福生水電站沖沙閘水工模型試驗研究

常云華，楊 效，李宗偉，吳 亮

（1.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，長春 130012；2.蛟河市水利局，蛟河 132500）

0 引言

福生水電站工程主要由擋水壩、溢流壩、泄水閘、沖砂閘、發(fā)電廠房組成。自由溢流壩布置在主河床右側(cè)，壩段長度86.50 m；翻板門泄水閘壩段布置在主河床，共設(shè)22孔翻板門，沖砂閘壩段布置在主河床，壩段長度20.80 m 共設(shè)2個孔，每孔寬8.00 m，堰頂高程415.50 m；邊墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m，下游均采用底流消能型式，消力池池長16.0 m，池內(nèi)布置消力墩以提高消能效果。

壩基為玄武安山巖，強風化帶厚度一般2～3 m，以下為中等風化巖石。下游河道開挖后基本為巖基，當水深小于2 m時，中等風化基巖抗沖刷流速為2～3 m/s。

由于水電站位于松花江流域頭道松花江中下游，且為河床式電站，水頭低，流量大，因此下泄水流佛汝德數(shù)低，工程設(shè)計所采用的消能工能否滿足設(shè)計要求以及泄流能力如何都需要模型進行試驗研究。

1 試驗研究內(nèi)容

（1）驗證沖沙閘各種頻率洪水時的泄流能力。

（2）提供宣泄各種頻率洪水時泄水建筑物上的水面線、流態(tài)及流速分布。

（3）提供宣泄各種頻率洪水時消能效果及對下游沖刷影響。

（4）優(yōu)化消能建筑物型式和詳細的結(jié)構(gòu)尺寸，并達到較好的消能效果。

2 設(shè)計提供的資料

福生水電站壩址處各頻率洪水的洪峰流量見表1。

表1 壩址各頻率洪水的洪峰流量及調(diào)洪成果

不同工況下的沖沙閘泄流量見圖5（a）中原設(shè)計泄流曲線，尾水位按下游壩址水位流量關(guān)系查得。

3 模型設(shè)計與制作

根據(jù)模型試驗的目的和要求，采用斷面模型進行試驗，試驗在1 m寬的玻璃水槽內(nèi)進行。模型幾何比尺采用λ翻＝λL＝λH＝25。模型其他比尺見表2。

表2 模型比尺計算成果表

堰體部分采用水泥刮制，消力池及閘墩部分采用有機玻璃制作；上游河道按定床用紅磚鋪砌；下游河道按動床采用常規(guī)的散砂礫模擬。根據(jù)設(shè)計提供的河床地質(zhì)巖石抗沖流速2.0 m/s，按依茲巴什公式抗沖流速/m·s－1；d——散沙料粒徑/m；k—巖性系數(shù)，一般取5～7）計算得原型沙粒徑，按模型比尺換算相應的模型砂粒徑，并篩選該粒徑范圍的散砂礫作為模型砂。

沖沙閘設(shè)計方案模型布置見圖1。

圖1 沖沙閘設(shè)計方案模型布置圖

4 模型試驗

沖砂閘原設(shè)計消力池池深1.5 m，尾坎高1.5 m，池長同溢流壩16.0 m，布置單排消力墩，墩高1.5 m，垂直水流方向墩間距1.5 m，試驗中對不同的消力墩布置和尺寸及尾坎高進行了優(yōu)化。

優(yōu)化方案1（雙排小墩）：消力池池長不變，消力墩布置成2排，消力墩順水流方向頂寬0.3 m，底寬1.3 m，高1.0 m，垂直方向?qū)?.0 m，間距2.0 m，兩排消力墩凈距2.0 m。

優(yōu)化方案2（雙排墩前小后大）：池長布置不變，將第2排消力墩尺寸加大，順水流頂寬0.3 m，底寬1.8 m，高1.5 m，垂直水流方向凈距2.0 m。

優(yōu)化方案3（雙排，前大后?。簩⑸嫌蔚?排消力墩0＋016.7布置大墩，之后0＋020布置小墩，尾坎高度由原設(shè)計的1.5 m高減小為1.25 m。

4.1 泄流能力

模型試驗分別對原設(shè)計及優(yōu)化方案的沖沙閘閘門全開時在上游不同運行水位情況下的泄流能力進行了試驗，下游水位按泄水建筑物全部開閘泄水確定，泄流曲線見圖2。

圖2 沖沙閘試驗各方案泄流曲線

將沖沙閘的試驗曲線經(jīng)擬合后得到?jīng)_沙閘試驗推薦方案的泄流曲線，擬合度達到0.9963，擬合較好，擬合后的泄流曲線見圖3。

圖3 沖沙閘試驗推薦方案泄流曲線

4.2 流速、流態(tài)及水面線

對原設(shè)計及各優(yōu)化方案在宣泄各種頻率洪水時泄水建筑物全部開敞泄流的水面線、流態(tài)及流速分布進行了試驗觀測，典型工況成果見圖4和圖5。

在校核和設(shè)計洪水工況下，原設(shè)計方案及優(yōu)化方案過閘水流流速均較大，受閘墩影響，墩前水面雍高，閘后水流水躍不穩(wěn)定，形態(tài)較小，水躍躍前發(fā)生在消力池前部，躍后止于消力墩與尾坎之間，下游水流表面波動較大，下游試驗段70 m長河道沖刷均較嚴重，原設(shè)計方案在樁號0＋40.00左右有間歇性二次水躍產(chǎn)生，優(yōu)化方案3二次水躍不明顯。

流量632.758 m3/s，上游水位423.36 m，下游水位420.91 m

流量470.27 m3/s，上游水位422.08 m，下游水位419.70 m

圖4 沖沙閘原設(shè)計方案水面線及流速圖

流量565.328 m3/s，上游水位422.76 m，下游水位420.42 m

流量316.130 m3/s，上游水位420.78 m，下游水位418.42 m

圖5 沖沙閘優(yōu)化后采用方案水面線及流速圖

在消能設(shè)計工況下，閘前水流流速較大，流態(tài)較平穩(wěn)，入池水流形成水躍，水躍發(fā)生在護坦中部，止于消力墩前，池內(nèi)水體紊動充分，出池后水流流速較大，水面有波動，原設(shè)計方案及優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2均有間歇性二次水躍產(chǎn)生，下游河道沖刷較嚴重。

在小洪水工況下，閘前水流流態(tài)較平穩(wěn)，水躍發(fā)生在消力池中部，止于消力墩前，紊動較充分，除優(yōu)化方案3外，其他方案出池后水流均產(chǎn)生不穩(wěn)定的二次水躍。

4.3 消能沖刷

4.3.1 消能率

底流式消力池利用水躍消能，消能效果可用消能率來判斷，計算公式如下：

式中：kj——消能率，%

E0——以消力池底起算的上游總水頭，E＝

T0＋α0υ02/2g

Et——池后剩余水頭，E0＝Tt＋αtυt2/2g

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算各種工況下的消能率結(jié)果如表3。

表3 沖沙閘消能率試驗成果匯總表

從結(jié)果看，原設(shè)計方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2消能效果基本接近，優(yōu)化方案3的消能效果優(yōu)于其他方案。

表4 實測沖沙閘沖刷深度及位置表

4.3.2 池后沖刷

出池后的水流仍有較大的余能，對下游河道產(chǎn)生沖刷。實測各種工況的沖刷深度及位置見表4。

5 結(jié)語

（1）實測結(jié)果表明，設(shè)計方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2和優(yōu)化方案3隨著上游水位的抬高，沖砂閘泄流能力加大趨勢較設(shè)計計算值明顯，泄流量均能滿足設(shè)計要求。

（2）優(yōu)化方案3除土石壩校核洪水工況外，下游均沒有二次水躍產(chǎn)生，其他方案在各種工況下池后均產(chǎn)生不穩(wěn)定的二次水躍，分析可能是由于流速大尾坎較高所致；消能率在19%～27%之間；沖坑深度較深，最大沖坑深3.27 m，最小沖坑深1.78 m，沖坑上游坡比滿足規(guī)范要求。

（4）下游河道右側(cè)較左側(cè)沖刷嚴重，最大相差近1 m，分析是消力池兩側(cè)導墻布置不對稱引起。

（5）實測原設(shè)計方案各工況泄流量均大于設(shè)計計算值；3個優(yōu)化方案除小洪水5 a一遇工況略低于設(shè)計值外，其他工況均大于或等于設(shè)計值，泄流能力滿足要求；設(shè)計方案、優(yōu)化方案3在消能設(shè)計工況下的消能率分別為24.14%和25.11%，較優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2大，其他工況下優(yōu)化方案3略大于設(shè)計方案；從沖坑深看，設(shè)計方案、優(yōu)化方案3的沖坑深度也小于其他兩個方案，而設(shè)計方案又小于優(yōu)化方案3，且沖坑上游坡比也是設(shè)計方案略緩；池長相同，設(shè)計方案為單排消力墩，施工較為簡單；沖砂閘實測下游河道沖刷深度均比溢流壩、翻板門泄水閘大，這也符合沖砂閘的功能要求。經(jīng)分析對比，建議選用優(yōu)化方案3。

［1］SL155－95，水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程［S］.

［2］南京水利科學研究院，中國水利水電研究院.水工模型試驗［M］.北京：水利水電出版社，1985：12－149.

［3］吳持恭.水力學［M］.北京：高等教育出版社，1983：158－241.

［4］武漢大學.水利力計算手冊［M］.北京：水利水電出版社，2008：359－412.