轎頂子水電站挑流鼻坎段體型優(yōu)化模型試驗(yàn)研究

楊東玲

（凌源市節(jié)約用水管理辦公室，遼寧凌源122500）

1 工程背景

轎頂子水電站屬于半拉江上游六股河干流上重要在建水利工程[1]。該工程壩址位于寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)，設(shè)計(jì)庫容為0.87億m3，主要建筑物由混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電站溢洪道位于大壩左岸的山體上，主要由進(jìn)水渠段、側(cè)槽段、調(diào)整段、洞身段、明渠段、挑流鼻坎段及消能防沖段構(gòu)成[2]。溢洪道的總長度為198.00 m，最大下瀉流量為125.0 m3/s。其中，進(jìn)水渠段采用的是WES曲面堰設(shè)計(jì)，長度為10.00 m，為C25混凝土澆筑；調(diào)整段長15.00 m、寬4.50 m，右側(cè)設(shè)C25擋墻與大壩壩體相連，底板為C25鋼筋混凝土襯砌；洞身段水平長130.00 m，為城門洞斷面設(shè)計(jì)；出口明渠段為矩形截面陡槽，長20.00 m；挑流鼻坎長16.80 m，挑射角為27.378°，反弧段半徑為34.00 m。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制作

水力學(xué)問題比較復(fù)雜，采用模型試驗(yàn)的方法具有顯著的優(yōu)勢，對解決相關(guān)問題有重要的幫助[3]。根據(jù)研究對象的特點(diǎn)和實(shí)際需要，此次模型試驗(yàn)的模擬范圍為溢洪道和上游部分庫區(qū)，總長148.62 m。其中溢洪道段長83.62 m，上游庫區(qū)段長65.00 m。鑒于研究的水流主要受到自身重力作用的影響，因此采用重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，采用1∶40的幾何比尺進(jìn)行模型制作[4]。為充分?jǐn)M合溢洪道段混凝土的糙率，該部分模型采用有機(jī)玻璃制作，誤差不超過2 mm，模型的其余部分采用PVC板材制作，誤差控制在5 mm以內(nèi)[5]。

2.2 測量設(shè)備

試驗(yàn)過程中的水深用直鋼尺測量，水流流速利用便攜式流速儀測量，壓強(qiáng)采用多功能檢測系統(tǒng)和壓力傳感器測量，流量則采用寬矩形量水堰測量[6]。研究過程中，按照上述要求做好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并布置好相?yīng)的壓強(qiáng)和流速測點(diǎn)，然后開始試驗(yàn)，并測量和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在水電站的校核水位（339.80 m）工況下進(jìn)行，對原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案條件下的溢洪道的水力特征數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測、記錄和分析，提出不合理的體型和相應(yīng)的優(yōu)化意見，并驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性與可靠性[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案制作好試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在設(shè)計(jì)水位工況下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，溢洪道挑流鼻坎段右邊墻部位的水面存在比較明顯的超高現(xiàn)象，部分位置的水面已經(jīng)超出了導(dǎo)墻的設(shè)計(jì)高度，挑流鼻坎的起挑流量為23.8 m3/s。隨著流量的逐漸增大，水舌的挑距也明顯增大，由于挑坎和對面山包之間的距離較小，水舌會對山包的根部造成明顯的沖刷。因此，需要對挑流鼻坎的體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使水舌落入河床部位，避免對山包根部產(chǎn)生沖刷，防止由于沖刷作用引發(fā)山體滑坡，對溢洪道安全造成影響。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對溢洪道原設(shè)計(jì)存在的問題和不足，對挑流鼻坎的原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行優(yōu)化。為了使下泄水流能夠平順轉(zhuǎn)彎，避免右側(cè)水面超高的問題，在樁號0+152.150斷面處設(shè)置外徑和內(nèi)徑分別為40.0 m和37.0 m的同心圓，采用25.00°的平面轉(zhuǎn)角，底坡的坡度設(shè)置為0.01，在樁號0+168.950斷面后接挑流鼻坎。挑流鼻坎的反弧半徑設(shè)定為45.0 m，挑角為11.97°～14.12°，平面的外半徑和內(nèi)半徑分別為40.0 m和25.0 m，外墻和內(nèi)墻的轉(zhuǎn)角分別為15.00°和21.23°。上述設(shè)計(jì)方式可以使挑流鼻坎的平面具有一定的擴(kuò)散性，減小下泄水流的單寬流量，利于消能。舌型挑坎為新型設(shè)計(jì)，在國內(nèi)洛溪渡水電站和小灣水電站的設(shè)計(jì)中采用，并獲得了良好的效果。此類挑坎使下泄水流的橫向擴(kuò)散更為均勻，達(dá)到分散水流能量的目的。因此，研究中將出口挑坎設(shè)計(jì)為舌型挑坎，半徑為2.0 m，中心角為126.89°，弦長為3.578 m。

3.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 水流流態(tài)

按照優(yōu)化后的方案重新制作模型，在設(shè)計(jì)工況和校核工況下進(jìn)行試驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)過程中的水流流態(tài)可以看出，由于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中在挑流鼻坎的上游增加了彎道，設(shè)計(jì)工況和校核工況下的水流流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案更為平順，右側(cè)水面超高的問題得到顯著改善，水流在經(jīng)過挑流鼻坎后，明顯向下游左側(cè)轉(zhuǎn)彎，有效避免了對山包根部的沖刷作用。同時(shí)，在水舌落入下游河道后，由于水流比較順暢，回流作用也顯著減輕，這對減小水舌的回流淘刷作用十分有利。

3.3.2 沿程水深

根據(jù)試驗(yàn)中的實(shí)測數(shù)據(jù)，整理和計(jì)算出設(shè)計(jì)工況和校核工況下挑流鼻坎段沿程水深，結(jié)果如表1所示。由表1可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原設(shè)計(jì)方案沿程水深變化幅度和左右邊墻部位的水位差明顯減小，右側(cè)邊墻部位的最大水深明顯降低。其中，設(shè)計(jì)與校核工況下右邊墻部位的最大水深分別為1.62，1.66 m，均小于該部位2.00 m的邊墻設(shè)計(jì)高度，不會產(chǎn)生水面超出右側(cè)邊墻的問題。

表1 沿程水深試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表m

3.3.3 沿程壓強(qiáng)

利用試驗(yàn)過程中測得的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的設(shè)計(jì)和校核工況條件下的沿程壓強(qiáng)分布圖。由圖1的結(jié)果可知，彎道段在設(shè)計(jì)與校核工況條件下的沿程壓強(qiáng)最小值分別為1.56×9.8，3.18×9.8 kPa；挑流鼻坎段在設(shè)計(jì)與校核工況下的沿程壓強(qiáng)最小值為1.68×9.8，2.91×9.8 kPa。由此可見，在設(shè)計(jì)和校核工況下，沿程壓強(qiáng)的最小值均為正值，不會出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，不會造成水流空化現(xiàn)象。

3.3.3 下游沖刷結(jié)果分析

圖1 沿程壓強(qiáng)分布圖（m）

試驗(yàn)中，對20年一遇工況、設(shè)計(jì)工況以及校核工況下挑流鼻坎下游的沖刷數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測，根據(jù)實(shí)測結(jié)果繪制出沖刷剖面圖。其中，沿右岸水流方向的沖刷剖面圖如圖2所示，最深沖坑的橫、縱剖面圖如圖3所示。由圖2可知，挑流鼻坎經(jīng)過優(yōu)化之后，挑射水流產(chǎn)生的水舌直接落入下游加寬的河床中，從而避開了對面的山包，顯著緩解了原設(shè)計(jì)方案中水舌水流對山包根部的沖刷問題。由圖3可知，20年一遇、設(shè)計(jì)和校核工況下，右岸水流淘刷后的最深高程分別為295.60，293.93，290.06 m。從沖刷坑的深度來看，與原設(shè)計(jì)該方案相比分別淺了3.23，3.47，6.68 m。鑒于挑坎護(hù)坦末端底部的高程為291.30 m，經(jīng)計(jì)算可知，3種不同試驗(yàn)工況條件下，沖刷坑的上游坡度均顯著小于1∶2.5，滿足消能設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

圖2 沿右岸水流方向的沖刷剖面圖

圖3 最深沖坑剖面圖

4 結(jié)語

此次研究以遼寧省轎頂子電站為例，利用模型試驗(yàn)的方法針對原設(shè)計(jì)方案存在的右邊墻水面超高和水舌水流沖刷對岸山包根部的問題，提出了在挑流鼻坎上游增設(shè)彎道和采用舌型挑坎為主的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案條件下挑流段的水流流態(tài)比較平順，右邊墻部位不存在水面超高問題，沿程壓強(qiáng)不存在負(fù)值，不會出現(xiàn)水流空化現(xiàn)象；挑射水流水舌直接落入下游的加寬的河床中，顯著緩解了原設(shè)計(jì)方案中水舌水流對山包根部的沖刷問題；沖刷坑深度明顯變淺且上游坡度均顯著小于1∶2.5，滿足消能設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性和優(yōu)勢，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。