劉家溝水電站水工模型試驗(yàn)研究

顏雪麗，楊勝發(fā)，孫連超

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;2.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074)

劉家溝水電站在小溪河中游的劉家溝河段上，位于重慶市巫溪縣境內(nèi)。該工程主要以發(fā)電為主，擋水建筑物、泄洪建筑物，施工導(dǎo)流兼放空建筑物、引水建筑物以及廠區(qū)附屬設(shè)施是水電站的主要的建筑物。其正常蓄水位為448.00 m［1］，對應(yīng)的水庫庫容為1 820萬m3，總庫容達(dá)到1 924萬m3，電站的裝機(jī)容量為2萬kW，屬于Ⅲ等中型工程。為了使電站的整體設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，采用物理模型進(jìn)行試驗(yàn)。

1 物理模型設(shè)計(jì)

模型的研究范圍從劉家溝電站壩下游1 300 m到壩上游200 m，全長1.5 km，進(jìn)口為壩址上游第一個彎道處，距壩軸線約200 m，為更好地模擬電站溢洪道進(jìn)口水流形態(tài)，對上游壩體和溢洪道進(jìn)口處局部地形按照提供的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制作。

根據(jù)模型試驗(yàn)［2］范圍、試驗(yàn)研究目的、場地要求、相似性原理所要求的水流流態(tài)、表面張力等條件，采用平面比尺和垂直比尺相等的正態(tài)模型。根據(jù)河工模型制作的要求，必須滿足基本的相似條件。表1列出了滿足幾何相似、重力相似以及阻力相似等相似條件的模型比尺［3］。

表1 模型比尺Tab.1 Model scale

2 原設(shè)計(jì)方案模型

劉家溝水電站工程主要建筑物有擋水建筑物、泄洪建筑物、施工導(dǎo)流兼放空建筑物、引水建筑物和廠區(qū)建筑物等，原溢洪道設(shè)計(jì)方案為正堰開敞式溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及出水渠組成。工程平面布置見圖1。

2.1 原進(jìn)水渠導(dǎo)墻體型及其試驗(yàn)情況

為了與控制段左邊墩進(jìn)行連接，在進(jìn)水渠左側(cè)邊坡上修建直立的擋墻，并依照岸坡地形在最前端和最末端兩段采用直導(dǎo)墻，中間段則采用圓弧型的轉(zhuǎn)彎導(dǎo)墻。

在觀測試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，從左側(cè)上游來的水流在左側(cè)導(dǎo)墻的導(dǎo)流作用流速不斷增大，基本緊貼導(dǎo)墻壁面流動，并且與溢洪道控制段水流銜接比較順暢。但在導(dǎo)墻右側(cè)，由于水流經(jīng)過導(dǎo)墻端頭時流速驟增，使得水流在離心力的作用下偏離導(dǎo)墻，并且在右側(cè)導(dǎo)墻端頭內(nèi)側(cè)形成一個水面跌落，其范圍較大，凹面的彎曲程度較深。在進(jìn)水渠下游右側(cè)出現(xiàn)渦流，水流紊動強(qiáng)度較大，且距離閘門控制段比較近，嚴(yán)重影響了右孔的過流能力。

圖1 工程平面布置Fig.1 Project layout

2.2 原溢洪道消能形式及其試驗(yàn)情況

采用原設(shè)計(jì)方案中連續(xù)式挑流鼻坎形式的溢洪道泄流消能［4］形式存在下游河床中水流流速較大，河道沖刷較為嚴(yán)重，對右岸松散崩滑體穩(wěn)定和下游岸邊建筑物設(shè)施的安全構(gòu)成威脅等問題。

2.3 原設(shè)計(jì)方案小結(jié)

由試驗(yàn)結(jié)果分析，原設(shè)計(jì)方案在洪水泄流能力和溢洪道體型設(shè)計(jì)方面，當(dāng)試驗(yàn)實(shí)測流量為586.87 m3/s，實(shí)測庫水位為 448.26 m，流量系數(shù)為0.451 8，溢洪道進(jìn)口處水流流態(tài)較為紊亂，有大范圍的回流漩滾區(qū)，進(jìn)而影響泄洪閘泄流能力;在消能及岸坡沖刷方面，存在溢洪道下游河床中水流流速較大，下游河道沖刷比較嚴(yán)重，影響河岸穩(wěn)定，同時溢洪道下泄高速水流對右岸松散崩滑體穩(wěn)定也構(gòu)成較大威脅。

綜上所述，原設(shè)計(jì)方案在溢洪道體型設(shè)計(jì)方面存在問題導(dǎo)致其在洪水泄洪能力方面不能滿足工程要求，需要改進(jìn)，并且由于溢洪道消能形式不合適而影響岸坡的穩(wěn)定性，必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 推薦方案模型試驗(yàn)

水電站方案的優(yōu)化改進(jìn)主要從溢洪道進(jìn)水渠導(dǎo)墻體型優(yōu)化和溢洪道消能形式優(yōu)化兩方面進(jìn)行。溢洪道進(jìn)水渠進(jìn)口導(dǎo)墻體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是在不改變左側(cè)導(dǎo)墻體型的情況下尋求比較合適的右側(cè)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)形式，使得水流在進(jìn)入水渠之后流態(tài)比較穩(wěn)定。溢洪道泄流消能形式優(yōu)化的思路是在保證右岸松散崩滑體穩(wěn)定和下游岸邊建筑物設(shè)施的安全的前提下，尋找減小下游河床中水流流速，進(jìn)而減弱河道沖刷的最佳消能形式。

3.1 推薦方案布置形式

在兩孔閘門泄流設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，溢洪道進(jìn)水渠右導(dǎo)水墻體型采用兩圓弧+直線段結(jié)構(gòu)形式［5］，閘門控制段和溢洪道泄槽收縮段向下游平移3 m，優(yōu)化樁號溢0+060.30 m以下的溢洪道泄槽段體型，并采用泄槽出口平臺設(shè)T型墩［6］+岸坡分散水流 +平臺挑射出流的聯(lián)合消能結(jié)構(gòu)布置方式得到推薦方案。

3.2 推薦方案進(jìn)水渠導(dǎo)墻體型及試驗(yàn)效果

分析原因知，由于原方案進(jìn)水渠過水?dāng)嗝嫠鳁l件不一致，致使流速變化較大，流態(tài)不穩(wěn)定，并隨著溢洪道泄流量的增大，水流收縮越嚴(yán)重，引起的水面跌落也越大，在右導(dǎo)墻兩側(cè)存在較大的水位差。為了改善進(jìn)水渠水流流態(tài)，并在增大泄洪量時消除水面收縮和跌落現(xiàn)象，需要針對進(jìn)水渠進(jìn)口導(dǎo)墻設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是在不改動左側(cè)導(dǎo)墻體型的情況下尋求比較合適的右側(cè)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)形式，使得水流在進(jìn)入水渠之后流態(tài)比較穩(wěn)定。經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用兩段圓弧加上直線調(diào)整段的導(dǎo)墻體型方案時水流沿右側(cè)圓弧導(dǎo)墻較為平順地進(jìn)入進(jìn)水渠，水流流態(tài)也較好，沒有出現(xiàn)旋滾回流等現(xiàn)象［7］，且進(jìn)口右導(dǎo)墻兩側(cè)的水位差較小，在設(shè)計(jì)流量下其水位差僅為1.65 m，較原設(shè)計(jì)方案降低了20.5 cm，基本上達(dá)到了減小導(dǎo)墻兩側(cè)水位差的目的。此方案的導(dǎo)墻體型具體結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 進(jìn)水渠右導(dǎo)墻(兩段圓弧+直線段)體型結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Structural dimension of the right guide wall of the head race(two arcs+straight line)

從圖2中可以看出導(dǎo)墻進(jìn)口處沒有出現(xiàn)水面紊動、漩滾等惡劣流態(tài)現(xiàn)象，且右側(cè)導(dǎo)墻進(jìn)口側(cè)向收縮紊動回水區(qū)范圍明顯減小，說明此方案已經(jīng)有效的改善了溢洪道進(jìn)水渠的水流流態(tài)。

圖2 推薦方案溢洪道進(jìn)水渠水流流態(tài)(設(shè)計(jì)下泄洪水Q=586 m3/s)Fig.2 Flow regime of the head race of the spillway recommend(Design discharge flow Q=586 m3/s)

試驗(yàn)分析了此試驗(yàn)方案的泄洪能力，當(dāng)溢洪道兩孔泄洪閘全開敞泄，試驗(yàn)工況為設(shè)計(jì)洪水，閘門下泄流量Q=586 m3/s時，壩前庫水位約為448.07 m;試驗(yàn)工況為校核洪水，閘門下泄流量Q=694 m3/s時，壩前庫水位約為448.91 m，而設(shè)計(jì)壩頂高程為450.00 m，校核洪水下泄流量時壩前水位低于壩頂高程1.09 m，大于0.5 m的校核洪水安全超高值，所以在校核洪水及以下流量時，電站均能安全泄洪，故推薦方案泄洪能力滿足工程要求。

3.3 推薦方案溢洪道消能形式及試驗(yàn)效果

針對消能過程中存在的這些問題，推薦方案采用泄槽出口平臺設(shè)T型墩 +岸坡分散水流 +平臺挑射出流的聯(lián)合消能結(jié)構(gòu)布置方式來達(dá)到消能的效果。從推薦方案的試驗(yàn)消能效果來看(圖3)，由于泄槽段出口平臺出口處寬度增加，溢洪道下泄水流的過水?dāng)嗝鎸挾仍黾樱鲉螌捔髁繙p小，從而影響下泄水流對河床的沖刷深度。另外，過水平臺出口設(shè)置的T型墩使得流量沿出口斷面分配較為均勻，同時也起到減緩水流流速的作用。試驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，水流沿平整岸坡下泄，岸坡表面水流平滑穩(wěn)定，水流下泄較為順暢，無明顯水流波動，加之岸坡段與公路平臺段采用光滑弧面相銜接，水流對平臺的沖擊力減小。水流沿公路平臺挑射而出，跌落至河床中間。

圖3 溢洪道消能推薦方案平面圖Fig.3 Recommended scheme plan of spillway energy dissipation

圖4顯示了推薦方案在施放設(shè)計(jì)洪水時的試驗(yàn)消能效果。從圖5中標(biāo)示的下游河道沖刷紊動消能區(qū)域［8］可以看出，水流沖刷帶位于河床中部至右岸岸坡前端［9］，水流沿河道縱向展開落入河床，下游落入河床位置較靠近左岸岸坡，水舌呈圓弧形。河床沖刷地帶地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，較好地適應(yīng)了山區(qū)河道狹窄的地形條件和復(fù)雜的地質(zhì)條件。

經(jīng)沖坑水墊充分消能后，沖坑溢出水流集中流向下游，流速逐漸減緩，并能很好地與下游河道水流相銜接，說明了推薦方案的消能效果較為理想，較好地解決了本工程所在下游河床較為狹窄且右岸岸坡存在大型崩滑體的技術(shù)難題。

4 結(jié)論

1)推薦方案在Q=694 m3/s的校核洪水流量下，壩前水位為448.91 m，壩頂設(shè)計(jì)高程為450.00 m，壩前水位比壩頂設(shè)計(jì)高程低1.09 m，大于校核洪水的安全超高值(校核洪水安全超高值為0.5 m)。這說明在小于等于校核洪水流量時該電站泄洪均處于安全狀態(tài)。

2)溢洪道進(jìn)水渠導(dǎo)水墻體型采用兩圓弧 +直線段的結(jié)構(gòu)形式，使水流較為平順地流入進(jìn)水渠，降低右導(dǎo)水墻內(nèi)外側(cè)水面落差，改善了進(jìn)水渠內(nèi)水面流態(tài)，同時增強(qiáng)了溢洪道的泄流能力。

3)溢洪道泄槽段經(jīng)過體型優(yōu)化，泄槽內(nèi)水位變化穩(wěn)定，改善了泄槽內(nèi)急流沖擊邊墻的現(xiàn)象，水面流態(tài)較好。

4)溢洪道推薦消能方式效果良好，形成的局部沖刷坑深度不大，沖坑溢出堆積物面積不大，沒有造成下游河道的沖刷，水流多余能量消散較為完善，說明該消能方案符合工程要求。

5)雖然溢洪道推薦方案具有良好的消能效果，但是此消能形式對消能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗沖刷能力要求比較高。建議施工時充分考慮水流對結(jié)構(gòu)的破壞作用，采用有效的工程措施保證消能構(gòu)造物的穩(wěn)定和抗沖刷能力。

6)雖然推薦的溢洪道消能方式效果良好，但是也對消能結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖刷能力提出了較高的要求。建議施工時充分考慮水流對結(jié)構(gòu)的破壞作用，采用有效的工程措施保證消能構(gòu)造物的穩(wěn)定和抗沖刷能力。

7)由于工程位置右岸崩滑體坡度較緩，高程較低，當(dāng)下泄流量較大時為避免水流表面沖刷右岸較為破碎的覆蓋層，需要對右岸較為不穩(wěn)定的崩滑體加以防護(hù)處理，保證工程安全正常運(yùn)行。

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