某水電站溢洪道水工模型試驗研究

向 蕾

某水電站溢洪道水工模型試驗研究

向 蕾

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

根據工程建設需要，為全面驗證工程總體布置和建筑物結構布置的合理性，對某泄水陡坡進行水工模型試驗，分析出原設計體型存在的主要問題。通過增設摻氣槽、懸柵、修改模型尺寸，對泄水陡坡進行優化。結果表明：泄水陡坡過流能力滿足要求，工程總體布置和建筑物結構布置合理，滿足冬季排冰需求。

梯級開發；引水式電站；泄水陡坡；體型優化；水工模型試驗

1 工程概況

某水電站為梯級開發中的第3級引水式電站，發電引水流量110.8 m3／s，前池正常水位1 806.418 m，前池最高水位1 807.718 m，前池結構主要由前室、進水室、泄水閘及泄水陡坡等建筑物組成，泄水陡坡布置于泄水閘后，主要由漸變段、緩坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段組成，除尾部渠道段采用梯形斷面型式外，其余部位均采用矩形槽斷面型式。

泄水閘凈寬10 m，長15 m。漸變段長30 m，縱坡為i＝1／500，底寬由10 m漸變至4 m，墻高6.771 m。緩坡段長114.358 m，縱坡1／500，與陡槽之間采用渥曲方程相銜接，陡槽段全長335.23 m，縱坡1／3.82，一級消力池后縱坡為1／3.295，底寬4 m，共設兩級消力池。

2 模型設計與模型制作

2.1 模型設計

根據試驗內容、供水以及場地等條件，本模型試驗依據規范按重力相似準則設計。模型比尺需依據試驗內容場地以及供水、模型類型選定，本模型屬于單體模型，比尺≥1∶80，故經過綜合比選，本模型幾何比尺選定為為λL＝35，流量比尺λQ＝λL2.5＝ 7247.2，流速比尺λv＝λL0.5＝5.916糙率比尺λn＝

2.2 模型制作

模型由高水箱控制段、引渠段、前池段（包括泄水舌瓣閘門、閘后彎道段、溢流堰、堰后銜接段）、陡坡段（包括各段陡坡末端消力池）、尾水渠等部分組成。模型模擬范圍自泄水閘上游150 m，至下游最末一級消力池后300 m尾水渠。按照此要求，將原型中的材料糙率按照糙率相似準則進行換算之后，選用有機玻璃制作模型。有機玻璃的糙率為0.0076～0.0086，換算成原型為0.014～0.016，與混凝土的糙率十分接近。

模型流量量測系統由上游量水堰和下游量水堰（均為薄壁堰）組成，來流量由上下游量水堰共同量測。經過率定，整個模型系統的上、下游流量誤差不超過±5%。流速采用LGY—Ш型多功能智能流速儀測量；水位測量采用水準儀和鋼板尺。模型的放線精度及制作安裝精度均符合水利部《河工動床模型試驗規程》SL99—2012及《水工（常規）模型試驗規程》SL155—2012的要求，整個試驗過程也按照上述規范進行。

3 原設計方案試驗成果分析

在4種泄洪工況（設計水位1806.418 m、校核水位閘門關1807.718 m、校核水位閘門開1807.718m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）條件下，通過對原設計體形水流流態變化、水面線、過流能力、壓強分布、沿程流速分布的試驗成果分析，某泄水陡坡設計體型存在以下4個問題：

1）在前3種工況下，通過的試驗流量均小于設計流量。

2）在最高水位堰閘均過流和泄水陡坡通過最大流量110.8 m3／s時，陡槽段（0＋150～0＋695）水面均低于邊墻高度設計值，但堰后銜接段以及90°彎道的邊墻高度低于水深，說明相應部位建筑物過流斷面積偏小。

3）第三級消力池邊墻高度除設計水位外在其它工況下均有不足，有涌浪翻出池外。在校核水位閘門開及泄水陡坡流量110.8 m3／s情況下，各級消力池的池長明顯不足，水躍躍出池外，說明需要增加輔助消能工，以增加消能效果。

4）最大流速均發生在陡槽末端，都在20 m／s以上，當泄水陡坡流量為110.8 m3／s時，最大流速為27.3 m／s，接近30 m／s。因此需要在陡槽中適當增加摻氣減蝕工程措施，以防止氣蝕發生。

4 原設計方案的優化

4.1 泄水陡坡體型及摻氣設施布置

通過對原設計方案實驗分析發現在前3種工況下，通過的試驗流量均小于設計流量，通過對比分析，發現原因在于設計流量均按照寬頂堰自由出流計算，而試驗表明，此時的寬頂堰均為淹沒出流。導致閘門的過流能力偏低，為提高閘后段的過流能力，將泄水閘門后的90°彎道段底坡由原來的1／500變陡至1／100，其余尺寸不變。原設計方案中各工況下堰后銜接段中的消力池沒有任何作用，因此將溢流堰后的銜接段消力池去除，變為1／20.93的斜坡，銜接段出口與陡坡相交處底部高程降至1800.502 m。為進一步降低陡槽段的流速以及減小氣蝕發生的可能性，在第二、三段陡坡靠近末端的位置增設兩個摻氣槽。

4.2 消力池體型優化

為降低第三級消力池后尾水渠中流速，避免渠道發生沖刷破壞，將第三級消力池池深由3.5 m減少至2.65 m，以減小尾水渠底坡，池底高程不變，池末出口后的渠道底部高程相應降低0.85 m。原設計試驗結果和數據表明，在最高水位以及最不利工況下，消力池的體型尺寸明顯不足，池內水面紊動劇烈，并造成第三級消力池下游尾水渠水面波動較大且流速偏高，因而有必要對消力池內增設輔助消能工，可以在不改變現有結構尺寸的基礎上增強消能效果，消能懸柵是一種輔助消能工，最先使用在喀什卡群電站泄水陡坡中，消能效果顯著，其原理和其他輔助消能工一樣，使水流盡量發生摻混碰撞，流速得以降低，能量得以耗散。因此在消力池內設置懸柵作為輔助消能工。

5 優化體型試驗成果分析

5.1 泄洪工況試驗

在4種泄洪工況（設計水位1 806.418 m、校核水位閘門關1 807.718 m、校核水位閘門開1 807.718 m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）條件下，通過對優化設計體形水流流態變化、水面線、過流能力、壓強分布、沿程流速分布的試驗成果分析，得出以下結論：

1）各工況下舌瓣閘門和溢流堰的過流能力均能滿足設計要求。

2）正常水位下，各建筑物的邊墻高度能夠滿足設計要求。

3）正常水位下各級消力池基本能滿足要求，但在最高水位以及最不利工況下，各級消力池的流態都比較紊亂，池長明顯不夠。

5.2 消力池加柵試驗

本試驗中，先后在各級消力池中進行了不同柵條間距以及單層和雙層柵條的試驗，試驗表明，在各級消力池中加設雙層懸柵可以有效地平順池內水流，降低消力池末端流速，尤其是第三級消力池中設置的雙層懸柵，可以有效降低其后尾水渠中的流速。在工況二的情況下（校核水位閘門開），加柵之前尾水渠的流速普遍在5 m／s左右，加設雙層懸柵之后，流速降至3 m／s左右。

5.3 舌瓣門閘前水位開度關系試驗

模型試驗還測得了舌瓣門在最高水位情況下，開度由75°（全關）降至0°（完全開啟）時，閘門上的水頭與開度之間的關系，數據表與關系曲線見表1和圖1。

閘門開度／° 75 62.5 50 37.5 25 12.5 0實際水深／m 1.225 1.54 1.89 2.555 3.36 4.025 5.075

圖1 舌瓣閘門前水頭與開度關系圖

6 結 論

通過對某水電站泄水陡坡水工模型優化試驗，可以分別得出以下結論：

1）泄水陡坡結構布置合理。

2）原設計方案與優化方案的試驗數據對比結果表明，在第二、三段陡槽末端設置摻氣槽后，二級消力池池末及之后的陡槽流速均有不同程度的減小，尤其是最不利工況下流速減小的尤為明顯，但是二三級消力池的躍前流速均有小幅增加，說明增設摻氣槽對之后的流段中整體流速的減小有一定的作用，但不顯著，建議在設計中酌情考慮是否設置多道摻氣槽。

3）通過在各級消力池中增設懸柵可以改變以上紊亂的流態，并降低第三級消力池下游渠道流速。經過在各級消力池中進行不同柵條間距以及單層和雙層柵條的試驗并綜合對比后，最終確定在各級消力池中加設雙層懸柵可以有效地平順池內水流，降低消力池末端流速，尤其是第三級消力池中設置的雙層懸柵，可以有效降低其后尾水渠中的流速。加柵之前尾水渠的流速普遍在5 m／s左右，加設雙層懸柵之后，流速降至3 m／s左右。

4）90°彎道段的冬季排冰流量（2 m3／s）試驗測量了彎道段內的流速，結果表明彎道段的流速普遍＞1 m／s，基本能夠滿足冬季排冰的流速要求。

［1］姚錦玉.七礤水庫溢洪道重建工程挑坎設計優化［J］.廣東水利水電，2013（06）：68-70.

［2］曾衡.某工程階梯溢洪道優化試驗研究［J］.廣東水利水電，2012（08）：32-36.

［3］鐘勇明，黃智敏，陳卓英，何小惠.河源市源城區七礤水庫溢洪道消能試驗研究［J］.廣東水利水電，2010（06）：22-24.

TV131.61

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1007-7596（2015）07-0053-02

2015-06-28

向蕾（1984-），女，新疆喀什人，學士學位，工程師，從事水利工程勘測設計研究工作。