關于引水式電站首部樞紐水工模型試驗結果分析評價

馮濟慈

摘要：本文介紹了以新疆新能大山口二級水電站首部樞紐水工模型試驗為基礎，通過水工模型試驗，驗證、優化泄洪建筑物的布置，著重對原方案建筑物在不同洪水流量下的泄流能力，和泄流出口的消能防沖效果等做出評價，提出優化調度運行方式。

Abstract： Based on the hydraulic model test of the first hub of Dashankou II Hydropower Station in Xinneng， Xinjiang， this paper verifies and optimizes the layout of flood discharge structures through hydraulic model test， emphatically evaluates the discharge capacity of the original structure under different flood discharge and the effect of energy dissipation and scouring prevention at the outlet of flood discharge and puts forward optimizing dispatching operation mode.

關鍵詞：水工模型;試驗研究;評價;優化方案

Key words： hydraulic model;experimental study;evaluation;optimization scheme

中圖分類號：TV131.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0250-02

0? 引言

新疆地處祖國西北，南北疆、各區域間水資源分布不均，水利水電工程開發對電力供給、農業灌溉、調洪減災、城市供水給水和生態環境治理等多方面均做出了巨大貢獻。首部樞紐作為引水式水電站建設中的一個主要部分，在水電站建設中起著重要作用，首部樞紐布置是否合理，直接影響到水電站發電機組的性能、安全性、經濟性及其他風險等關鍵問題。本文以新疆新能大山口二級水電站首部樞紐為研究對象，通過水工模型試驗，驗證、優化泄洪建筑物的布置，并著重對首部樞紐泄流能力和消能防沖效果進行分析，提出優化原方案的建議。

1? 工程概況。

大山口二級水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內，開都河規劃梯級開發中的第8級，大山口二級水電站以發電為主，水電站引水發電流量227m3/s，正常蓄水位1351.3m（接大山口電站尾水），尾水高程1316.5m，裝機容量49.5MW，由裝機容量確定水電站工程等別為Ⅳ等。首部樞紐主要建筑物包括溢流堰、泄洪沖沙閘等。溢流堰布置在河道左岸河床，WES堰型，堰頂高程1351.3m。泄洪沖沙閘共四孔，閘底板高程1345.4m，閘頂高程1354.0m。引水建筑物布置于河道右岸，水電站進水口位于泄洪沖沙閘上右側，為開敞式建筑，設五孔閘室控制，閘底板高程1346.4m。引水隧洞總長3.03km，圓形斷面，直徑為9.5m。

2? 設計參數

2.1 試驗流量與水位

校核洪水頻率P=0.5%，重現期為200年一遇，相應洪峰流量1661.4m3/s，校核洪水位1352.77m。設計洪水頻率P=2%，重現期為50年一遇，相應洪峰流量1227.5m3/s，設計洪水位1351.74m。多年平均流量：110.45m3/s。正常引水位：1351.30m。泄洪沖沙閘：設計流量1116.44m3/s，校核流量1397.18m3/s。溢流堰：設計流量49.94m3/s，校核流量266.36m3/s。水電站：引水發電流量227.0m3/s。另選30年一遇（P=3.3%），相應洪峰流量1134.0m3/s;20年一遇（P=5%），相應洪峰流量1027.8m3/s;10年一遇（P=10%），相應洪峰流量827.8m3/s;5年一遇（P=20%），相應洪峰流量641.0m3/s;2年一遇（P=50%），相應洪峰流量412.0m3/s等作為系列流量。發電廠房最低尾水位：1314.60m;正常尾水位：1316.50m。

3? 水工模型試驗成果

泄流能力：

3.1 溢流堰

當堰前水位為1351.74m時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關情況下，溢流堰通過流量Q=28.45m3/s。當堰前水位為1352.77m時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關情況下，溢流堰通過流量Q=231.86m3/s。

上述試驗表明原設計方案中提供的設計水位1351.74m和校核洪水位1352.77m情況下通不過設計流量Q=49.94m3/s和校核洪水流量Q=266.36m3/s（以上為試驗任務書中提供的計算值）。鑒于該情況，進行以流量定水位系列試驗。

當施放200年一遇校核洪水流量Q=1661.4m3/s時，在泄洪沖沙閘4孔全開、引水閘全關的情況下，堰前水位經測定為1352.43m。

當施放50年一遇設計洪水流量Q=1227.5m3/s時，在泄洪沖沙閘4孔全開、引水閘全關的情況下，堰前水位經測定為1351.66m。

當施放溢流堰校核流量Q=266.36m3/s時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關情況下，堰前水位經測定為1352.84m。

當施放溢流堰設計流量Q=49.94m3/s時在泄洪沖沙閘和引水閘全關情況下，堰前水位經測定為1351.92m。

溢流堰水位～流量關系曲線見圖1，溢流堰下泄校核洪峰流量Q=266.36m3/s，見圖2。從整體看，溢流堰上下游流態基本平穩。

3.2 泄洪沖沙閘

當4孔泄洪沖沙閘全開、下泄校核洪水流量1397.18m3/s時，閘前水位為1352.52m。低于校核洪水位1352.77m。

當4孔泄洪沖沙閘全開、下泄設計洪水流量1116.44m3/s時，閘前水位為1351.39m，低于設計洪水位1351.74m。水位～流量關系曲線見圖3。

當閘前水位為校核水位1352.77m時，泄洪沖沙閘下泄流量1478.23m3/s，當閘前水位為設計洪水位1351.74m時，泄洪沖沙閘下泄流量1324.32m3/s。

泄洪沖沙閘的布置和上游來流方向一致，故在施放校核、設計洪水流量時，水流順利通過泄洪沖沙閘，水流流態平穩。

3.3 引水閘

當引水閘引水流量Q=227.0m3/s時，閘前水位1351.30m基本符合原設計情況。引水閘全開時的水位～流量關系曲線見圖4。

4? 溢流堰出口消能防沖效果

溢流堰出口消能防沖采用混凝土護坦和鉛絲石籠護坦結合的形式，護坦長25m，護坦末端與長30m、深1m的水平鉛絲石籠護坦連接，鉛絲石籠護坦段末端是長為116m的下游河道整治段。當溢流堰下泄校核洪峰流量266.36m3/s時，堰后出口消能段流態平穩，鉛絲石籠護坦穩定，其末端局部最大沖坑約1.5m深。

5? 泄洪沖沙閘出口消能段防沖效果

泄洪沖沙閘閘后消能防沖也采用混凝土護坦和鉛絲石籠護坦結合的形式，護坦長21.0m。護坦末端與長28m、深3m的鉛絲石籠護坦段連接，鉛絲石籠護坦段末端為145.7m長得下游河道整治段。當4孔泄洪沖沙閘下泄校核洪水流量1397.18m3/s時，閘后出口消能段流態基本正常，無水花四濺現象，據量測，閘后護坦處平均水深5.14m、平均流速9.23m/s;鉛絲石籠處平均水深6.19m、平均流速7.67m/s。當4孔泄洪沖沙閘下泄設計洪水流量1116.44m3/s時，閘后出口消能段流態同于校核工況。據量測，閘后護坦處平均水深3.27m、平均流速8.78m/s，鉛絲石籠處平均水深4.28m、平均流速7.14m/s。在校核、設計工況下，護坦末端鉛絲石籠設置區后均出現水躍。由于鉛絲石籠設置于軟基上，鉛絲石籠后部及底部軟基被淘刷，校核流量施放了三次，累積時間為1.7小時，設計流量施放了三次，累積時間為2.5小時，鉛絲石籠段后沖刷坑最大深度達7.98m，沖刷坑最寬處為71.5m，影響范圍約3460平方米。

6? 結束語

從施放設計、校核流量的整體情況來看，樞紐進出口流態較平穩，上下游水面銜接良好，流速分布較均勻。溢流堰在設計和校核洪水位時，其泄流量為28.45m3/s和231.86m3/s，但泄洪沖沙閘在設計和校核洪水位時的泄流量為1324.32 m3/s和1478.23m3/s。可見，在設計和校核洪水位時，樞紐的綜合泄流能力能夠滿足設計要求。泄洪沖沙閘的鉛絲石籠護坦后沖坑較深，長時間過設計流量時，有可能破壞護坦，甚至危及閘室穩定，建議適當延長和加深護坦后的拋石護底。

參考文獻：

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