斑桃水電站大壩消能防沖水工模型試驗(yàn)分析

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

1 工程概況

紫陽(yáng)縣斑桃水電站為具有周調(diào)節(jié)性能的混合式水電站，該工程由水庫(kù)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(jī)4200KW。水庫(kù)大壩樞紐位于漢江二級(jí)支流八道河上，控制流域面積193KM2，水庫(kù)正常擋水位555.0M，總庫(kù)容280萬(wàn)M3，調(diào)節(jié)庫(kù)容165萬(wàn)M3，水庫(kù)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(zhǎng)100M，溢流堰頂高程555.0M，溢流段長(zhǎng)度40M，為四級(jí)建筑物。30年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為800M3/S，200年一遇校核洪峰流量為1050M3/S，水庫(kù)泄洪采用大壩溢流表孔和沖砂洞聯(lián)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(duì)稱，壩基下伏基巖為泥質(zhì)板巖夾砂質(zhì)板巖、蝕變板巖和輝石閃長(zhǎng)巖，巖體較完整，強(qiáng)度高，壩址區(qū)無(wú)大的不良地質(zhì)構(gòu)造。

2 模型制作

模型按重力相似設(shè)計(jì)，模型長(zhǎng)度比尺為λL=50，相應(yīng)流量比尺為λL5/2，流速比尺為λL1/2，時(shí)間比尺為λL1/2，糙率比尺為λL1/6。

3 試驗(yàn)研究

3.1 設(shè)計(jì)方案溢流表孔為連續(xù)式挑坎，挑角為10。。通過(guò)對(duì)水流流態(tài)、表孔泄流能力、水舌落點(diǎn)處壓強(qiáng)分布、水舌挑距，下游河床流速分布等要素進(jìn)行水工模型試驗(yàn)后看出，溢流表孔體型設(shè)計(jì)較為合理，但存在下列問(wèn)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(diǎn)處動(dòng)水壓強(qiáng)大，最大時(shí)均壓強(qiáng)設(shè)計(jì)水位時(shí)為33.25M，校核水位時(shí)為39.75M，最大沖擊壓強(qiáng)設(shè)計(jì)水位時(shí)為37.75M，校核水位時(shí)為39.25M，大于理論值。（3）水舌落點(diǎn)處流速大，設(shè)計(jì)水位最大流速為23.46M/S，校核水位為24.28M/S，遠(yuǎn)大于河床抗沖流速。（4）沖坑深度大，設(shè)計(jì)水位和校核水位時(shí)最大沖深分別17.25M和20.105M，最大沖坑點(diǎn)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(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，修改方案的思路是將兩邊孔水流適當(dāng)內(nèi)縮，其它表孔水流盡量分散，以達(dá)到水舌不直沖岸坡，而多層分散水流可以降低河床動(dòng)水壓強(qiáng)，以減少河床沖刷深度。經(jīng)多次試驗(yàn)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(cè)加一折流器，折流器尾部寬度1.0M，坡比為1：4，斜面長(zhǎng)4.123M；差動(dòng)坎在兩邊孔各設(shè)1個(gè)，其余孔各設(shè)2個(gè)，差動(dòng)坎從反弧最低點(diǎn)算高度1.5M，寬1.6M。

4 分析

4.1 水流流態(tài)分析：修改方案在兩孔外側(cè)導(dǎo)墻加一折角器，使水舌相對(duì)集中，避免了水舌對(duì)兩邊岸坡的沖擊，采用不同的鼻坎挑角，使水流落點(diǎn)遠(yuǎn)近不同，采用差動(dòng)坎將原集中水流分成多股分散水流，模型試驗(yàn)中可明顯看到水舌分成遠(yuǎn)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(dá)到了消能的目的，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，修改方案設(shè)計(jì)水位和校核水位時(shí)水舌落點(diǎn)處最大沖擊壓強(qiáng)分別為29.25M和32.25M，比設(shè)計(jì)方案降低了8.49M和6.99M，最大時(shí)均壓強(qiáng)分別為22.75M和26.75M，比設(shè)計(jì)方案降低了10.5M和7.0M。

4.2 實(shí)測(cè)差動(dòng)坎側(cè)面、頂部、背后的壓強(qiáng)分布及兩差動(dòng)坎之間的流速，結(jié)果表明側(cè)面和頂部未發(fā)生負(fù)壓，但背部仍有負(fù)壓存在，建議在設(shè)計(jì)中考慮給差動(dòng)坎通氣，經(jīng)保證工程運(yùn)行安全，兩差動(dòng)坎之間流速為13M/S-14M/S之間，不會(huì)因流速過(guò)大發(fā)生空蝕破壞。

4.3 沖刷深度：修改方案在設(shè)計(jì)水位和校核水位時(shí)最大沖深分別為14.925M和18.545M，最大沖深點(diǎn)距溢流壩出口分別為37.5M和36.5M，最大沖深較設(shè)計(jì)方案減小2.325M和1.56M，最大沖坑范圍設(shè)計(jì)水位時(shí)比設(shè)計(jì)方案小，校核水位相當(dāng)。

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(shè)計(jì)水位下調(diào)整下游水位，觀察其水舌落點(diǎn)處壓力變化。結(jié)果表明，隨下游水深增加，水舌落點(diǎn)處壓力峰值迅速衰減，因此在下游適當(dāng)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(dòng)能仍然很大，水流劇烈波動(dòng)，尤其落點(diǎn)附近水流呈蘑菇狀上、下翻滾仍對(duì)岸坡有破壞作用，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

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