西彭水電站溢洪道彎曲段改造設計試驗

張 林

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400010)

1 水電站概況

西彭水電站位于重慶酉陽，水庫壩址位于青竹溪上游臨河巖處，距離上游酉陽縣城19.6km，距離下游馬渚大橋8.2km。本工程主要建筑物有攔河構筑物、泄水溢洪道、消能建筑物，設計流量為440m3/s。其中溢洪道總長612.22m(從樁號溢0+000.00至溢0+612.22)，沿程總高差176.50m。彎曲段總長73.3m，縱坡為1∶0.03，彎曲半徑為120m，圓心角為35°，水電站溢洪道平面布置如圖1所示。

圖1 西彭水電站溢洪道平面

2 物理模型制作

采用1∶40的物理模型試驗分析現狀以及優化方案下的試驗效果。根據《水工設計的理論和方法》換算關系，可推求得本模型的物理幾何比尺為1∶40，流速比尺為1∶6.42，流量比尺為1∶15229.5，糙率比尺為1∶1.75。同時，為了更好的觀察模型試驗效果，采用透明的有機玻璃制作模型。

3 現狀方案存在的問題

現狀方案下溢洪道彎曲段水位分布情況如圖2所示，由圖2可以看出，在設計工況下，現狀方案模型彎曲段水流流態復雜，不僅受離心力作用，導致外側水深加大，內側水深減小，造成斷面內的流量分布不均，而且由于邊墻轉折，迫使水流改變方向，產生折沖水流，嚴重威脅溢洪道的平穩運行。水庫溢洪道的流態優劣直接影響到溢洪道的運行安全。因此應考慮采用適合的方案進行調整，減小溢洪道兩側的水位差，改善水流流態。

圖2 現狀方案下溢洪道彎曲段水位分布情況

4 反超高方案計算原理及計算結果

急流沖擊波在進入彎道后，由于離心力作用產生較大位移，導致溢洪道彎曲段兩側產生明顯的水頭差。考慮加高溢洪道底板外側高程，并降低溢洪道底板內側高程。通過水體重力落差，由重力產生的橫向分力與離心力相互抵消。其中，計算原理如圖3(a)所示，急流沖擊波影響角度范圍計算式如下：

(1)

式中，b—彎道寬度；r0—對應渠道中心線的曲率半徑；β1—水流進入彎道后的初始波角。

溢洪道彎道段底板加高計算原理如圖3(b)所示，凸岸(溢洪道外側)上升的水體體積和凹岸(溢洪道內側)下降的水體體積分別可用下式表達。

(2)

(3)

根據平面幾何關系，可得到凸岸(溢洪道外側)上升的底板高程和凹岸(溢洪道內側)下降的底板高程表達式。

(4)

(5)

圖3 溢洪道彎曲段反超高計算原理示意圖

經計算可知溢洪道彎曲段各斷面超高計算結果，見表1。

表1 溢洪道彎曲段反超高底板高程結算結果單位：m

5 試驗效果分析

設計工況下，修改方案試驗效果如圖4所示(原方案試驗效果如圖2所示)，原方案與修改方案溢洪道彎曲段水位分布對比見表2，且表2中水位為相對650m高程的相對高程，分析可知：

(1)原方案設計工況下，彎曲段急流沖擊波受離心力作用，導致外側水深加大，內側水深減小，造成斷面內的流量分布不均，而且由于邊墻轉折，迫使水流改變方向，產生折沖水流。在原方案下，溢洪道彎曲段最大水位差為2.99m，平均水位差為1.76m。在溢洪道彎曲段有顯著的水流沖擊邊壁，產生氣蝕等情況出現。

(2)方案經過修改后，由于右岸水體所受的重力橫向分力，使得左右岸水深差值減小。溢洪道彎曲段最大水位差下降為2.36m，平均水位差為1.08m。左右岸水位差值大的問題大幅緩解。

(3)進一步分析可知，左岸的底板高程下降后，水深略有增大，右岸消減的水體部分增加在中軸附近水流沖擊波交匯處，部分增加在左岸。沖擊波交匯區域由邊壁向中軸偏移，減緩了沖擊波對邊壁的影響，整個溢洪道彎曲段流態狀況有顯著改善。

圖4 修改方案下溢洪道彎曲段水位分布情況

樁號無超高方案反超高方案左岸右岸兩岸水位差左岸右岸兩岸水位差溢K0+247.653.944.570.634.464.940.47溢K0+259.873.264.621.373.104.040.95溢K0+272.082.365.302.942.233.871.65溢K0+284.302.635.622.992.614.131.51溢K0+296.523.154.361.213.012.61-0.40溢K0+308.733.154.411.263.264.311.05溢K0+320.953.155.041.893.155.512.36平均值3.094.851.763.124.201.08最大值3.945.622.994.465.512.36

6 結語

針對西彭水電站溢洪道下泄流量大、流態急，彎曲段內外側水位、過流量差異較大的情況，采用渠底反超高的工程方案進行優化設計，并采用物理模型試驗對優化方案就行了驗證。研究結果表明：

(1)方案經過修改后，由于溢洪道彎曲段底板高差產生的重力橫向分力，抵消了部分彎曲段離心力，使水流在溢洪道彎曲段分布更均衡，左右兩側水位差大幅減小。

(2)沖擊波交匯區域由邊壁向中軸偏移，減緩了沖擊波對邊壁的影響，整個溢洪道彎曲段流態狀況有顯著改善。

(3)試驗表明渠底反超高方案可以有效平衡溢洪道彎曲段水流。本文提煉的溢洪道彎曲段底板超高計算方法及物理模型驗證手段可為同類工程提供參考與借鑒。