斑桃水電站大壩消能防沖水工模型試驗分析

李曉明（陜西省地方電力水電有限公司紫陽水電分公司，陜西 紫陽 725300）

1 工程概況

紫陽縣斑桃水電站為具有周調節性能的混合式水電站，該工程由水庫大壩樞紐、壓力引水隧洞、電站廠房等主要建筑物組成，總裝機4200KW。水庫大壩樞紐位于漢江二級支流八道河上，控制流域面積193KM2，水庫正常擋水位555.0M，總庫容280萬M3，調節庫容165萬M3，水庫樞紐為小（I）型四等工程，大壩為雙曲單園心拱壩，壩頂高程560.5M，最大壩高43M，壩頂弦長100M，溢流堰頂高程555.0M，溢流段長度40M，為四級建筑物。30年一遇設計洪峰流量為800M3/S，200年一遇校核洪峰流量為1050M3/S，水庫泄洪采用大壩溢流表孔和沖砂洞聯合泄流。壩址處河谷呈“V”型，岸坡陡峭，基巖裸露，山體雄厚，兩岸基本對稱，壩基下伏基巖為泥質板巖夾砂質板巖、蝕變板巖和輝石閃長巖，巖體較完整，強度高，壩址區無大的不良地質構造。

2 模型制作

模型按重力相似設計，模型長度比尺為λL=50，相應流量比尺為λL5/2，流速比尺為λL1/2，時間比尺為λL1/2，糙率比尺為λL1/6。

3 試驗研究

3.1 設計方案溢流表孔為連續式挑坎，挑角為10。。通過對水流流態、表孔泄流能力、水舌落點處壓強分布、水舌挑距，下游河床流速分布等要素進行水工模型試驗后看出，溢流表孔體型設計較為合理，但存在下列問題：（1）挑流水舌由于受下游地形束窄的影響，左右邊孔出流水舌直沖兩岸山坡。（2）受拱壩射流向心集中的影響，水流單寬流量沿程增加，水舌逐漸集中，落點處動水壓強大，最大時均壓強設計水位時為33.25M，校核水位時為39.75M，最大沖擊壓強設計水位時為37.75M，校核水位時為39.25M，大于理論值。（3）水舌落點處流速大，設計水位最大流速為23.46M/S，校核水位為24.28M/S，遠大于河床抗沖流速。（4）沖坑深度大，設計水位和校核水位時最大沖深分別17.25M和20.105M，最大沖坑點距溢流壩段出口39.75M和39M，不滿足水舌挑距與沖坑深度大于3的要求。

3.2 鑒于設計方案存在的問題，修改方案的思路是將兩邊孔水流適當內縮，其它表孔水流盡量分散，以達到水舌不直沖岸坡，而多層分散水流可以降低河床動水壓強，以減少河床沖刷深度。經多次試驗后確定修改方案溢流表孔體型為：兩邊孔和中孔采用25。挑角，其余兩孔仍用10。挑角；在兩邊孔外側加一折流器，折流器尾部寬度1.0M，坡比為1：4，斜面長4.123M；差動坎在兩邊孔各設1個，其余孔各設2個，差動坎從反弧最低點算高度1.5M，寬1.6M。

4 分析

4.1 水流流態分析：修改方案在兩孔外側導墻加一折角器，使水舌相對集中，避免了水舌對兩邊岸坡的沖擊，采用不同的鼻坎挑角，使水流落點遠近不同，采用差動坎將原集中水流分成多股分散水流，模型試驗中可明顯看到水舌分成遠近不同三層21股水流，水層之間和多股水流之間不斷碰撞、混摻達到了消能的目的，實測結果表明，修改方案設計水位和校核水位時水舌落點處最大沖擊壓強分別為29.25M和32.25M，比設計方案降低了8.49M和6.99M，最大時均壓強分別為22.75M和26.75M，比設計方案降低了10.5M和7.0M。

4.2 實測差動坎側面、頂部、背后的壓強分布及兩差動坎之間的流速，結果表明側面和頂部未發生負壓，但背部仍有負壓存在，建議在設計中考慮給差動坎通氣，經保證工程運行安全，兩差動坎之間流速為13M/S-14M/S之間，不會因流速過大發生空蝕破壞。

4.3 沖刷深度：修改方案在設計水位和校核水位時最大沖深分別為14.925M和18.545M，最大沖深點距溢流壩出口分別為37.5M和36.5M，最大沖深較設計方案減小2.325M和1.56M，最大沖坑范圍設計水位時比設計方案小，校核水位相當。

4.4 由于拱壩向心力和下游地形的影響，單寬流量沿程集中，下游沖坑較深。在上游設計水位下調整下游水位，觀察其水舌落點處壓力變化。結果表明，隨下游水深增加，水舌落點處壓力峰值迅速衰減，因此在下游適當處修建一二道壩抬高下流水位，避免河床沖刷很有必要。

4.5 雖然修改方案水舌已不直沖兩邊岸坡，但落入河床的水流動能仍然很大，水流劇烈波動，尤其落點附近水流呈蘑菇狀上、下翻滾仍對岸坡有破壞作用，設計中應予以考慮。

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