某水利樞紐工程溢洪道模型實驗研究

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

關鍵詞：溢洪道；模擬實驗；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行有效的模擬實驗，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，是為了周圍地區的農業灌溉和生態用水問題，同時也可以利用充足的水資源進行發電。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、泄洪設備和引導水流的設備、開敞式溢洪道、發電使用的引水洞、發電過程中建設的廠房、灌溉農業使用的飲水隨動、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，按照規模劃分，屬于二等規模。其中，水庫的總容量達到1.76億平方米，水庫中設有多個堤壩，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到650.0m，死水位達到646.5m。之所以可以用來進行大規模的發電，是因為這一水庫中設立的電站裝機容量可以達到5MV，多年的平均發電量可高達0.189億kW/h。其中，水庫中的溢洪道主要是由引導水流部分、控制水流部分、泄槽部分和消能部分組成。[1]

其中，進口引導水流部分的主要特點是引導水流渠道的設置基本上都是在右側壩肩岸坡上，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，堰頂的高度達到642.50m，堰后所接的陡坡段的比例基本上是1：15，擋水所使用的設備主要是弧形工作門，為加固這種擋水的設備，另外設置了平板檢修門，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裸露的狀態，巖性為變質砂巖，巖體的主要特征是堅硬，因此，這種巖體的抗沖擊力超強。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坡擊碎石土，其結構可以說是非常結實和嚴密的。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 水力樞紐工程試驗模擬設計

對于水力樞紐工程的建設，是必須簽訂相關合同的，合同主要是對工程建設的質量建設提出一定的要求，因此，在工程進行試驗模擬時，應按照合同的要求，來設定試驗模擬的具體內容以及實驗供水、場地布置等條件。在建立模型的過程中，首先應按照重力相似準則對水力樞紐工程進行有效設計，其中的幾何模型比例尺應該是40，而流量的比例尺應該是10119.3，流速比例尺應該為6.32，粗糙率的比例尺應該是1.85，時間比例尺應該為6.32，最后則應確定泥沙粒徑比例尺為40。[2]

由伊茲巴斯公式計算沖料粒徑

Vs= Kd

式中，Vs 為抗沖流速，K為經驗系數，其取值范圍一般為5～7m二分之一次方/s。強風化層允許抗沖流速為1.0m/s，弱風化層為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分析

3.1 對原設計方案實驗的研究

在進行制作溢洪道水工模型時，一般比較注重原設計方案的驗證實驗的研究，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和流速和壓力分布等進行的，對于實驗結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實驗進行的，從實驗的結果可以明確的分析出溢洪道之所以會影響堰的過流能力，是因為溢洪道進口是通過直角連接的，流態非常紊亂，在設計水位和校核水位的形勢下，駝峰堰的堰流流態并不是很明顯。為解決這一問題，必須與設計單位和設計人員進行必要的溝通，將閘前進口形式改為1/4圓弧連接（半徑為10m），進口引渠段底寬改為20m。

3.2 對修改方案試驗的研究和分析

在進口形式改為圓弧連接后，試驗并詳細觀測此方案的溢洪道運行水位流量關系及典型洪水位時開度流量關系，以及在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位的不同開度條件下的水面線及流速分布、沿程動水壓強分布、出口挑坎的挑距及起挑流量等參數。[3]

試驗測定了643.5～653.36m等20多種不同洪水位時溢洪道的下泄流量，測得的各典型洪水位時溢洪道的下泄流量見表1，可見，設計校核洪水位時溢洪道下泄流量的試驗值均大于計算值，結果說明在設計校核洪水位情況下，溢洪道的泄流能力均能滿足泄洪要求試驗測定了正常蓄水位設計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陡槽段內最大水深及其位置（樁號）

表2 各種工況下1∶5陡槽段內最大水深及其位置（樁號）

由表1可見，溢洪道1∶15陡槽段在設計校核洪水位下閘門全開時的最大水深均位于0+060斷面前后，主要是由于斷面收縮折沖水流擺動影響，校核洪水位下水流間歇拍打邊墻最大水深達到10.0m；設計洪水位及正常蓄水位時水流間歇拍打邊墻最大水深可達8m不同洪水位其他開度時水深相對較低，水流折沖現象明顯，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，而此處邊墻高為11.5m，可以考慮根據最大水深位置適當降低邊墻高度由表2可見，溢洪道1∶5陡槽段在設計校核洪水位下閘門全開時的最大水深均位于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；設計洪水位及正常蓄水位各種開度時水深都在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（樁號0+145）至樁號0+200之間加高邊墻高度，另外邊坡點上游也需要適當加高邊墻。

參考文獻

[1]SL-155295.水工模型試驗規程[S].

[2]李建中.水力學[M].西安：陜西科學技術出版社，2008.

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