某水电站整体水工模型试验

　　【摘 要】根据工程建设需要，为全面认证工程总体布置和建筑物结构布置的合理性，对某水电站建筑物进行水工模型实验，分析原设计方案存在的问题，并通过优化模型的尺寸进一步实验确定最优方案。

　　【关键词】水工模型试验;优化;泄流能力;动水压力

　　1、工程概况

　　某水电站工程属Ⅰ等工程，以发电为主要目的，枢纽主要建筑物有混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水式电站厂房等。根据本工程所属等别，其主要水工建筑物拦河坝、溢洪道及发电引水隧洞等为 1 级建筑物;发电厂房为引水式，属 2 级建筑物，其他次要建筑物为3级建筑物。拦河坝、溢洪道及发电引水洞按1 000 年一遇洪水设计，可能最大洪水PMF校核;发电厂房按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。消能防冲建筑物的洪水设计标准为100年一遇。

　　混凝土面堆石坝占据主河床，坝顶防浪墙顶高程为△ 461.85 m，坝顶高程为△460.65 m，最大坝高为 93.65 m，坝顶总长269.20 m，坝顶宽度为9.0 m。上游坝坡坡比为1∶1.4，下游总平均坡比为 1∶1.58;岸边溢洪道由引水渠、堰体段、泄槽段及消能段组成，溢流堰为开敞式WES-V型，堰顶高程为438.80 m，设3个孔口，每孔净宽 17 m，由弧形工作闸门控制，闸墩厚度均为4.5 m。泄槽坡度分别为1∶500、1∶3.5，溢洪道中心线长466.0 m，其最大下泄流量为 8 945 m3 /s，出口采用窄缝挑坎消能型式。电站厂房布置在大坝下游右岸坡脚处，紧靠大坝坡角，为引水式岸边厂房。

　　2 模型设计与模型制作

　　模型按重力相似准则设计。模型几何比尺 Lr=80，为正态整体定床 (局部动床) 水工模型。相应各水力要素比尺如下：流量比尺 Qr=Lr5/2=57 243.34;流速比尺 Vr=Lr1/2= 8.944;时间比尺Tr=Lr1/2=8.944;糙率比尺nr=Lr1/6=2.076。

　　模型截取原型范围为上游河段取0～400 m，下游河段取 135～1 000 m，上下游两岸地形上下游分别取至 465 m 和 415 m 高程。河床地形按设计提供的 1∶1 000 地形图进行模拟，地形断面间距40 m，并对两断面间变化较大局部地形加以插补，地形用水泥沙浆抹面，控制模型糙率与原型糙率基本相似。溢流堰、边墩、溢洪道等采用水泥砂浆刮模精工制作，并用水砂纸打磨，中墩、溢洪道边墙、弧形闸门等用有机玻璃制作。

　　下游河床下 0+220 m 至下 0+620 m 范围河床做成动床，动床模型砂粒径按公式V=K D 姨 ，式中试验取K=5.5。根据设计提供资料，河床砂砾石层 (375～368) 允许抗冲流速为 2.5～3.5 m/s，计算得模型砂粒径为 0.25～0.37 cm;强风化层(368～363) 允许抗冲流速为3.0～6.5 m/s，计算得模型砂粒径为 0.37～1.75 cm;弱风化层 (363～347) 允许抗冲流速为 6.5～9.0 m/s，计算得模型砂粒径为1.75～3.35 cm;试验按不同抗冲流速选择的模型砂粒径分层铺设。

　　3 原设计方案实验成果

　　溢洪道消能原方案采用可行性研究阶段推荐的鼻坎挑流配两个卧底窄缝消能方式。上部挑流采用 1∶4 的反坡挑流;下部挑流分为1#、2#卧底窄缝，出口采用1∶6的反坡挑流，其中1#窄缝出口宽度为6 m，2号窄缝出口宽度为4.3m。

　　试验表明，当下泄流量Q=6 340 m3 /s，溢流表孔全开时，由于土石坝上游面板与右边墩呈 90°交角，水流由土石坝上游面板进入右边孔时，在面板与右边墩的交接处形成绕流，绕流区流态呈涡旋状，绕流对右边孔泄流能力造成一定影响，溢流中孔及左边孔过流顺畅。溢洪道泄槽段过流顺畅，但受右边孔过流不稳的影响，泄槽段右侧水面有一定波动。水流由泄槽直冲而下至溢洪道消能段，受窄缝的作用，出坎水流形成上部挑流加窄缝射流水舌，主流集中在窄缝水舌， 2# 窄缝挑流水舌落在左岸护坡下部。挑流水舌入水后主流偏于左岸，未归槽，下游冲坑深且偏于左岸，对边坡稳定不利。

　　4 原设计方案的优化

　　经过7次修改方案的实验最终在第8次修改方案后确定为最优方案，最优方案溢洪道消能段左边墙末端 (20 m 长度)右偏10.67°，以减小左侧挑流过水流量。引水段右边墙延长至溢上0+040.00 m，结构形式为透水格栅，以减小横向绕流范围及横向水位差，使进口段水流平顺。

　　5 优化方案实验成果

　　5.1 泄流能力实验

　　溢流堰敞开泄流能力试验成果如图 1 所示。正常水位为 455.0 m，溢流堰闸门局部开启时泄流能力如图2所示。

　　5.2 动水压力试验

　　为了解堰面、闸墩、泄槽、窄缝段的压力分布情况，沿溢流堰中心线底板、闸墩、泄槽右侧墙和窄缝段布置测压管 67 根，其中堰面布置了11根 (1#～11#);闸门槽布置了 4 根测压管 (12#～15#)，闸墩侧面布置了10根测压管 (16#～25#)，泄槽底板布置了13根测压管 (26#～38#)，泄槽侧墙布置了6 根测压管 (39#～44#)，窄缝段布置了 23 根测压管 (45#～ 67#)。

　　实验结果堰面3#、4#点处出现较小的负压值，最大负压为 Q=8 945 m3 /s时 3# 点达 -15.7 kPa，计算空化系数为 0.51。水流空化数计算公式如下：

　　σ=(h0 +hd -h)v /(v0 2 /2)g

　　式中：h0为测点动水压力水头，水柱高，m;hd为大气压力水头，取hd=10m 水柱;hv为汽化压力水头，取hv =0.17m 水柱 (水温C=15℃);v0 2 /2g为计算断面处的平均流速水头。

　　5.3 下游冲淤

　　下泄各级洪水流量时，下游冲坑深点基本位于河道中央。随着下泄洪水流量增大，冲刷深坑稍偏往主河槽左侧偏移，冲坑范围向左侧扩大，冲刷深度稍有增加，淤积位置向下游推移。各级流量下，厂房尾水区无淤积。

　　下泄流量Q=4 290 m3 /s时，下游冲坑最深点位于下 0+ 500 m 处，高程为 363.4 m，冲刷深度约为 18 m;下泄流量 Q=6 340 m3 /s时，下游冲坑左岸最低点位于下0+500 m 处，高程为357.4 m，冲刷深度约为24 m，右岸最低点位于下0+ 550 m 处，高程为 354.2 m，冲刷深度约为 26 m。下 0+620 m 以下河床为淤积。下泄流量PMFQ=8 945 m3 /s时，冲坑最低点已达预留动床底板高程350.0 m，实际冲坑还会进一步刷深。

　　5.4 闸门运行调度方式

　　经过试验观察，库水位保持455.0 m 水位，同步均匀开启时闸门前水流较平稳，过堰水流较平均，泄槽内水面差较小，为最佳工况;当闸门采用不同开度组合时，堰后水流不平均，泄槽内水流有横向水位差，对后面窄缝段存在一定的不良影响，为允许工况;当闸门开度约13 m (即下泄流量约为Q=6 000 m3 /) 时开始出现脱空现象，由于闸门前水位存在横向水 s 位差，闸门受力不平衡，对闸门结构不利，为杜绝工况。结合上述调度运行方式，建议闸门的操作方式如下：①当溢流坝下泄流量Q≤2 290 m3 /s时，左右两个边孔全部关闭，电站正常发电，保持坝前水位455.0 m，多余流量由中孔开启调节下泄; ②当溢流坝下泄流量 2 290 m3 /s≤Q≤6 000 m3 /s 时，电站正常发电，多余流量由 3 孔均匀开启下泄，保持坝前水位 455.0 m，单宽流量为 44.9～117.6 m3 /s;③当溢流坝下泄流量 Q>6 000 m3 /s后，3孔闸门全部敞开泄洪。

　　6 结论

　　①原方案出坎水流形成上部挑流加窄缝射流水舌，挑流水舌入水后主流偏于左岸，下游冲坑深且偏于左岸，消能效果较差。优化方案消能效果好，主流归槽，冲坑较浅，两岸回流小，流态好，建议采用。②溢流堰敞开泄流能力能满足设计要求，局部开启泄流能力比设计计算值稍大。③当闸门敞开时，随着下泄流量增大，堰前绕流而形成的横向水位差越大。建议将左边孔前开挖边坡面与边墩采用曲面连接，以改善左边孔过流流态。④下泄设计及校核洪水，测压管在堰面 3#、4# 及溢洪道侧边墙40# 点处出现较小的负压值，但空化系数大于0.3 (水流空化数大于规范控制值0.30，认为不致于造成气蚀破坏)，建议在施工时注意控制平整度;其余各点均为正压，于混凝土面减免空化有利。⑤库水位保持455.0 m水位，闸门均匀开启为最佳工况;采用不同开度组合为允许工况;当闸门开度达 13 m时开始出现脱空现象，对闸门结构不利，为杜绝工况。⑥ 发电厂房尾水区域水位波动小，无淤积。

　　参 考 文 献

　　[1] SL 155—2012，水工(常规)模型试验规程[S].

　　[2] 水利水电科学研究院，南京水利科学研究院.水工模型试验[M].北京：北京水利出版社，2008.

　　[3] 王波.新疆某水电站溢洪道水工模型试验分析[J].水利科技与经济，2015(7)：100-101.

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