某水電站深孔泄洪洞流態(tài)及泄洪試驗研究

高 尚

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水電站水庫總庫容2.07億m3，工程主要任務(wù)為發(fā)電，原電站總裝機容量為135 MW，擴機后電站總裝機容量為180 MW。工程為大（2）型Ⅱ等工程，其中混凝土面板壩為1級建筑物；表孔溢洪道、深孔排砂泄洪洞為2級建筑物；發(fā)電引水洞、電站廠房為2 級建筑物。電站水工建筑物按Ⅷ度地震烈度設(shè)防。

水電站擴機容量為45 MW，由于擴機機組主廠房與原電站廠房相通，共用一個安裝間和橋機，且擴機機組發(fā)電用水來自原有水庫，因此，擴機工程等別與原工程一致。擴機工程主要包括：深孔泄洪洞改造、深孔下游端新建閘井（包括進入閘井的交通洞）、新建發(fā)電洞、新建電站廠房等。

考慮到深孔泄洪對電站引水的影響，因此新電站的運行方式為：深孔泄洪，機組不發(fā)電；機組發(fā)電時，深孔不泄洪；深孔泄洪洞新建工作閘井的弧門采用全開、全閉的運行方式。

原深孔泄洪洞進水口位于發(fā)電引水洞右側(cè)，其軸線與發(fā)電洞上平洞隧洞段的軸線平行，進口底板高程902.0 m，低于發(fā)電洞底板高程15.0 m。原深孔泄洪洞泄洪方案采用無壓泄流方式，若從深孔泄洪洞引水發(fā)電，需將深孔泄洪洞由無壓洞改建為有壓洞。主要改建部位如下：

（1）引渠段。引渠底板高程902.0 m，寬9.5 m，長46.402 m，底板采用0.5 m 厚C15 混凝土襯砌，兩側(cè)邊坡1∶0.3，每10.0 m 設(shè)一馬道，馬道寬2.0 m，引渠邊坡采用噴錨支護，網(wǎng)噴混凝土厚度10 cm。

（2）深孔進口檢修門閘井段。閘井長26.0 m，寬9.5 m，閘井底板高程902.0 m，底板厚2.5 m，閘井頂部高程960.0 m，閘井內(nèi)設(shè)4.5 m×6.5 m（寬×高）事故檢修門和4.5 m×5.0 m（寬×高）弧形工作門各1扇。

（3）洞身段（部分改建）。閘井后洞內(nèi)漸變段長10 m，由方型4.5 m×5.0 m（寬×高）漸變至城門洞型5.5 m×7.0 m（寬×高），頂拱面120°，漸變段后與“龍?zhí)ь^”洞身銜接，“龍?zhí)ь^”洞身在樁號0+155處通過漸變段與下平洞銜接，下平洞斷面為城門洞型，尺寸7.5 m×9.0 m（寬×高），襯砌厚度均為0.6 m。洞身改建部分由樁號0+165.012開始，到樁號0+478.012新建工作閘井為止，全長313.0 m，在原設(shè)計洞內(nèi)增設(shè)一層0.3 m厚C25鋼筋砼襯砌，過流底板為C40硅粉混凝土。

（4）工作閘井段（新建）。新增設(shè)的工作閘井長17.0 m，寬10.1 m，高35.0 m，考慮到深孔泄洪洞的泄流能力與原設(shè)計保持一致，采用弧形工作閘門，尺寸為5.5 m×4.0 m（寬×高）。在工作閘井啟閉機高程設(shè)置一條交通洞與深孔泄洪洞出口路相連，施工期作為施工洞，運行期作為工作閘井的交通洞。交通洞為城門洞型，全長65.0 m，洞徑為4.5 m×5.0 m（寬×高），襯砌采用噴C25砼，厚度為5.0 cm。

（5）出口明渠。出口明渠為整體式矩形斷面，底寬7.0 m，側(cè)墻高6.8 m，縱坡i=0，采用C25鋼筋混凝土襯砌，底板襯厚均為1.0 m，側(cè)墻襯厚為0.5～1.0 m。

水電站經(jīng)擴機改建后，原泄洪洞的運行方式發(fā)生改變，需制定新的安全泄洪度汛方案。水工模型試驗的主要工作為量測深孔泄洪洞下游工作閘門全開與局開情況下的泄流能力，觀測不同水位、工作閘門不同開度情況下，進水口漩渦流態(tài)、閘室段進氣與否，以及洞頂沿程流態(tài)變化情況。

2 水工模型試驗

2.1 模型設(shè)計

模型按重力相似準則設(shè)計，并且滿足幾何相似、運動相似與阻力相似。模型比尺為1∶30，模型流量比尺、流速比尺、時間比尺、糙率比尺分別為4 929.00、5.48、5.48、1.76。

模型裝置如圖1所示，上游為鋼水箱，泄洪洞全長約18.0 m，包括進口閘井段、漸變段、渥奇段、反弧段、改建洞身段與頂拱襯砌段、分岔段、改建洞身段、出口閘井段、頂拱襯砌段、明渠段、護坦段，下游接天然河道。

試驗研究主要量測參數(shù)包括水位、流量、流速、高程、漩渦流態(tài)等，主要測試儀器設(shè)備包括電磁流量計、高精度電磁流速儀、測壓排、水下攝像頭等。

2.2 試驗工況

試驗工況如表1 所示。試驗過程中，依據(jù)各工況條件，針對工程現(xiàn)狀布置方案，開展摻氣流態(tài)復核研究，量測各種運行水位條件下，弧門安全開啟高度及其相應的泄量，為工程安全度汛提供參考。

表1 試驗工況

3 試驗結(jié)果分析

3.1 深孔泄洪洞進氣流態(tài)分析

采用水下攝影方式，觀察不同運行方式下，泄洪洞上游閘室內(nèi)流態(tài)變化（見圖2）。在死水位930.5 m，電廠發(fā)電最大引水流量172.2 m3/s條件下，泄洪洞上游閘井與下游引水岔管內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，上游閘室段弧門通氣井內(nèi)水位較高，未發(fā)生摻氣，泄洪洞內(nèi)沿程流態(tài)均處于滿流狀態(tài)。

3.2 死水位泄洪工況下游弧門開度的影響

在死水位930.5 m 泄洪工況下，進行弧門開度變化下流態(tài)試驗，結(jié)果見表2和圖3。

表2 特征水位泄洪工況下游弧門開度影響

試驗結(jié)果表明：

（1）當下游弧門開度達到3.18 m 時，上游閘室內(nèi)水位下降至豎井段下緣，此時水面平穩(wěn)，無摻氣現(xiàn)象發(fā)生。

（2）當下游弧門開度達到3.30 m 時，閘室內(nèi)水位下降至斜坡段，水面開始波動，但仍未發(fā)生進氣現(xiàn)象。

（3）當弧門開度達到3.45 m 時，閘室內(nèi)水位接近胸腔段下緣，此時水面波動明顯，水體表面部分摻氣，但未進入泄洪洞內(nèi)。

（4）當弧門開度達到3.48 m 時，閘室內(nèi)水位位于胸腔段下緣，由于水面劇烈波動，表面摻氣進入泄洪洞下游，形成連續(xù)不斷的氣囊，在下游閘室內(nèi)形成氣爆現(xiàn)象，故須防止此情況出現(xiàn)。

3.3 特征水位泄洪工況下游弧門開度的影響

針對正常水位955.0 m、設(shè)計水位956.58 m泄洪工況，分別進行弧門開度變化下流態(tài)觀察試驗，結(jié)果見表2和圖4。

試驗結(jié)果表明：

（1）正常水位955.0 m條件下，當弧門開度3.72 m時，上游閘井內(nèi)水位位于豎井段下緣附近，水面平穩(wěn)，無摻氣發(fā)生。

（2）正常水位955.0 m條件下，當弧門開度3.78 m時，上游閘井內(nèi)水位位于斜坡段，此時水面明顯波動，表面發(fā)生摻氣，但未進入泄洪洞下游。

（3）正常水位955.0 m條件下，當弧門開度3.81 m時，上游閘井內(nèi)水位位于胸墻段下緣，水面波動劇烈，偶有氣體卷入泄洪洞下游。

（4）在設(shè)計水位956.58 m 條件下，當弧門開度3.75 m時，上游閘井內(nèi)水位位于豎井段下緣，水面平穩(wěn)，無摻氣發(fā)生。

（5）在設(shè)計水位956.58 m 條件下，當弧門開度3.78 m時，上游閘井內(nèi)水位降至斜坡段中部，水面略有波動，但仍無摻氣發(fā)生。

（6）在設(shè)計水位956.58 m 條件下，當弧門開度3.81 m時，上游閘井內(nèi)水位位于胸墻段下緣，水面波動劇烈，偶有氣體進入泄洪洞下游。

在水庫死水位930.5 m、設(shè)計水位956.58 m 擴機機組運行工況下，泄洪洞與引水分叉段水流流態(tài)良好。但在泄洪工況下，泄洪洞工作弧門全開時，洞內(nèi)會出現(xiàn)明滿交替流動，不能形成有壓流動結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，泄洪洞原工作閘室在改建中未進行封閉處理，在泄洪洞全開運行中成為進氣通道，是導致洞內(nèi)流態(tài)惡化的主要原因。現(xiàn)狀泄洪洞的布置體型，需要工作弧門局部開啟進行控泄，才能確保泄洪洞內(nèi)形成有壓流水流結(jié)構(gòu)。

3.4 泄洪洞安全度汛運行方式

鑒于現(xiàn)狀泄洪洞目前只能采用局部開啟的運行方式，下泄能力有一定幅度的降低，為順利完成建設(shè)期汛期度汛任務(wù)，需要盡快制定泄洪洞安全度汛方案。為保證泄洪洞運行安全，上游閘室內(nèi)水位需高于豎井段下緣1.0 m。按照上述原則，通過試驗得到上游庫水位～下游閘室段弧門開度～泄量之間的對應關(guān)系，結(jié)果如圖5、圖6所示。根據(jù)試驗結(jié)果實施泄洪洞改建施工工作，各特征水位條件下弧門運行開度見表3。

表3 水庫不同水位下，弧門運行開度及其泄量

945.0 947.5 950.0 952.5 955.0 956.56 957.83 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 870.313 3.47 3.54 3.60 3.65 3.70 3.72 3.73 71.21 73.64 76.08 78.53 80.99 82.53 83.78 0.651 0.656 0.660 0.662 0.662 0.661 0.660 465.1 486.0 505.1 522.0 536.4 544.0 549.3正常水位設(shè)計水位校核水位

4 結(jié)語

（1）在水庫死水位930.5 m、設(shè)計水位956.58 m擴機機組運行工況下，泄洪洞與引水分叉段內(nèi)均為滿流狀態(tài)。但泄洪工況下，下游工作弧門全開時，泄洪洞內(nèi)會出現(xiàn)明滿交替流動，無法形成有壓流動結(jié)構(gòu)。

（2）泄洪洞原工作閘室在改建中未進行封閉處理，在泄洪洞全開運行中成為進氣通道，是導致洞內(nèi)流態(tài)惡化的主要原因。現(xiàn)狀泄洪洞下游弧門需要局部開啟進行控泄，才能確保洞內(nèi)形成有壓流水流結(jié)構(gòu)。

（3）鑒于現(xiàn)狀泄洪洞采用局部開啟方式，下泄能力有一定幅度的降低，為順利完成汛期度汛任務(wù)，需盡快制定泄洪洞防洪度汛預案。為此，通過模型試驗，給出了泄洪洞現(xiàn)狀體型下，上游水位～下游弧門開度～泄量之間的對應關(guān)系，可供運行單位參考。

（4）下一步擬針對泄洪洞上游閘室封閉方案開展對比研究，以期進一步降低泄洪洞閘門全開時上游臨界最低水位，保證工況運行安全。