落中子水電站溢洪道彎曲段改造設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

◇浙江中水工程技術(shù)有限公司 金輝杰

落中子水電站彎曲段半徑與弧長(zhǎng)比相對(duì)較小，因此在彎曲段采用了反超高的工程方案，來(lái)平衡因重力場(chǎng)向外側(cè)偏移的水流，優(yōu)化彎曲段內(nèi)水流流態(tài)，減小橫向流速，同時(shí)改善下泄水流的匯合點(diǎn)以及整個(gè)水利構(gòu)筑物的流態(tài)分布。本文借助物理模型試驗(yàn)對(duì)比了現(xiàn)狀工況和優(yōu)化工況的水流分布效果，研究結(jié)果顯示：優(yōu)化方案下溢洪道范圍內(nèi)流態(tài)顯著改善，水流分布合理，下泄水流規(guī)律明顯平順。

1 落中子水電站概況

落中子水電站位于重慶長(zhǎng)壽，距離長(zhǎng)壽市城區(qū)約22.56 km，主要功能是攔洪，同時(shí)也綜合考慮區(qū)域的農(nóng)田灌溉、重點(diǎn)水源補(bǔ)給等。同時(shí)，落中子水電站在泄洪期間，下泄流量較大（設(shè)計(jì)下泄流量為450 m3/s），通過(guò)落中子水電站溢洪道將水流引流至下游的二干河。在溢洪道中段，受鯉魚(yú)石等礁石阻擋，無(wú)法采取平面形態(tài)布置，同時(shí)考慮到本工程下泄水頭落差太大（縱坡約為1:0.03），需要加大下泄路徑長(zhǎng)度來(lái)減小溢洪道底板坡降。因此，在中段設(shè)置圓心角為35°的彎曲段繞過(guò)鯉魚(yú)石。溢洪道段示意圖見(jiàn)圖1。

2 物理模型制作

考慮到本工程重點(diǎn)關(guān)注水流流態(tài)和流速值，且本工程無(wú)需考慮河床底部推移質(zhì)泥沙和水中懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)需考慮模型重度的變化。綜上選擇1:40的正態(tài)物理模型，進(jìn)行放水試驗(yàn)研究。同時(shí)，試驗(yàn)?zāi)康闹攸c(diǎn)是水流水體的三維空間分布，為了更好地觀察水流流態(tài)，模型材料采用透明的有機(jī)玻璃塑料板，塑料板頂部不進(jìn)行設(shè)置。

3 現(xiàn)狀方案存在的問(wèn)題

在未進(jìn)行彎曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流經(jīng)彎曲段時(shí)，受到巨大的離心力作用，水流明顯向凹岸側(cè)集中，凹岸側(cè)的水流明顯要高于凸岸側(cè)，在同一斷面上，水流產(chǎn)生了明顯的水位高差，最大高差達(dá)到7.5 cm，換算到原型中即是3.0 m高。同時(shí)，這樣打的水位差，導(dǎo)致水流在下泄到梯坎段時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的水力梯度，導(dǎo)致水流混亂并沖擊兩側(cè)岸壁，對(duì)溢洪道的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅作用。

4 反超高方案計(jì)算原理及計(jì)算結(jié)果

本文的原理是將底板設(shè)置橫坡，根據(jù)橫坡產(chǎn)生的重力（側(cè)向底板低的一側(cè)的分力，來(lái)平衡離心力），從而是彎曲段內(nèi)的水體，在整體上達(dá)到水平方向的受力平衡。在此理論基礎(chǔ)指導(dǎo)下，重點(diǎn)是分析離心力，并設(shè)計(jì)左、由兩岸的重力分力差。

其中，急流沖擊波影響角度范圍計(jì)算式如下，計(jì)算原理如圖3（1）所示：

在式1中，b-溢洪道垂直軸線寬度；-溢洪道彎曲段半徑（非規(guī)則圓形取半徑平均值）；-水流進(jìn)入彎曲段后水流軸線與溢洪道中線軸線的交角。

在圖3（2）中，左岸下降的水體體積V1和右岸上升的水體體積V2表達(dá)式依次如式2與式3：

根據(jù)式2與式3以及圖3，通過(guò)幾何關(guān)系可換算得到左、右岸的底板調(diào)整高度，整個(gè)底板按照兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的高度進(jìn)行高程換算，計(jì)算表達(dá)式如下：

圖3 利用水體自重平衡離心力計(jì)算思路

經(jīng)計(jì)算，在采用反超高法調(diào)整溢洪道底板高程后，溢洪道各特征斷面底板高程設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1 修改方案下溢洪道各特征斷面底板高程

5 試驗(yàn)效果分析

在按照本工程優(yōu)化方案后，采用對(duì)比工況即設(shè)計(jì)工況的流量、水位進(jìn)行放水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。分析可知：

圖4 方案調(diào)整后水流分布試驗(yàn)效果

（1）在原方案下，即未進(jìn)行彎曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流經(jīng)彎曲段時(shí)，受到巨大的離心力作用，水流明顯向凹岸側(cè)匯聚，凹岸側(cè)的水流明顯要高于凸岸側(cè)；凹岸、凸岸側(cè)水體所占總比例分別為73.28%和26.72%；凹岸側(cè)的水體體量可達(dá)到凸岸側(cè)的3倍左右。同時(shí)，在同一斷面上，水流產(chǎn)生了明顯的水位高差，最大高差換算到實(shí)例工程原型可達(dá)到3.0 m高。

同時(shí)，在溢洪道彎曲段中段、末端，以及梯坎開(kāi)始段，由于嚴(yán)重的水力梯度差，導(dǎo)致水流在三維空間上出現(xiàn)水流散流的狀態(tài)，出現(xiàn)了多處折沖水流。整體來(lái)看水流流態(tài)較差，有明顯的渦流產(chǎn)生，且對(duì)溢洪道彎曲段末端及下游的兩側(cè)邊壁產(chǎn)生了較大的沖擊力。

（2）在采用反超高方案后，凹岸側(cè)的水流收到重力沿底板的橫向分力后，充分抵消、減弱了離心力的影響，兩側(cè)水流水頭落差有顯著下降。

（3）在未進(jìn)行彎曲段超高改造之前，實(shí)例工程的左右兩岸最大水頭差為3.0 m，平均水頭差為1.76 m；在采用反超高方案后，實(shí)例工程的左右兩岸最大水頭差為2.37 m，平均水頭差為1.09 m；水頭差過(guò)大問(wèn)題有明顯好轉(zhuǎn)。

同時(shí)，隨著兩岸側(cè)水流流態(tài)的改善，整體水流流場(chǎng)分布也更加均衡；由于左右兩岸下泄的水流體量相當(dāng)，沖擊波交匯區(qū)域位置從原方案下的靠近凸岸側(cè)逐漸改為了在溢洪道中間，有效分散了原方案下水流沖擊集中的情況，減小了溢洪道兩側(cè)邊壁的水流直沖軸力，有利于最不利工況下溢洪道整體的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。

表2 修改方案的優(yōu)化效果分析

6 結(jié)論

本文基于實(shí)例工程（落中子水電站）溢洪道長(zhǎng)度較短、坡降較大、下泄水流急（能量大），且彎曲段兩側(cè)水位差值較大的情況，本文根據(jù)以往研究理論，采用了反超高的方案，通過(guò)調(diào)整底板的橫向坡度來(lái)平衡水流離心力，減小兩岸側(cè)的水頭差。研究結(jié)果顯示，在采用優(yōu)化方案后，實(shí)例工程的左右兩岸最大水頭差由3.0 m下降為2.37 m；平均水頭差由1.76 m下降為1.09 m；且沖擊波交匯區(qū)域位置從原方案下的靠近凸岸側(cè)逐漸改為了在溢洪道中間，大幅減緩了沖擊波對(duì)邊壁的影響，整個(gè)溢洪道彎曲段流態(tài)狀況有顯著改善。