五道庫水電站溢流壩模型試驗成果分析與優化設計

王愛華，李 俊

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

五道庫水電站壩址位于湯旺河支流五道庫河中游，伊春市美溪區東北約20 km處，五道庫河是湯旺河左岸一級支流，發源于伊春市境內的小興安嶺南麓的小白山南側，因從五道庫溝流出，故名“五道庫河”，自東北流向西南，在五道庫經營所駐地以東接納樺皮羌子河后，折向南，在美溪區附近注入湯旺河。流域總面積1 773 km2。河道長80 km，總落差685 m，水能理論蘊藏量為26.56 MW。較大支流為右岸的樺皮羌子河及左岸的臥龍河，流域面積分別為470 km2和350 km2［1］。

五道庫水庫總庫容為9655 ×104m3，為中型水利樞紐工程，工程屬于Ⅲ等工程，主要建筑物攔河壩、溢流壩及壩式進水口為3 級建筑物，電站裝機6.0MW，電站廠房為壩后式，電站廠房及次要建筑物為5 級建筑物。水庫采用100a 一遇(P =1%)洪水設計，1 000 a一遇(P =0.1%)洪水校核，溢流壩消能防沖按30a 一遇洪水設計。

五道庫水電站攔河壩采用碾壓混凝土重力壩，壩頂全長477.50 m，最大壩高48.20 m，溢流壩段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流壩堰面采用WES 實用堰，下游采用挑流消能，溢流壩堰面及基礎采用常態混凝土，壩體內部為碾壓混凝土。

2 溢流壩模型試驗與優化設計

2.1 溢流壩初步設計方案及模型試驗的提出

五道庫水電站初步設計階段初步擬定溢流壩段布置在河床中部靠近主河槽右岸，溢流壩分兩孔，單孔凈寬8 m，堰頂高程為293.00 m，中、邊墩厚均2.5 m，溢流壩總寬度為23.50 m。工作門采用弧形鋼閘門，弧門上游2 m處設檢修鋼閘門。

溢流壩堰頂高程為293.00 m，采用WES 實用堰，直線連接坡比為1:0.75，反弧段半徑為11 m。下游采用挑流消能，挑流鼻坎高程為266.30，挑角為20°。

理論設計計算泄流能力、下游消能挑距等均滿足要求，但實際運行時不同上游水位情況下的溢流壩泄流能力、水流流態、過堰水面線、堰面壓力分布以及各級流量下挑流鼻坎的布置、高程、位置合理性，理論計算很難確定，需要結合水工模型試驗加以驗證并進行優化設計。

2.2 溢流壩初步設計方案的模型試驗結論與分析

1)根據水工模型試驗，經計算閘門全開時平均綜合流量系數M 為0.462 ＞0.456(設計采用)，校核洪水位303.39 m時，下泄流量為1 090 m3/s，超泄洪水29 m3/s，泄流能力滿足要求［2］。

2)閘門全開時過堰水流為堰流，溢流孔左、右兩邊墩進口有嚴重繞流現象，邊墩內、外水面高差很大，達到1.5 ～2.0 m，形成很大的繞流漩渦。當過堰水流為孔流時，閘門前水面不平穩，波動較大。

3)各工況下溢流壩面最大壓力發生在溢流壩面的反弧段區域，最大時均壓力為181.70 kPa。各工況下堰頂閘門槽下游附近區域出現負壓，測得的負壓最小值為－22.37 kPa。

4)各工況下的實測沖刷坑上游坡度T/L 值均在1∶3.0 ～1∶6.0。

5)實測起挑流量為52.02 m3/s，相應的上游庫水位294.32 m，終挑流量為42.35 m3/s，相應的上游庫水位294.15 m，當流量小于起挑流量時，會形成貼壁水流，對鼻坎基礎穩定不利。

6)從水舌形態上看，水舌出射角度偏小，挑射高度偏低。

根據水工模型試驗結果分析，造成左、右兩邊墩進口嚴重繞流現象及進口處形成很大的漩渦的原因為上游進口邊墩及中墩形狀為非流線型，影響水流形態。

產生堰面負壓是由于下游直線段坡比小的原因造成的，可適當加大坡比，同時需調整反弧段半徑、挑角及鼻坎高程以使水舌出射角度及挑射高度更合理。

2.3 溢流壩優化設計方案

依據水工模型試驗，對原方案進行優化設計，溢流壩堰面直線連接坡比由1∶0.75調整為1∶0.8，反弧段半徑由11 m調整為12 m。下游挑流鼻坎高程由266.30 調整為267.50，挑角由20°調整為25°。同時將上游進口邊墩墩面形狀由原來非流線型表面改為流線型墩面［3］。

2.4 溢流壩優化設計方案模型試驗結論

計算優化方案閘門全開時平均綜合流量系數M為0.458，大于設計采用的0.456，泄流能力滿足要求。校核洪水位303.39 m 時，下泄流量為1 085 m3/s，超泄洪水24 m3/s。

閘門全開時水流在兩邊墩墩頭，未出現明顯的繞流漩渦，此處的水流流態較原設計方案有了明顯改善。

優化方案各工況下溢流壩面最大壓力發生在溢流壩面的反弧段區域，最大時均壓力為151.49 kPa。負壓最大值為－12.87 kPa，負壓值＜0.06 MPa，符合規范規定，同時最大壓力機負壓最大值明顯減小。

從水舌形態上看，水舌的出射角度、挑射高度均較理想。優化方案各工況下的沖坑呈長勺狀，校核工況時出現最深沖坑，底高程為243.90 m，距離挑流鼻坎85.0 m。

實測起挑流量為74.60 m3/s，終挑流量為59.71 m3/s。

通過實測數據對比分析得到以下結論:

1)優化方案與原設計方案相比，優化方案左、右邊墩墩頭兩側的繞流漩渦消失，進口水流流態得到明顯改善;挑射水舌的內緣挑距和挑射高度都明顯增大，水舌形態更好。

2)泄流能力滿足設計要求。

3)優化方案與原設計方案相比，優化方案鼻坎處的流速略有增加，對提高內緣挑距和挑射高度是有利的。

4)優化方案與原設計方案相比，優化方案壩面時均壓力的負壓范圍明顯變小，同時負壓值也明顯變小，這對避免溢流壩面混凝土氣蝕破壞是有利的。

5)沖刷試驗選用的抗沖流速較小，可以認為局部沖刷試驗結果偏于安全;各試驗工況下，優化方案的T/L 值在1∶5.63 ～1∶5.27，在規范規定的1∶3.0 ～1∶6.0的允許范圍之內，滿足要求。

3 結論與思考

五道庫水電站溢流壩設計經理論設計→水工模型試驗驗證→分析研究→優化設計→水工模型試驗驗證一系列逐步優化的過程。對理論設計中無法確定的問題經模型試驗去驗證，也為今后相關的設計提供參考依據。五道庫優化設計過程也證明了對大中型工程的設計進行相關的水工模型試驗是非常有必要的。五道庫水電站溢流壩優化設計過程也表明，理論計算中的挑距計算滿足要求，但理論計算無法準確計算出內緣挑距，因此適當增大挑角及鼻坎高程對提高內緣挑距和挑射高度是有利的。在過堰流量低于起挑流量和終挑流量時會形成貼壁流，對鼻坎穩定不利，設計者應加強對鼻坎基礎防護。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 伊春美溪區五道庫水電站工程初步設計報告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2013.

［2］水利部天津水利水電勘測設計研究院SL253—2000 溢洪道設計規范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2000.

［3］常云華，李宗偉，黃樹友. 上溝水利樞紐溢流壩水工模型試驗研究［J］. 長春工程學院學報:自然科學版，2009，10(02):31－34.