魚嘴坳水電站溢洪道復合消能設計及物理模型試驗研究

夏明月

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210001)

為保證水能利用效率，水電站溢洪道入口和出口水頭差大，水流流速快。高速下泄的水流不僅對沿線溢洪道結構產生巨大沖擊，嚴重威脅溢洪道建筑物運行安全，同時也將沖擊下游河道，掏刷河床，影響河道內水流及河勢穩定。因此，在水工建筑物設計中，如何合理有效設計消能設施，在下泄過程中有效消耗水流能量是設計的重點與難點。

國內外專家學者對于溢洪道消能做了諸多研究。重慶交通大學的曹志勇教授采用了流線型尾墩結構，有效地減小了進水渠兩端水流對沖，減小了下游連接段水流流速。上海海事大學的毛明宇教授采用梯坎段結構，通過逐級水流旋滾來耗散水流能量。武漢理工大學的張興志教授根據二元水躍理論，設計了下挖式消力池進行水流消能。

本文在以往研究的基礎上，以重慶市魚嘴坳水電站為實例工程，詳細研究復合消能結構設計，并借助物理模型試驗，分析消能效果。

1 工程概況

1.1 工程概況

魚嘴坳水電站位于重慶市酉陽市馬蘭溪上游的拜佛巖處，攔河建筑物采用面板堆石壩，最大壩高為98.2m，水庫正常蓄水位為680.0m，總庫容達到1047萬m3。根據相關規范，魚嘴坳水電站永久建筑物按照Ⅱ級設計，臨時建筑物按照Ⅳ級設計。整個溢洪道長612.22m，其中入口斷面高程為682m，出口斷面高程為574.64m，落差達到107.36m。

1.2 工程水文

根據馬蘭溪青巖子水位站的統計數據，工程河段的水位和流量關系曲線如圖1所示。根據SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》關于工程等別及建筑物級別的規定，魚嘴坳水電站為Ⅲ等中型工程，泄水建筑物級別為Ⅲ級，按規范要求定為100年一遇的設計洪水(P=1%)和200年一遇的校核洪水(P=0.5%)。因此設計洪水位為680.0m，設計洪水流量為447m3/s；校核洪水位為681.2m，校核洪水流量為668m3/s。

1.3 工程方案設計

工程原方案采用梯坎與底流消能組合的消能形式，立面設計方案如圖2所示。其中梯坎段分為4段：第1段為29.5m的漸變段，梯坎寬度由1m漸變至4m；第2段為26級的2.5m寬的梯坎段；第3段為36m長的單級小型挑坎，第4段為6級梯坎，每級寬6m。底流消能為下挖式消力池，池深2m，長為45m。

圖1 工程水位與流量關系曲線

圖2 魚嘴坳水電站溢洪道消能段原方案

2 工程方案優化設計

2.1 梯坎段方案修改

根據原方案的放水試驗實測水面線，采用充分發揮階梯段的消能效果，使得水流沿著合理的軌跡運動的原則，階梯段修改方案在原方案的基礎上，將整個陡槽段分為了4段：第1段為拋物線，其余3段為直線段。其中，陡槽段1共10級階梯，長度依次為3.5、4.2、4.0、3.5、4.0、4.0、4.0、3.8、3.5、3.0m，高度由0.25m依次均勻增加至2.0m；陡槽段2為15級0.26m長，0.2m高的階梯；陡槽段3共5級階梯，長度由0.3m均勻增至0.5m，高度都為0.2m；陡槽段4為11級0.55m長，0.2m高的階梯。

2.2 消力池方案修改

結合原方案的放水試驗實測水面線，并根據二元水躍運動原理，對消力池尺寸進行優化。

消力池計算的主要內容是確定池長和池深，池寬可按與梯坎段出口銜接面的寬度取為16m，因此計算仍按二元水躍公式確定消力池的池長L和池深d。

(1)

(2)

Lk=h2，L=0.8Lk

(3)

d=δh2-h1-Δh

(4)

(5)

式中，h1—躍前水深，h2—躍后水深；H0—計算斷面渠底以上總水頭；φ—消力池出流的流速系數。

經計算，魚嘴坳水電站溢洪道消力池池長宜取64.5m，池深宜取3.0m。修改后工程方案立面圖如圖3所示。

圖3 魚嘴坳水電站溢洪道消能段修改方案

工況位置階梯段修改方案原方案左中右斷面平均左中右斷面平均設計工況校核工況梯坎段進口流速14.0414.3616.0614.8215.0015.2016.6115.60梯坎中段流速18.3217.6219.0418.3319.2122.7418.7720.24梯坎段出口流速13.8214.2614.5014.1916.1116.2715.4015.93消力池末端流速7.317.466.907.239.399.559.709.54消能率/%89.3281.31梯坎段進口流速14.4415.5116.8915.6114.6716.6417.4316.25梯坎中段流速18.9019.0520.0919.3519.3019.3321.9520.20梯坎段出口流速13.6514.2114.4514.1016.1416.7417.6416.84消力池末端流速7.778.007.507.7710.0810.7210.4810.42消能率/%93.1786.25

3 物理模型試驗設計

采用幾何比尺均為1∶40的正態物理模型試驗進行原型及修改方案的試驗研究。根據《水工模型試驗》的相關公式推導，可知本工程流量比尺為12533.8；流速比尺為5.72；糙率比尺為1.919。整個模型基礎采用水泥砂漿抹制，上部采用有機玻璃，以更好地進行流場觀察。整體模型如圖4所示。

圖4 魚嘴坳水電站溢洪道模型效果圖

4 消能效果分析

兩組方案在各工況消能效果對比見表1。分析可知：

(1)在各工況下，修改方案的梯坎段水流流態均優于原方案。修改方案各工況下梯坎段出口處流速均小于進口處流速，不但抵消了整個階梯處水頭落差的重力勢能，還減小了一部分動能，同時，水流流態也有了明顯的改善，水流基本貼底坡下泄，水氣摻混充分，水流旋滾均勻，對溢洪道沖擊作用顯著降低。

(2)消力池修改方案采用二元水躍法調整消力池尺寸后，有效的消除了對下游河床及岸坡的巨大沖擊。同時，由于水流在消力池內不斷的旋滾、摩擦，很好的耗散了高速水流所挾帶的動能，提高了工程運行的穩定性。在各工況下，修改方案消力池內水流流態也較為平緩，沒有明顯的水流波動、挑落等不利流態。

在設計工況、校核工況下，修改方案消力池的消能效率分別為74.2%、77.9%，遠高于原方案的64.1%、67.3%。消能效果大幅提高。

(3)經計算，在設計工況、校核工況下，修改方案消能組合的消能率分別為89.32%和93.17%，消能工末端的平均流速分別為6.90、7.50m/s，遠優于原方案81.31%、86.25%的消能率以及9.54、10.42m/s的消能工末端平均流速。優化效果良好。

5 結論

針對溢洪道下泄水流流速急、流態惡劣的情況，本文以重慶市魚嘴坳水電站為實例工程，詳細研究復合消能結構設計，并借助物理模型試驗，分析消能效果。得到研究結論如下：

(1)魚嘴坳水電站水工模型采用平面比尺1∶40的正態模型，模型材料保證糙率相似，模型水流條件具有較好的相似性，滿足研究要求。

(2)根據原方案試驗效果，結合二元水躍原理調整了梯坎段和消力池段尺寸。對比可知，在各工況下修改后的連續梯坎迫使水流形成連續的水躍，很好的耗散了水流攜帶的能量，修改后的消力池明顯的提高了效能率，明顯減小了下泄水流的流速，水流對邊壁的沖刷明顯減弱；同時，高速的水流沒有形成明顯的折沖和壅水，各斷面水深、流量分布比較均勻。

(3)采用新的消能工組合，整個溢洪道流態基本均勻穩定，消能效果非常好，設計、校核工況下海漫尾部流速小于8.0m/s，達到設計預期目標，能保證工程安全穩定地運行。