流量系數(shù)計(jì)算方法如下式：

式中：A——孔口面積，為弧門寬度×開度；

H——計(jì)算水頭，為旁通洞進(jìn)口底板至水位的高差，上游H=Z庫-1482.0，下H=Z庫-1480.0；

Q——試驗(yàn)實(shí)測流量；

g——重力加速度，取9.8m/s2。

取試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)作圖并進(jìn)行公式擬合得下圖，從圖中可以看出，在閘門全開情況下，長、短旁通洞的泄流能力均超過200 m3/s，滿足分流要求。

3.2 旁通洞進(jìn)口及洞內(nèi)流態(tài)

圖3與圖4為旁通洞進(jìn)口及其與導(dǎo)流洞結(jié)合部位流態(tài)圖。從圖中可以看出：各流量下旁通洞進(jìn)口處水流平穩(wěn)，無漩渦出現(xiàn)；短旁通洞與導(dǎo)流洞結(jié)合處水流略有擁起，試驗(yàn)測得最大水深4.45m，未超過導(dǎo)流洞高度（6.5m）；試驗(yàn)通過在上游斷面撒入墨汁來追蹤粒子軌跡，結(jié)果顯示被染色水流大部分經(jīng)旁通洞流出。

各流量下旁通洞前段水深比后段稍大，在旁通洞與導(dǎo)流洞結(jié)合處水深最大，但是最大水深為4.45m，未超過導(dǎo)流洞高度（6.5m）

在原進(jìn)水口軸線基礎(chǔ)上，下旁通洞軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了10°，調(diào)整后的旁通洞進(jìn)口段及與導(dǎo)流洞結(jié)合段無不良流態(tài)，導(dǎo)流洞內(nèi)最大水深為4.45m，未超過導(dǎo)流洞高度（6.5m）。

4 結(jié)論

1、試驗(yàn)測定了長、短旁通洞在正常水位（1491.0m）、不同開度下的泄流能力，長、短游旁通洞全開情況下的泄流能力分別為228.4及225.6m3/s，均滿足分流要求。

2、試驗(yàn)測量了沖刷前及沖刷后、電站引用流量為42.3m3/s、旁通洞分流量分別為0、20、42.3、80、150及200m3/s情況下，旁通洞棄水、電站引水及庫尾的含沙量。根據(jù)試驗(yàn)成果，按輸沙模數(shù)1200t/km2考慮，得到長旁通洞方案中水典型年過機(jī)年平均含沙量為51.3g/m3，短旁通洞方案中水典型年過機(jī)年平均含沙量為59.0g/m3。從水庫沉沙效果而言，長旁通洞方案與短旁通洞方案是基本相當(dāng)?shù)?，其中長旁通洞方案略優(yōu)。

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