庫(kù)什塔依水電站溢洪洞陡槽臺(tái)階式消能試驗(yàn)研究

王永飛，李守強(qiáng)，楊 慧

（1.新疆伊犁庫(kù)克蘇河水電開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 伊犁 835500；2.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810006；3.中電投新疆能源有限公司伊犁項(xiàng)目部，新疆 伊犁 835500）

庫(kù)什塔依水電站工程正常蓄水位1 305.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1.50億m3；電站裝機(jī)100 MW，多年平均發(fā)電量3.5億kW·h。工程由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、廠房等組成。庫(kù)水位及泄洪標(biāo)準(zhǔn)：校核洪水位 （P=0.05%）為1 306.87 m，溢洪道泄量為869.86 m3/s；校核洪水位 （P=1%）為1 305.98 m，溢洪道泄量760.36 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）1 305.00 m，溢洪道泄量為645.69 m3/s。

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通過(guò)對(duì)溢洪洞陡槽段單體水工模型試驗(yàn)，確定溢洪洞修改基本思路和布置原則，對(duì)溢洪洞的泄流能力、上游進(jìn)口流態(tài)、臺(tái)階面水流特性及消能率進(jìn)行測(cè)驗(yàn)、對(duì)消力池進(jìn)行體形優(yōu)化、評(píng)價(jià)下游出口河道防沖效果；對(duì)存在的問(wèn)題，通過(guò)模型試驗(yàn)，提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的方案供設(shè)計(jì)參考，以達(dá)到改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)省投資的目的。

模型制作根據(jù)樞紐平面布置圖進(jìn)行。模型范圍包括：上游庫(kù)區(qū)地形范圍縱向200 m（模型5 700 mm），橫向225 m （模型6 428.5 mm）。下游河道地形縱向332 m （模型9 486.5 mm）， 寬度175 m （模型5 000 mm）。其中下游河道動(dòng)床范圍縱向長(zhǎng)290 m （模型8 300 mm），高程 1 230 m以下均為動(dòng)床，平均寬度約120 m （模型3 400 mm），河底鋪砂高程為1 224 m。

2 臺(tái)階形式試驗(yàn)分析

為了更好地了解臺(tái)階面消能率的變化規(guī)律，為本工程找到相對(duì)合理的臺(tái)階高度的體形，本試驗(yàn)保持臺(tái)階面坡度為1∶1.65，對(duì)3個(gè)不同高度的臺(tái)階面消能率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以推薦更優(yōu)的臺(tái)階體形，對(duì)比試驗(yàn)情況如下。

2.1 臺(tái)階高度的選擇

臺(tái)階高度的選擇是根據(jù)以往已建成的工程實(shí)際，并結(jié)合試驗(yàn)具體情況，在工程可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，考慮其經(jīng)濟(jì)合理、施工方便以及體形具有工程實(shí)用性等因素，進(jìn)行了試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)在保持現(xiàn)有臺(tái)階坡比不變情況下 （即1∶1.65不變），實(shí)際采用的3個(gè)臺(tái)階高度分別為0.65、1.0 m和1.3 m。

2.2 測(cè)驗(yàn)組次

溢洪道臺(tái)階面的消能率對(duì)比按照校核工況和設(shè)計(jì)工況，同時(shí)再增加兩個(gè)低水位組次的小流量進(jìn)行比較，消能率對(duì)比試驗(yàn)各組次見(jiàn)表1。

表1 消能率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.3 消能率測(cè)驗(yàn)

臺(tái)階面的消能形式是通過(guò)兩種不同形式的水流形態(tài)來(lái)進(jìn)行消能的。在小流量情況下，臺(tái)階面水流呈舌狀跌落水流，薄層水流從上一個(gè)臺(tái)階跌落到下一個(gè)臺(tái)階，通過(guò)和臺(tái)階水平面的撞擊及水流紊動(dòng)而消除能量，如此重復(fù)地再向下一個(gè)臺(tái)階傳下去，如此重復(fù)跌落，消除能量，該流態(tài)的臺(tái)階面消能率最高；隨著流量的增大，從臺(tái)階頂部射出的流速逐漸增大，舌壯跌落水流向滑移水流轉(zhuǎn)化，在臺(tái)階面滑移水流條件下，水流的能量主要通過(guò)水流在臺(tái)階面上的裂散摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動(dòng)交換實(shí)現(xiàn)。這里采用如下方法來(lái)進(jìn)行消能率的計(jì)算，在圖1中選取1-1斷面和2-2斷面來(lái)進(jìn)行該工程臺(tái)階面消能率的計(jì)算，其中1-1斷面為拋物線(xiàn)末端 （即臺(tái)階面起點(diǎn)），樁號(hào)Y0+249.596 m，渠底高程為1 270.743 m。2-2斷面為臺(tái)階面下泄水流在消力池的潛入點(diǎn) （即1.0 m高度臺(tái)階面的第34個(gè)臺(tái)階處），樁號(hào)Y0+305.696 m，臺(tái)階面高程1 236.743 m并且定義消能率計(jì)算公式

圖1 消能計(jì)算斷面

式中，E1為上游計(jì)算起始斷面的總能量，E1=Z1+h1+為下游計(jì)算斷面的總能量2g；Z1、Z2分別為上下游斷面的底部相對(duì)高程，m；h1、h2分別為上下游斷面的水深，m；v1、v2分別為上下游斷面的平均流速，m/s。

溢洪道3個(gè)不同試驗(yàn)臺(tái)階高度、不同流量時(shí)，臺(tái)階面上的消能率計(jì)算對(duì)比結(jié)果顯示：臺(tái)階高度不變，隨著下泄流量的增加，臺(tái)階面的消能率在逐漸降低；不同臺(tái)階高度在下泄相同流量時(shí)，臺(tái)階越高，其消能率也大。本試驗(yàn)臺(tái)階高度的選擇是經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析后確定的，其測(cè)驗(yàn)資料表明，臺(tái)階高度為1.0m和1.3 m所測(cè)得的臺(tái)階面消能率基本接近?？紤]其測(cè)驗(yàn)本身的誤差認(rèn)為，從消能率方面考慮，采用臺(tái)階高度為1.0 m和1.3 m均能到達(dá)滿(mǎn)意的消能效果，優(yōu)先采用的臺(tái)階高度為1.0 m。

3 結(jié)論

（1）體形布置。樁號(hào)從Y0+175.000 m到Y(jié)0+215.000 m為1∶100比降的漸擴(kuò)段，渠寬從8 m擴(kuò)大到16 m，下游與拋物線(xiàn)段連接，拋物線(xiàn)方程y=0.02x+0.084 7x2，水平向全長(zhǎng)34.596 m，末端樁號(hào)Y0+249.596 m，并在該處設(shè)置1∶18的摻氣挑坎。臺(tái)階面比降1∶1.65，單個(gè)臺(tái)階高度1.0 m，水平全長(zhǎng)77.55 m，共47個(gè)臺(tái)階。

（2）水流流態(tài)。臺(tái)階面在各運(yùn)行工況流態(tài)良好，通氣孔通氣暢通，空腔穩(wěn)定，水舌下緣在校核和設(shè)計(jì)水位運(yùn)行時(shí)，基本在第3個(gè)臺(tái)階位置與臺(tái)階面交匯，保證水流盡可能與臺(tái)階面接觸，提高了臺(tái)階面的消能率，設(shè)計(jì)水位臺(tái)階面起點(diǎn)位置的臺(tái)階面底部摻氣特別充分。

（3）壓強(qiáng)分布。拋物線(xiàn)段底板壓強(qiáng)的測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，其線(xiàn)形基本可滿(mǎn)足水流要求，堰面壓強(qiáng)分布合理，除樁號(hào)y0+239.742 m處的39號(hào)測(cè)壓管測(cè)到最大負(fù)壓-0.12×9.8 kPa，其他位置壓強(qiáng)均為正壓強(qiáng)，故不存在水流空化問(wèn)題。臺(tái)階水平面上的所有測(cè)壓管在各運(yùn)行工況其壓強(qiáng)均為正壓強(qiáng)，但臺(tái)階面的豎向面在臺(tái)階下游有負(fù)壓強(qiáng)出現(xiàn)，最大負(fù)壓為-0.86×9.8 kPa，并且在每一個(gè)臺(tái)階豎向面處的，壓強(qiáng)分布表現(xiàn)為越向上靠近臺(tái)階頂部壓強(qiáng)越小。由于模型受體形尺寸的限制，不可能無(wú)限靠近臺(tái)階頂部布置測(cè)壓管，加之臺(tái)階面水流本身的復(fù)雜性，為了防止萬(wàn)一在臺(tái)階豎向面頂部出現(xiàn)過(guò)大負(fù)壓強(qiáng)而引起的臺(tái)階面發(fā)生空化，采用了在臺(tái)階進(jìn)口處增加摻氣設(shè)施，通過(guò)摻氣減蝕來(lái)避免可能發(fā)生的空蝕破壞。

［1］ SL 155-92 水工 （常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］ 南京水利科學(xué)研究院，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.水工模型試驗(yàn)［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，1985

［3］ 周輝，吳時(shí)強(qiáng)，姜樹(shù)海.臺(tái)階溢流壩滑移流水力特性初步研究［C］//泄水工程與高速水流，1998.

［4］ 汝樹(shù)勛，潘瑞文，唐朝陽(yáng)，等.曲線(xiàn)形階梯式溢流壩的消能特性［C］//泄水工程與高速水流論文集，1994.

［5］ 水利水電泄水工程與高速水流信息網(wǎng)，東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院水利科學(xué)研究院，泄水工程與高速水流［M］.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000.