紫坪鋪水利樞紐工程溢洪道控制段機(jī)翼形堰水力特性研究

鄒 駿

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市都江堰市境內(nèi)岷江上游的麻溪鄉(xiāng)，距成都市60余千米，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。

壩址以上控制流域面積22662km2，水庫正常蓄水位877.00m，汛期限制水位850.00m，防洪高水位861.60m，設(shè)計(jì)洪水位871.20m，校核洪水位883.10m，正常蓄水位庫容9.98億m3，防洪庫容1.664億m3，調(diào)節(jié)庫容7.74億m3，校核洪水位以下的總庫容11.12億m3，為不完全的年調(diào)節(jié)水庫。水庫控制灌溉面積約93.33萬hm2，水電站裝機(jī)容量4×190MW，多年平均發(fā)電量34.17億kW·h。根據(jù)樞紐工程的規(guī)模、效益及重要性，紫坪鋪水利樞紐工程屬大(1)型工程。

水庫樞紐工程由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙隧洞、沖沙放空隧洞、引水發(fā)電隧洞和發(fā)電廠房等永久性建筑物組成。樞紐工程為Ⅰ等工程，主要擋水建筑物為1級(jí)建筑物，按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)(流量8300m3/s)，可能最大洪水校核(流量12700m3/s)；發(fā)電廠房為2級(jí)建筑物，按100年一遇設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。雍水建筑物大壩地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，其余永久性建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度。

樞紐主要建筑物布置自左岸至右岸依次為混凝土面板堆石壩、岸邊式溢洪道、電站進(jìn)水口及4條引水發(fā)電隧洞、沖沙放空隧洞、1#和2#泄洪排沙隧洞，地面廠房布置在壩后右岸。

溢洪道緊靠大壩右壩肩布置，左鄰大壩，右接電站進(jìn)水塔，軸線方向NW19°。由進(jìn)口段、控制段、泄槽段及挑流段組成。

可研階段暫定溢洪道控制段凈寬為3孔寬12m，堰頂高程864.00m、堰踵高程861.00m，控制段堰型為WES型。根據(jù)可研階段審查意見，初步設(shè)計(jì)階段確定溢洪道規(guī)模的原則為：

(1)一條泄洪排砂洞正常運(yùn)行，另一條備用；

(2)沖砂放空洞發(fā)生事故不能運(yùn)行；

(3)限制電站運(yùn)行，電站發(fā)電引用流量為400m3/s；

(4)宣泄可能最大洪水時(shí)，最高水庫水位控制在885.00m左右。

根據(jù)上述原則確定的溢洪道規(guī)模為：單孔開敞式，控制段孔口尺寸為12m×17.5m，堰頂高程860.00m、堰踵高程857.00m。

根據(jù)水庫調(diào)洪演算，當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)，溢洪道下泄流量825m3/s，相應(yīng)的水庫水位為871.20m；當(dāng)發(fā)生可能最大洪水時(shí)，溢洪道下泄流量2445m3/s，相應(yīng)的水庫水位為883.10m。溢洪道的運(yùn)行方式為：當(dāng)水庫水位達(dá)到870.00m，開啟閘門泄洪；當(dāng)水庫水位回落至870.00m，閘門關(guān)閉。

2 溢流堰體型設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)階段初定溢洪道控制段實(shí)用堰為WES-Ⅴ型堰，堰頂高程860.00m、堰踵高程857.00m(上游堰高P1=3m)，定型設(shè)計(jì)水頭為Hs=18.52m，溢流前緣凈寬15m，堰面下游以半徑14m的反弧連接縱坡為9%的泄槽底板。

由于本工程實(shí)用堰P1/Hs=0.162，遠(yuǎn)小于1.33，具有突出的低堰水力特性。河海大學(xué)王世夏教授在“機(jī)翼形堰用作溢洪道控制堰的分析研究”一文中介紹了機(jī)翼形堰，為取得較為滿意的堰面曲線，進(jìn)行了機(jī)翼形堰與WES-Ⅴ型堰在水力特性方面的比較，并委托河海大學(xué)對(duì)兩種堰型進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溢洪道單體模型試驗(yàn)。

機(jī)翼形堰堰面曲線方程為：

式中：P——上游堰髙；

C——沿X軸的堰長。

堰前端與半徑為R的圓弧相接，且R/C=4.408(P/C)2。

為便于兩種堰型的比較，機(jī)翼形堰采用與WES-Ⅴ型堰型相同的輪廓形態(tài)控制參數(shù)：堰頂高程860.00m，堰踵高程857.00m，即：P=3m、C=15m(P/C=0.2)；堰面下游以半徑14m的反弧連接縱坡為9%的泄槽底板。

兩種堰型的體型設(shè)計(jì)見圖1、圖2。

圖1 機(jī)翼形堰剖面

圖2 WES-Ⅴ型堰剖面

3 水力特性試驗(yàn)

水工模型試驗(yàn)是在進(jìn)口擴(kuò)散段、引渠段優(yōu)化前以及溢洪道的泄流寬度為15m條件下進(jìn)行的，兩種堰型具有相同的邊界條件，下面僅從泄流能力和堰面動(dòng)水壓力分布對(duì)兩種堰型進(jìn)行比較。

兩種堰型的泄流能力為閘門全開下泄流量的實(shí)測(cè)值換算成原型數(shù)值，流量系數(shù)按堰流公式計(jì)算：

式中：m——流量系數(shù)，包含側(cè)收縮的影響；

Q——模型實(shí)測(cè)下泄流量換算成原型數(shù)值，m3/s；

B——孔口寬度，B=15m；

H——堰上水頭，H=Z庫-860.00m。

3.1 機(jī)翼形堰的泄流能力及堰面動(dòng)水壓力分布

機(jī)翼形堰的泄流能力及堰面動(dòng)水壓力分布見表1、表2以及圖3、圖4。

表1 機(jī)翼形堰泄流能力

表2 機(jī)翼形堰堰面及下游反弧動(dòng)水壓力(m水柱)

圖3 機(jī)翼形堰泄流能力

圖4 機(jī)翼形堰堰面動(dòng)水壓力分布(m水柱)

3.2 WES-Ⅴ型堰的泄流能力及堰面動(dòng)水壓力分布

WES-V型堰的泄流能力及堰面動(dòng)水壓力分布見表3、表4以及圖5、圖6。

表3 WES-Ⅴ型堰泄流能力

表4 WES-Ⅴ型堰堰面及下游反弧動(dòng)水壓力(m水柱)

圖5 WES-Ⅴ型堰泄流能力

圖6 WES-Ⅴ型堰堰面動(dòng)水壓力分布(m水柱)

3.3 泄流能力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1和表3可以看出，機(jī)翼形堰和WES-Ⅴ型堰的泄流特性基本一致。閘門全開情況下，庫水位約為875m(堰頂運(yùn)行水頭H與上游堰高P的比值等于5)附近時(shí)，過堰水流的流量系數(shù)m值均達(dá)到最大，分別為0.452和0.454，相應(yīng)下泄流量分別為1745m3/s和1750m3/s。庫水位約低于875m時(shí)，過堰水流的泄流能力與一般實(shí)用堰的泄流特性一致，流量系數(shù)m值隨堰頂運(yùn)行水頭減少而減少；庫水位約高于875m以后，由于堰高僅3m，溢流堰對(duì)過堰水流的控制作用隨著庫水位升高而逐漸降低，按堰流公式所得流量系數(shù)m值亦隨庫水位的升高而減小。當(dāng)庫水位為880.00m、885.00m時(shí)，機(jī)翼形堰的流量系數(shù)分別為0.430和0.414，相應(yīng)下泄流量分別為2556m3/s和3440m3/s；WES-Ⅴ型堰的流量系數(shù)值分別為0.431和0.413，相應(yīng)下泄流量分別為2562m3/s和3433m3/s。故在泄流能力方面兩種堰型的泄流能力甚為接近。

3.4 堰面動(dòng)水壓力分布試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2和表4可以看出，機(jī)翼形堰和WES-Ⅴ型堰堰面曲線及反弧段內(nèi)動(dòng)水壓力分布規(guī)律基本相同。庫水位877.00m以下時(shí)動(dòng)水壓力均為正壓，庫水位較高時(shí)堰頂附近均出現(xiàn)負(fù)壓，但WES-Ⅴ型堰堰頂附近出現(xiàn)的負(fù)壓區(qū)范圍及負(fù)壓值均較機(jī)翼形堰面略大，庫水位885.00m時(shí)堰頂處負(fù)壓值分別為2.91m和2.43m水柱高。在堰頂動(dòng)水壓力方面，機(jī)翼形堰略優(yōu)于WES-Ⅴ型堰。

4 結(jié)論

溢洪道控制段堰型選擇對(duì)溢洪道技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件影響很大，堰型選擇原則應(yīng)以其能在堰頂水頭較大范圍內(nèi)具有較大的流量系數(shù)，且堰面不產(chǎn)生危害性負(fù)壓為優(yōu)。通過紫坪鋪溢洪道控制段機(jī)翼形堰的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：機(jī)翼形堰不失為河岸式溢洪道高水頭低控制堰的較優(yōu)堰型，它能在不發(fā)生危害性負(fù)壓的前提下具有較大的泄流能力。