庫什塔依水電站溢洪洞陡槽臺階式消能試驗研究

王永飛，李守強，楊 慧

（1.新疆伊犁庫克蘇河水電開發有限公司，新疆 伊犁 835500；2.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810006；3.中電投新疆能源有限公司伊犁項目部，新疆 伊犁 835500）

庫什塔依水電站工程正常蓄水位1 305.00 m，相應庫容1.50億m3；電站裝機100 MW，多年平均發電量3.5億kW·h。工程由攔河壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發電引水洞、廠房等組成。庫水位及泄洪標準：校核洪水位 （P=0.05%）為1 306.87 m，溢洪道泄量為869.86 m3/s；校核洪水位 （P=1%）為1 305.98 m，溢洪道泄量760.36 m3/s；設計洪水位（P=1%）1 305.00 m，溢洪道泄量為645.69 m3/s。

1 試驗目的及模型制作

通過對溢洪洞陡槽段單體水工模型試驗，確定溢洪洞修改基本思路和布置原則，對溢洪洞的泄流能力、上游進口流態、臺階面水流特性及消能率進行測驗、對消力池進行體形優化、評價下游出口河道防沖效果；對存在的問題，通過模型試驗，提出安全可靠、經濟合理的方案供設計參考，以達到改進和優化設計、節省投資的目的。

模型制作根據樞紐平面布置圖進行。模型范圍包括：上游庫區地形范圍縱向200 m（模型5 700 mm），橫向225 m （模型6 428.5 mm）。下游河道地形縱向332 m （模型9 486.5 mm）， 寬度175 m （模型5 000 mm）。其中下游河道動床范圍縱向長290 m （模型8 300 mm），高程 1 230 m以下均為動床，平均寬度約120 m （模型3 400 mm），河底鋪砂高程為1 224 m。

2 臺階形式試驗分析

為了更好地了解臺階面消能率的變化規律，為本工程找到相對合理的臺階高度的體形，本試驗保持臺階面坡度為1∶1.65，對3個不同高度的臺階面消能率進行了試驗研究，以推薦更優的臺階體形，對比試驗情況如下。

2.1 臺階高度的選擇

臺階高度的選擇是根據以往已建成的工程實際，并結合試驗具體情況，在工程可靠運行的基礎上，考慮其經濟合理、施工方便以及體形具有工程實用性等因素，進行了試驗研究工作。試驗在保持現有臺階坡比不變情況下 （即1∶1.65不變），實際采用的3個臺階高度分別為0.65、1.0 m和1.3 m。

2.2 測驗組次

溢洪道臺階面的消能率對比按照校核工況和設計工況，同時再增加兩個低水位組次的小流量進行比較，消能率對比試驗各組次見表1。

表1 消能率對比試驗結果

2.3 消能率測驗

臺階面的消能形式是通過兩種不同形式的水流形態來進行消能的。在小流量情況下，臺階面水流呈舌狀跌落水流，薄層水流從上一個臺階跌落到下一個臺階，通過和臺階水平面的撞擊及水流紊動而消除能量，如此重復地再向下一個臺階傳下去，如此重復跌落，消除能量，該流態的臺階面消能率最高；隨著流量的增大，從臺階頂部射出的流速逐漸增大，舌壯跌落水流向滑移水流轉化，在臺階面滑移水流條件下，水流的能量主要通過水流在臺階面上的裂散摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動交換實現。這里采用如下方法來進行消能率的計算，在圖1中選取1-1斷面和2-2斷面來進行該工程臺階面消能率的計算，其中1-1斷面為拋物線末端 （即臺階面起點），樁號Y0+249.596 m，渠底高程為1 270.743 m。2-2斷面為臺階面下泄水流在消力池的潛入點 （即1.0 m高度臺階面的第34個臺階處），樁號Y0+305.696 m，臺階面高程1 236.743 m并且定義消能率計算公式

圖1 消能計算斷面

式中，E1為上游計算起始斷面的總能量，E1=Z1+h1+為下游計算斷面的總能量2g；Z1、Z2分別為上下游斷面的底部相對高程，m；h1、h2分別為上下游斷面的水深，m；v1、v2分別為上下游斷面的平均流速，m/s。

溢洪道3個不同試驗臺階高度、不同流量時，臺階面上的消能率計算對比結果顯示：臺階高度不變，隨著下泄流量的增加，臺階面的消能率在逐漸降低；不同臺階高度在下泄相同流量時，臺階越高，其消能率也大。本試驗臺階高度的選擇是經過詳細分析后確定的，其測驗資料表明，臺階高度為1.0m和1.3 m所測得的臺階面消能率基本接近?？紤]其測驗本身的誤差認為，從消能率方面考慮，采用臺階高度為1.0 m和1.3 m均能到達滿意的消能效果，優先采用的臺階高度為1.0 m。

3 結論

（1）體形布置。樁號從Y0+175.000 m到Y0+215.000 m為1∶100比降的漸擴段，渠寬從8 m擴大到16 m，下游與拋物線段連接，拋物線方程y=0.02x+0.084 7x2，水平向全長34.596 m，末端樁號Y0+249.596 m，并在該處設置1∶18的摻氣挑坎。臺階面比降1∶1.65，單個臺階高度1.0 m，水平全長77.55 m，共47個臺階。

（2）水流流態。臺階面在各運行工況流態良好，通氣孔通氣暢通，空腔穩定，水舌下緣在校核和設計水位運行時，基本在第3個臺階位置與臺階面交匯，保證水流盡可能與臺階面接觸，提高了臺階面的消能率，設計水位臺階面起點位置的臺階面底部摻氣特別充分。

（3）壓強分布。拋物線段底板壓強的測驗結果表明，其線形基本可滿足水流要求，堰面壓強分布合理，除樁號y0+239.742 m處的39號測壓管測到最大負壓-0.12×9.8 kPa，其他位置壓強均為正壓強，故不存在水流空化問題。臺階水平面上的所有測壓管在各運行工況其壓強均為正壓強，但臺階面的豎向面在臺階下游有負壓強出現，最大負壓為-0.86×9.8 kPa，并且在每一個臺階豎向面處的，壓強分布表現為越向上靠近臺階頂部壓強越小。由于模型受體形尺寸的限制，不可能無限靠近臺階頂部布置測壓管，加之臺階面水流本身的復雜性，為了防止萬一在臺階豎向面頂部出現過大負壓強而引起的臺階面發生空化，采用了在臺階進口處增加摻氣設施，通過摻氣減蝕來避免可能發生的空蝕破壞。

［1］ SL 155-92 水工 （常規）模型試驗規程［S］.

［2］ 南京水利科學研究院，中國水利水電科學研究院.水工模型試驗［R］.南京：南京水利科學研究院，1985

［3］ 周輝，吳時強，姜樹海.臺階溢流壩滑移流水力特性初步研究［C］//泄水工程與高速水流，1998.

［4］ 汝樹勛，潘瑞文，唐朝陽，等.曲線形階梯式溢流壩的消能特性［C］//泄水工程與高速水流論文集，1994.

［5］ 水利水電泄水工程與高速水流信息網，東北勘測設計研究院水利科學研究院，泄水工程與高速水流［M］.長春：吉林科學技術出版社，2000.