某水电站溢洪道水工模型试验研究

向 蕾

某水电站溢洪道水工模型试验研究

向 蕾

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

根据工程建设需要，为全面验证工程总体布置和建筑物结构布置的合理性，对某泄水陡坡进行水工模型试验，分析出原设计体型存在的主要问题。通过增设掺气槽、悬栅、修改模型尺寸，对泄水陡坡进行优化。结果表明：泄水陡坡过流能力满足要求，工程总体布置和建筑物结构布置合理，满足冬季排冰需求。

梯级开发；引水式电站；泄水陡坡；体型优化；水工模型试验

1 工程概况

某水电站为梯级开发中的第3级引水式电站，发电引水流量110.8 m3／s，前池正常水位1 806.418 m，前池最高水位1 807.718 m，前池结构主要由前室、进水室、泄水闸及泄水陡坡等建筑物组成，泄水陡坡布置于泄水闸后，主要由渐变段、缓坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段组成，除尾部渠道段采用梯形断面型式外，其余部位均采用矩形槽断面型式。

泄水闸净宽10 m，长15 m。渐变段长30 m，纵坡为i＝1／500，底宽由10 m渐变至4 m，墙高6.771 m。缓坡段长114.358 m，纵坡1／500，与陡槽之间采用渥曲方程相衔接，陡槽段全长335.23 m，纵坡1／3.82，一级消力池后纵坡为1／3.295，底宽4 m，共设两级消力池。

2 模型设计与模型制作

2.1 模型设计

根据试验内容、供水以及场地等条件，本模型试验依据规范按重力相似准则设计。模型比尺需依据试验内容场地以及供水、模型类型选定，本模型属于单体模型，比尺≥1∶80，故经过综合比选，本模型几何比尺选定为为λL＝35，流量比尺λQ＝λL2.5＝ 7247.2，流速比尺λv＝λL0.5＝5.916糙率比尺λn＝

2.2 模型制作

模型由高水箱控制段、引渠段、前池段（包括泄水舌瓣闸门、闸后弯道段、溢流堰、堰后衔接段）、陡坡段（包括各段陡坡末端消力池）、尾水渠等部分组成。模型模拟范围自泄水闸上游150 m，至下游最末一级消力池后300 m尾水渠。按照此要求，将原型中的材料糙率按照糙率相似准则进行换算之后，选用有机玻璃制作模型。有机玻璃的糙率为0.0076～0.0086，换算成原型为0.014～0.016，与混凝土的糙率十分接近。

模型流量量测系统由上游量水堰和下游量水堰（均为薄壁堰）组成，来流量由上下游量水堰共同量测。经过率定，整个模型系统的上、下游流量误差不超过±5%。流速采用LGY—Ш型多功能智能流速仪测量；水位测量采用水准仪和钢板尺。模型的放线精度及制作安装精度均符合水利部《河工动床模型试验规程》SL99—2012及《水工（常规）模型试验规程》SL155—2012的要求，整个试验过程也按照上述规范进行。

3 原设计方案试验成果分析

在4种泄洪工况（设计水位1806.418 m、校核水位闸门关1807.718 m、校核水位闸门开1807.718m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）条件下，通过对原设计体形水流流态变化、水面线、过流能力、压强分布、沿程流速分布的试验成果分析，某泄水陡坡设计体型存在以下4个问题：

1）在前3种工况下，通过的试验流量均小于设计流量。

2）在最高水位堰闸均过流和泄水陡坡通过最大流量110.8 m3／s时，陡槽段（0＋150～0＋695）水面均低于边墙高度设计值，但堰后衔接段以及90°弯道的边墙高度低于水深，说明相应部位建筑物过流断面积偏小。

3）第三级消力池边墙高度除设计水位外在其它工况下均有不足，有涌浪翻出池外。在校核水位闸门开及泄水陡坡流量110.8 m3／s情况下，各级消力池的池长明显不足，水跃跃出池外，说明需要增加辅助消能工，以增加消能效果。

4）最大流速均发生在陡槽末端，都在20 m／s以上，当泄水陡坡流量为110.8 m3／s时，最大流速为27.3 m／s，接近30 m／s。因此需要在陡槽中适当增加掺气减蚀工程措施，以防止气蚀发生。

4 原设计方案的优化

4.1 泄水陡坡体型及掺气设施布置

通过对原设计方案实验分析发现在前3种工况下，通过的试验流量均小于设计流量，通过对比分析，发现原因在于设计流量均按照宽顶堰自由出流计算，而试验表明，此时的宽顶堰均为淹没出流。导致闸门的过流能力偏低，为提高闸后段的过流能力，将泄水闸门后的90°弯道段底坡由原来的1／500变陡至1／100，其余尺寸不变。原设计方案中各工况下堰后衔接段中的消力池没有任何作用，因此将溢流堰后的衔接段消力池去除，变为1／20.93的斜坡，衔接段出口与陡坡相交处底部高程降至1800.502 m。为进一步降低陡槽段的流速以及减小气蚀发生的可能性，在第二、三段陡坡靠近末端的位置增设两个掺气槽。

4.2 消力池体型优化

为降低第三级消力池后尾水渠中流速，避免渠道发生冲刷破坏，将第三级消力池池深由3.5 m减少至2.65 m，以减小尾水渠底坡，池底高程不变，池末出口后的渠道底部高程相应降低0.85 m。原设计试验结果和数据表明，在最高水位以及最不利工况下，消力池的体型尺寸明显不足，池内水面紊动剧烈，并造成第三级消力池下游尾水渠水面波动较大且流速偏高，因而有必要对消力池内增设辅助消能工，可以在不改变现有结构尺寸的基础上增强消能效果，消能悬栅是一种辅助消能工，最先使用在喀什卡群电站泄水陡坡中，消能效果显著，其原理和其他辅助消能工一样，使水流尽量发生掺混碰撞，流速得以降低，能量得以耗散。因此在消力池内设置悬栅作为辅助消能工。

5 优化体型试验成果分析

5.1 泄洪工况试验

在4种泄洪工况（设计水位1 806.418 m、校核水位闸门关1 807.718 m、校核水位闸门开1 807.718 m、泄水陡坡流量110.8 m3／s）条件下，通过对优化设计体形水流流态变化、水面线、过流能力、压强分布、沿程流速分布的试验成果分析，得出以下结论：

1）各工况下舌瓣闸门和溢流堰的过流能力均能满足设计要求。

2）正常水位下，各建筑物的边墙高度能够满足设计要求。

3）正常水位下各级消力池基本能满足要求，但在最高水位以及最不利工况下，各级消力池的流态都比较紊乱，池长明显不够。

5.2 消力池加栅试验

本试验中，先后在各级消力池中进行了不同栅条间距以及单层和双层栅条的试验，试验表明，在各级消力池中加设双层悬栅可以有效地平顺池内水流，降低消力池末端流速，尤其是第三级消力池中设置的双层悬栅，可以有效降低其后尾水渠中的流速。在工况二的情况下（校核水位闸门开），加栅之前尾水渠的流速普遍在5 m／s左右，加设双层悬栅之后，流速降至3 m／s左右。

5.3 舌瓣门闸前水位开度关系试验

模型试验还测得了舌瓣门在最高水位情况下，开度由75°（全关）降至0°（完全开启）时，闸门上的水头与开度之间的关系，数据表与关系曲线见表1和图1。

闸门开度／° 75 62.5 50 37.5 25 12.5 0实际水深／m 1.225 1.54 1.89 2.555 3.36 4.025 5.075

图1 舌瓣闸门前水头与开度关系图

6 结 论

通过对某水电站泄水陡坡水工模型优化试验，可以分别得出以下结论：

1）泄水陡坡结构布置合理。

2）原设计方案与优化方案的试验数据对比结果表明，在第二、三段陡槽末端设置掺气槽后，二级消力池池末及之后的陡槽流速均有不同程度的减小，尤其是最不利工况下流速减小的尤为明显，但是二三级消力池的跃前流速均有小幅增加，说明增设掺气槽对之后的流段中整体流速的减小有一定的作用，但不显著，建议在设计中酌情考虑是否设置多道掺气槽。

3）通过在各级消力池中增设悬栅可以改变以上紊乱的流态，并降低第三级消力池下游渠道流速。经过在各级消力池中进行不同栅条间距以及单层和双层栅条的试验并综合对比后，最终确定在各级消力池中加设双层悬栅可以有效地平顺池内水流，降低消力池末端流速，尤其是第三级消力池中设置的双层悬栅，可以有效降低其后尾水渠中的流速。加栅之前尾水渠的流速普遍在5 m／s左右，加设双层悬栅之后，流速降至3 m／s左右。

4）90°弯道段的冬季排冰流量（2 m3／s）试验测量了弯道段内的流速，结果表明弯道段的流速普遍＞1 m／s，基本能够满足冬季排冰的流速要求。

［1］姚锦玉.七礤水库溢洪道重建工程挑坎设计优化［J］.广东水利水电，2013（06）：68-70.

［2］曾衡.某工程阶梯溢洪道优化试验研究［J］.广东水利水电，2012（08）：32-36.

［3］钟勇明，黄智敏，陈卓英，何小惠.河源市源城区七礤水库溢洪道消能试验研究［J］.广东水利水电，2010（06）：22-24.

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1007-7596（2015）07-0053-02

2015-06-28

向蕾（1984-），女，新疆喀什人，学士学位，工程师，从事水利工程勘测设计研究工作。