異形挑流坎在抽水蓄能電站下水庫溢洪道水工模型的試驗研究

【摘要】本文在對某抽水蓄能電站下水庫模型進行分析的基礎上，通過對下水庫泄洪建筑物進行優化，并對優化后方案進行試驗分析。通過對試驗數據的的研究，為后續如溢洪道布置、各項結構設計和下游防沖護岸方案等提供設計依據。

【關鍵詞】抽水蓄能電站；下水庫泄洪；水工模型；優化

1、概述

抽水蓄能電站工程樞紐主要由上水庫主壩、副壩、下水庫大壩、溢洪道、泄洪洞、輸水系統和地下廠房系統等建筑物組成，本文模型試驗的電站下水庫位于綦江一級支流清溪河上游右岸支流石家溝上，該河谷為“V”字形溝谷，下水庫常水位時其水面寬度一般小于10m，而水深小于1m。電站下水庫的正常蓄水位為549.0m，下水庫的總庫容為1412萬m3，電站總裝機容量為1200MW。

抽水蓄能電站下水庫分別沿河床兩岸順河與垂直河流方向以卸荷裂隙的方式發育，兩岸砂巖表面部分巖體呈強風化，泥巖部分呈全風化。

2、試驗目的及試驗內容

2.1 試驗目的

本文通過對抽水蓄能電站下水庫溢洪道、泄洪洞二者聯合運行以及單獨運行時觀測數據進行分析研究。通過對數據的的研究，最終溢洪道進水條件、消能工體型以及下游防沖工程措施進行調整并優化，為后續如溢洪道布置、各項結構設計和下游防沖護岸方案等提供設計依據。

2.2 試驗內容

通過對抽水蓄能電站下水庫常年觀測數據進行研究，得知水庫常水位為549.0m。因而，此次試驗擬在水庫常水位條件下，分別對溢洪道提出等寬連續挑坎和窄縫式挑坎兩種方式進行消能工型式試驗。通過對試驗觀測數據進行分析，進一步由試驗得出結果設計出以不同高度設計的斜鼻坎體溢洪道模型，通過對泄流能力，溢洪道流態、流速與水面線，下游沖刷數據進行觀測并通過對觀測數據進行分析，最終得出優化調整措施建議，并為后續的護岸設計提供依據。

3、試驗結果分析

3.1 等寬連續挑流鼻坎方案分析

在溢洪道等寬連續挑流鼻坎方案試驗中，在泄洪洞與溢洪道在正常549.00m的蓄水位條件下工作時，溢洪道進水口流態較為平順，左導墻端部局部出現繞流現象，且部分區域繞流流速可達到1.50m/s左右。由觀察發現泄槽內流態較好，斷面水深分布較為均勻，槽內無明顯沖擊波產生。通過對溢洪道挑流水舌進行觀察，發現水舌落點靠近右岸邊，其入水寬度大于河床平均寬度其值約為16m，通過對挑流水舌進行進一步分析，發現其橫向擴散雖然不夠充分，但由于能量較為集中，使得水流入水后可以對左岸開挖邊坡形成一定沖擊力量，泄洪洞水流呈遠驅水躍下泄，與溢洪道挑射下潛水流形成碰撞摻混，二者的碰撞可以在一定程度上起到消能的作用，下游動床由溢洪道與泄洪洞下泄水流沖刷形成兩個較為明顯的沖坑，沖坑深度可達12.89m且坑體靠近右岸邊，威脅邊坡穩定。

3.2 窄縫式挑流鼻坎方案分析

在窄縫式挑流鼻坎方案試驗中，當溢洪道與泄洪洞聯合運行時，泄洪洞進口上方會偶有游動小漩渦出現，但此類游動小漩渦并未能形成挾氣漏斗，因而，泄洪洞總體進口水面平穩，流態較好。但當下泄水流進入平面轉彎段后，水流會在慣性的作用對左側洞壁造成沖擊，致使平面轉彎段全程的水深左側明顯大于右側，斷面左側水深最大值為4.80m，右側水深最大值為3.20m，兩側最大水深值均低于泄洪洞兩側直墻高度。對于溢洪道挑流水舌觀察發現水舌未沿縱向充分拉開，導致水舌入水處能量仍較集中，且動床沖坑位于右岸邊坡處，威脅邊坡穩定，因而，利用窄縫式挑流鼻坎無法達到開始的預期效果。

3.3 斜鼻坎體優化方案分析

通過對等寬連續挑流鼻坎方案以及窄縫式挑流鼻坎方案試驗數據進行分析，發現這兩種設計方案均無法達到預期效果，因而，仍需對溢洪道挑流鼻坎體型進行進一步研究，得出優化調整措施建議，以改善下游河道流態和減輕沖刷，并為后續的護岸設計提供依據。

3.3.1 泄流能力

以高度溢洪道挑流鼻坎體型在溢洪道單獨運行以及溢洪道和泄洪洞聯合運行的不同工況下運行，通過對實測上游水位與實測流量進行分析可知，溢洪道在正常蓄水位下單獨運行時，下泄流量為654m3/s，略小于20年一遇洪水下泄流量662m3/s；溢洪道與泄洪洞全開聯合運行時，試驗泄流能力為1230m3/s，比設計值大31.1%。由此可見，通過改變流鼻坎體型泄水建筑物高度，可以使建筑物的泄流能力基本滿足設計要求。

3.3.2 溢洪道流態、流速與水面線

試驗以百年一遇以下泄洪工況按正常蓄水位進行調控，百年一遇及以上洪水按泄洪樞紐下泄流量進行調控，下游水位則按實際下泄流量進行控制，通過對溢洪道流態、流速與水面線的監測結果進行分析，可以很看出：不同工況下泄槽斜坡段臨底流速隨著泄水的流程增加而增大，基本上在圓弧銜接段末樁處達到最大值，并且在末端處測得水流流速范圍在26.49m/s～29.27 m/s之間。

通過對從以上試驗成果進行進一步分析可知，此時溢洪道進口水流較為平順，無明顯不利流態產生。雖然在閘門全開情況下進行泄洪，發現進口水流側向收縮的位置并不對稱，但經過渡段調整，水流水面高程已基本達到一致，下泄水流經過閘室后迅速發生均化，最終不會對泄槽內流態造成不利影響。

3.3.3 下游沖刷

隨著試驗工況的改變，通過對實驗數據進行統計，得出以流鼻坎體型方案運行時，下泄流量不斷增加，導致溢洪道水舌挑距也隨之增大，最終水舌入水后直接沖擊左岸，沖坑最深點均位于左岸坡腳處，同時，下游沖坑最深點高程為473.87m，基本位于泄洪洞軸線方向，距離泄洪洞出口平臺約27.00m。從各試驗工況溢洪道參與泄洪時的沖坑位置與形態這兩方面來看，由于下游水位低，河床水墊淺，造成水舌基本均直接砸落在動床上，使得河床及兩岸沖刷較為嚴重，因此，在這種流鼻坎體型試驗方案中，可考慮改為溢洪道與泄洪洞聯合運行，用以減輕下游河床沖刷。

4、結論與建議

本實驗通過對等寬連續挑流鼻坎方案以及窄縫式挑流鼻坎方案進行實驗分析，發現這兩種設計方案均無法達到預期試驗效果，因而，在這兩種基礎試驗模型上設計出結果設計出以不同高度設計的斜鼻坎體溢洪道模型。通過對優化模型進行試驗研究，證明了優化方案可完全滿足實際水庫泄洪要求，并充分減少對河床的沖擊以及磨損。同時提出應需對壩下260.00m～壩下360.00m的范圍內兩岸邊坡以及其相應基礎、泄洪洞出口進行加強防護，用以保證邊坡穩定。

參考文獻：

[1]長江水利水電科學研究院編，《泄水建筑物下游的消能防沖問題》，1980年

[2]劉子榕等，挑流消能中的反弧半徑和臨界挑射流量問題，泄水建筑物肖能防沖論文集

[3]鄒紹剛，《泄洪洞挑流坎臨界起挑流量計算（數解法）》，吉林省水利勘測設計院科研所