某水利樞紐工程溢洪道模型實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：水利樞紐工程的建設(shè)在我國各大工程建設(shè)中占據(jù)重要地位，也是我國水利工程中建設(shè)中必須走的一步，通過對水利樞紐溢洪道建設(shè)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以對樞紐布置方案的水力學(xué)性能和不同水流量的下游消能防沖各設(shè)施進(jìn)行合理有效評價(jià)，同時(shí)也可以在此基礎(chǔ)上提出改善措施。此外，還可以對反弧段型和挑流鼻坎體型的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理有效的評估，在評估之后還可以提出優(yōu)化各種形式和體型的建議。

關(guān)鍵詞：溢洪道；模擬實(shí)驗(yàn)；水利樞紐

1 某一水力樞紐工程的整體概況

要想對水力樞紐工程溢洪道進(jìn)行有效的模擬實(shí)驗(yàn)，首先必須了解這一水利工程的情況，之所以要解決新疆阿勒泰市境內(nèi)的某水利樞紐工程的某一河流峽谷出口上游處的水利工程問題，是為了周圍地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水問題，同時(shí)也可以利用充足的水資源進(jìn)行發(fā)電。此水力是由由多方面要素組成的，分別是瀝青混凝土心墻壩、泄洪設(shè)備和引導(dǎo)水流的設(shè)備、開敞式溢洪道、發(fā)電使用的引水洞、發(fā)電過程中建設(shè)的廠房、灌溉農(nóng)業(yè)使用的飲水隨動(dòng)、倒虹吸引水渠道等建筑物組成。

這一水力樞紐工程按照全國劃分的等級來說，屬于二等工程，按照規(guī)模劃分，屬于二等規(guī)模。其中，水庫的總?cè)萘窟_(dá)到1.76億平方米，水庫中設(shè)有多個(gè)堤壩，其中最高的堤壩大概63.00m，而水庫的正常情況下的蓄水量可以達(dá)到650.0m，死水位達(dá)到646.5m。之所以可以用來進(jìn)行大規(guī)模的發(fā)電，是因?yàn)檫@一水庫中設(shè)立的電站裝機(jī)容量可以達(dá)到5MV，多年的平均發(fā)電量可高達(dá)0.189億kW/h。其中，水庫中的溢洪道主要是由引導(dǎo)水流部分、控制水流部分、泄槽部分和消能部分組成。[1]

其中，進(jìn)口引導(dǎo)水流部分的主要特點(diǎn)是引導(dǎo)水流渠道的設(shè)置基本上都是在右側(cè)壩肩岸坡上，引水渠道的總長度為71.7m，由于長期受流水的擊打和沖擊，此部位基本上都是裸露的基巖，巖性基本上是花崗片麻巖，并且這些巖層的走向與溢洪道是接近垂直的。在水流的控制部分的堰型采用的是駝峰堰，這是一種很特別的堰型，堰頂?shù)母叨冗_(dá)到642.50m，堰后所接的陡坡段的比例基本上是1：15，擋水所使用的設(shè)備主要是弧形工作門，為加固這種擋水的設(shè)備，另外設(shè)置了平板檢修門，整體的控制部分長度為25.0m。泄槽部分主要是通過壩肩岸坡，總長度為250m，此段的基巖也基本呈現(xiàn)裸露的狀態(tài)，巖性為變質(zhì)砂巖，巖體的主要特征是堅(jiān)硬，因此，這種巖體的抗沖擊力超強(qiáng)。出口部分采用的是挑流消能，河岸基巖上主要是挑流坎的布置，這種河岸基巖主要的第四系全新統(tǒng)坡?lián)羲槭?，其結(jié)構(gòu)可以說是非常結(jié)實(shí)和嚴(yán)密的。挑流鼻坎的總長度為15.5m，總寬度為10m，挑角27.58，鼻坎高程607.491m。

2 水力樞紐工程試驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)

對于水力樞紐工程的建設(shè)，是必須簽訂相關(guān)合同的，合同主要是對工程建設(shè)的質(zhì)量建設(shè)提出一定的要求，因此，在工程進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，應(yīng)按照合同的要求，來設(shè)定試驗(yàn)?zāi)M的具體內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)供水、場地布置等條件。在建立模型的過程中，首先應(yīng)按照重力相似準(zhǔn)則對水力樞紐工程進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，其中的幾何模型比例尺應(yīng)該是40，而流量的比例尺應(yīng)該是10119.3，流速比例尺應(yīng)該為6.32，粗糙率的比例尺應(yīng)該是1.85，時(shí)間比例尺應(yīng)該為6.32，最后則應(yīng)確定泥沙粒徑比例尺為40。[2]

由伊茲巴斯公式計(jì)算沖料粒徑

Vs= Kd

式中，Vs 為抗沖流速，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值范圍一般為5～7m二分之一次方/s。強(qiáng)風(fēng)化層允許抗沖流速為1.0m/s，弱風(fēng)化層為2.5～3.5m/s新基巖為5.0～6.0m/s。

3 水力樞紐工程模型試驗(yàn)分析

3.1 對原設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)的研究

在進(jìn)行制作溢洪道水工模型時(shí)，一般比較注重原設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的研究，對于溢洪道中的水工狀況的測試一般是通過各種過流部位的流態(tài)和流速和壓力分布等進(jìn)行的，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析一般是從觀測和校核水工狀況下的溢洪道挑流沖坑形態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以明確的分析出溢洪道之所以會(huì)影響堰的過流能力，是因?yàn)橐绾榈肋M(jìn)口是通過直角連接的，流態(tài)非常紊亂，在設(shè)計(jì)水位和校核水位的形勢下，駝峰堰的堰流流態(tài)并不是很明顯。為解決這一問題，必須與設(shè)計(jì)單位和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行必要的溝通，將閘前進(jìn)口形式改為1/4圓弧連接（半徑為10m），進(jìn)口引渠段底寬改為20m。

3.2 對修改方案試驗(yàn)的研究和分析

在進(jìn)口形式改為圓弧連接后，試驗(yàn)并詳細(xì)觀測此方案的溢洪道運(yùn)行水位流量關(guān)系及典型洪水位時(shí)開度流量關(guān)系，以及在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的不同開度條件下的水面線及流速分布、沿程動(dòng)水壓強(qiáng)分布、出口挑坎的挑距及起挑流量等參數(shù)。[3]

試驗(yàn)測定了643.5～653.36m等20多種不同洪水位時(shí)溢洪道的下泄流量，測得的各典型洪水位時(shí)溢洪道的下泄流量見表1，可見，設(shè)計(jì)校核洪水位時(shí)溢洪道下泄流量的試驗(yàn)值均大于計(jì)算值，結(jié)果說明在設(shè)計(jì)校核洪水位情況下，溢洪道的泄流能力均能滿足泄洪要求試驗(yàn)測定了正常蓄水位設(shè)計(jì)洪水位不同開度工況下溢洪道的下泄能力，測得的不同工況時(shí)溢洪道1∶15陡槽段1∶5陡槽段的泄流量和水深分別見表1和表2。

表1 各種工況下1∶15陡槽段內(nèi)最大水深及其位置（樁號）

表2 各種工況下1∶5陡槽段內(nèi)最大水深及其位置（樁號）

由表1可見，溢洪道1∶15陡槽段在設(shè)計(jì)校核洪水位下閘門全開時(shí)的最大水深均位于0+060斷面前后，主要是由于斷面收縮折沖水流擺動(dòng)影響，校核洪水位下水流間歇拍打邊墻最大水深達(dá)到10.0m；設(shè)計(jì)洪水位及正常蓄水位時(shí)水流間歇拍打邊墻最大水深可達(dá)8m不同洪水位其他開度時(shí)水深相對較低，水流折沖現(xiàn)象明顯，但間歇拍打邊墻相對不高，相同水位條件下不同開度的最大水深隨開度增加向上游移動(dòng)，而此處邊墻高為11.5m，可以考慮根據(jù)最大水深位置適當(dāng)降低邊墻高度由表2可見，溢洪道1∶5陡槽段在設(shè)計(jì)校核洪水位下閘門全開時(shí)的最大水深均位于0+170斷面前后，也是受上游折沖水流擺動(dòng)影響，校核洪水位下水流間歇拍打邊墻最大水深超過6.0m；設(shè)計(jì)洪水位及正常蓄水位各種開度時(shí)水深都在5.6m以下，而此處邊墻高為6.0m，因此此處邊墻高度不能滿足過流要求，需要在變坡點(diǎn)（樁號0+145）至樁號0+200之間加高邊墻高度，另外邊坡點(diǎn)上游也需要適當(dāng)加高邊墻。

參考文獻(xiàn)

[1]SL-155295.水工模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]李建中.水力學(xué)[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[3]水利水電科學(xué)研究院，南京水利科學(xué)研究院.水工模型試驗(yàn)[M].北京水利出版社，2008.