蓮麓水電站導(dǎo)流明渠水力學(xué)模型試驗(yàn)研究

□劉建平（秋蘆溪水電管理處）

□毛永生（河南天地工程咨詢有限公司）

□劉艷芳（華北水利水電學(xué)院水利職業(yè)學(xué)院）

蓮麓水電站為無調(diào)節(jié)河床式水電站，主要建筑物為3級。施工導(dǎo)流建筑物按5級臨時(shí)土石建筑物設(shè)計(jì)，按5年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水流量為1020.00m3/s。導(dǎo)流明渠進(jìn)口高程2035.98m，出口高程2035.02m，明渠尾部出口處設(shè)有一座施工橋，橋底高程2043.0m，橋面高程2043.84m。渠底及渠左邊坡、右邊坡靠近渠底處大部分基礎(chǔ)坐落在巖體上。導(dǎo)流明渠設(shè)計(jì)縱坡1/450，左渠堤利用永久開挖邊坡，左邊坡1∶1，右渠堤為縱向圍堰，邊坡1∶1.5。明渠底寬10.0m，斷面型式為梯形斷面，渠長約420.00m。

為保證施工期間的安全，需要通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)流明渠的泄流能力是否滿足設(shè)計(jì)要求、明渠的最大泄流能力以及影響泄流能力的主要不利因素，并對原設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化改進(jìn)措施。

一、模型設(shè)計(jì)與制作

模型比尺1∶40，采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。各相關(guān)物理量的比尺如表1所示。

模型各水力參數(shù)比尺表

模型模擬了導(dǎo)流明渠及上、下游河道，全長20余米。建筑物模型全部按設(shè)計(jì)圖紙用灰塑板精制。導(dǎo)流明渠段襯砌型式為現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土板，原型混凝土糙率取0.0135，按糙率比尺計(jì)算，模型糙率應(yīng)為0.0073，選取的灰塑板糙率為0.0085左右，比模型糙率略大，試驗(yàn)結(jié)果對導(dǎo)流明渠運(yùn)行安全有利。內(nèi)外河道用水泥抹面，糙率為0.0120左右，相當(dāng)于原型河道糙率0.0200左右，基本滿足阻力相似要求。模型河道平面尺寸控制精度±3mm，建筑物尺寸控制精度±0.5mm，安裝高程誤差＜0.3mm。模型由循環(huán)式供水系統(tǒng)供水。循環(huán)式供水系統(tǒng)由蓄水庫、水泵房、平水塔、供水管及同水槽等組成。蓄水庫容積2000.00m3，4臺離心水泵最大供水流量0.60m3/s，平水塔容積200.00m3，塔內(nèi)溢流槽距試驗(yàn)室地坪高度10.00m。模型進(jìn)水頭部與供水管連接，心閥門控制來水。進(jìn)水頭部設(shè)有平水設(shè)施和量水堰。

為觀測明渠沿程水深的變化情況，在明渠底板上布置了26個(gè)水位測點(diǎn)。模型中樁號采用明渠軸線作為地形樁號起點(diǎn)，其中下游為正向。模型中水位點(diǎn)樁號分別為：0+011.280m、0+044.879m、0+069.878m、0+104.416m、0+139.396m、0+191.998m、0+244.599m、0+298.973m、0+353.346m、0+373.317m。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）導(dǎo)流明渠水流流態(tài)

試驗(yàn)中觀測到，雖然上游來流較為平順，但因明渠進(jìn)口方向與天然河道主流方向存在一定夾角，上游河道水流在堰前經(jīng)轉(zhuǎn)折后進(jìn)入導(dǎo)流明渠，在渠首處由緩流向急流過渡，由于水流的跌落和收縮，在進(jìn)口右岸側(cè)形成斜向沖擊波，在導(dǎo)流明渠進(jìn)口段，水流表面形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿水流流向降低，在導(dǎo)流明渠內(nèi)形成斜向波狀水躍。因出口段“S”彎的存在以及施工橋的阻水效應(yīng)，導(dǎo)流明渠末段水位有一定程度的壅高。在導(dǎo)流明渠出口，水流方向斜向右岸，在下游圍堰后形成回流區(qū)，水流經(jīng)右岸反射后與主流作用在施工橋橋孔處形成水面壅高。同時(shí)由于水流主流位于右岸側(cè)，水流在下游河道左側(cè)形成回流區(qū)。在設(shè)計(jì)流量Q=1020.00m3/s下，施工橋橋孔斷面最大近底流速為9.72m/s，水流對右橋墩有較大的沖擊。

（二）導(dǎo)流明渠沿程水位

試驗(yàn)中觀測到進(jìn)渠水流在導(dǎo)流明渠進(jìn)口段有水面跌落，在之后水流產(chǎn)生波狀水躍，水面上升，在波狀水躍影響范圍之外，水面重新降落，在導(dǎo)流明渠后段，由于S型彎段的影響水面有一定壅高。

當(dāng)施工橋未架設(shè)橋體時(shí)，設(shè)計(jì)工況下(Q=1020.00m3/s，下游水位為2041.179m)，導(dǎo)流明渠進(jìn)口段水面跌落位于渠0+069.878處，水位高程為2042.76m，渠內(nèi)最高水位位于后部渠0+373.317處，水位高程為2043.76m。當(dāng)施工橋墩上架設(shè)橋體后，在設(shè)計(jì)工況下，該處水面已經(jīng)超過橋底高程，造成橋體有一定程度的阻水，使得水位壅高一直影響到渠0+139.396，但仍未超過明渠右岸混凝土護(hù)面頂高程。

（三）導(dǎo)流明渠過流能力

試驗(yàn)中在觀測導(dǎo)流明渠進(jìn)水口過流能力時(shí)，下游施工橋未架設(shè)橋體。在試驗(yàn)中觀測到當(dāng)流量Q=1020.00m3/s，下游水位為2041.179m時(shí)，導(dǎo)流明渠能夠順利下泄相應(yīng)流量，沿程水未超過圍堰頂高程。由于導(dǎo)流明渠出口處有一施工橋，為同時(shí)保證導(dǎo)流明渠過流的安全和施工橋過流的安全，必須考慮施工橋橋孔的過流能力。在導(dǎo)流明渠下泄1020.00m3/s時(shí)，在施工橋左、右橋墩處水位分別為2040.70m、2043.90m，右墩處水位已超過橋面高程(2043.84m)。在施工橋孔口斷面離右橋墩14.40m處，雍高水位2044.70m，已超過施工橋橋面高程，影響施工橋通車。因此，必須減小導(dǎo)流明渠的下泄流量才能保證施工橋的安全。經(jīng)過試驗(yàn)觀測，當(dāng)導(dǎo)流明渠的過流流量為Q=700.00m3/s時(shí)，施工橋孔口處最高壅水位接近橋底高程，但尚未影響到施工橋。因此，在保證導(dǎo)流明渠和施工橋同時(shí)安全運(yùn)行的情況下，導(dǎo)流明渠的最大過流能力為700.00m3/s，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

（四）優(yōu)化方案

為降低導(dǎo)流明渠出口處的水位壅高，保證施工橋的運(yùn)行安全，保證導(dǎo)流明渠在設(shè)計(jì)流量下的安全運(yùn)行，在施工橋左側(cè)再開挖一條渠道進(jìn)行分流，從而減小施工橋斷面過流壓力，降低施工橋處的水位壅高和對橋墩的沖擊。

試驗(yàn)中觀測到，新開挖渠道后，在設(shè)計(jì)流量下，導(dǎo)流明渠前段水流流態(tài)及水位無明顯變化(渠0+104.416前)，后段的水位壅高現(xiàn)象較開挖前有明顯減弱，特別是出口段水面降幅明顯，最大降幅達(dá)到2.7m。

導(dǎo)流明渠水流在進(jìn)入新開挖渠道時(shí)有水面驟降，同時(shí)在左橋墩前形成爬坡水流。在下游圍堰前形成較大同流區(qū)，下游圍堰堰后回流區(qū)最大流速3.06m/s。同時(shí)，施工橋斷面的水位壅高也得到有效減弱。水流已經(jīng)不會直接影響到橋底面，而且水位壅高位置明顯向橋下游下移，在橋斷面處水流由急流變?yōu)榫徚?，在施工橋斷面左半段形成水躍，同時(shí)由于主流偏右岸，在橋左側(cè)形成局部回流。施工橋斷面處水力條件與原方案比較有了較大程度的改善。

三、結(jié)語

通過對導(dǎo)流明渠及其進(jìn)出水的水力模型試驗(yàn)，對原設(shè)計(jì)方案中導(dǎo)流明渠的出水口成功地進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的出水口方案解決了由于施工橋引起的水位壅高、水流直接沖擊橋墩和橋面等水力學(xué)問題，能夠同時(shí)滿足設(shè)計(jì)條件下導(dǎo)流明渠和施工橋的安全運(yùn)行，為類似工程提供了可供借鑒的設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

[1]張?jiān)粕?小灣水電站施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，1997.

[2]朱國偉，閻修家，黃宏力.飛來峽水利樞紐施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)中幾個(gè)主要技術(shù)問題[J].人民珠江，1999.

[3]施工導(dǎo)(截)流與度汛工程.水利水電工程施工手冊[S].2002.

[4]吳正新，鄧燕，席燦勇.索風(fēng)營水電站施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].貴州水力發(fā)電，2004.

[5]倪曉倫，黃相軍，王永剛.尼爾基水利樞紐導(dǎo)流明渠設(shè)計(jì)[J].東北水利水電，2005.