中咀坡水電站溢洪道進口中墩體型優(yōu)化試驗

劉 騰，楊勝發(fā)，李立強，謝 龍

(重慶交通大學河海學院，重慶400074)

溢洪道作為常見的泄水建筑物，通常由進水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和出水渠段等幾部分組成［1］，可宣泄洪水，防止洪水漫溢壩頂，從而保證大壩的安全。而作為溢洪道龍頭的進水渠，其作用是將水庫的水平穩(wěn)的引到控制段［2］。一般來講，進水渠水流的流態(tài)直接影響到溢洪道泄流能力和水電站的運行效果，因此，進水渠的合理設計是溢洪道結構設計的重點和難點之一。國內外工程經驗表明，進水渠設計不當將導致水流流態(tài)不平順、不穩(wěn)定，直接影響溢洪道泄洪，甚至危及電站的運行［3］。

1 工程概況

中咀坡水電站主要由攔河壩、取水口、引水隧洞、調壓井、壓力管道和廠區(qū)建筑物組成，位于重慶市巫山縣境內的后溪河梯級水電站(廟堂水電站、中咀坡水電站、峽門口水電站)中的第二級水電站。電站設計引用流量 11.1m3/s，電站裝機容量 2×12 850 kW。中咀坡水電站為三等中型工程，工程大壩為面板堆石壩，壩高111m，頂部高程為545m，頂寬8m，壩頂全長219m，溢洪道設計方案為正堰開敞式溢洪道，由進水渠、控制段、泄槽收縮段、泄洪隧洞段、挑流鼻坎組成。進水渠軸線長29.12m，寬度24.0m，其前部呈喇叭口形狀，進口前緣寬58.0m。進水渠采用矩形斷面。控制段選用兩孔閘室進水，連同中墩共寬24m，中墩寬4m，閘室總長為34m，每孔設一扇10m ×10.5m(b×h)的弧形工作閘門，不設檢修門。閘室后緊接著為長41.0m的收縮段，其寬度由24.0m縮窄為12.0m，邊墻收縮角為7.43°。其后依次接長度分別為497.33m和17m的泄洪隧洞和挑流坎。

2 溢洪道進水段優(yōu)化設計研究

2.1 進水渠布置形式及泄洪能力

中咀坡水電站工程設計洪水為100年一遇洪水流量，Q=1 070m3/s，校核洪水為1 000年一遇洪水流量，Q=1 590m3/s。設計方案中進水渠由山體開挖而成，軸線長29.12m，寬度24.0m，其前部呈喇叭口形狀，進口前緣寬58.0m。進水渠采用矩形斷面。進水渠由山體開挖形成，渠底高程533.0m，進水渠左邊墻采用C20埋石混凝土衡重式擋墻，左側靠山體前半部分采用圓弧段，圓弧轉彎半徑為150.0m，轉角76°，圓弧末端通過長18.3m的直線導水墻與控制段相接，圓弧段和直線段導墻墻頂高程548.0m，墻頂寬度2m，背坡為1∶0.3。進水渠右側導墻采用重力式混凝土擋墻，墻頂高程 548.0m，墻頂寬度 2.5m，背坡為 1∶0.5。原方案選用兩孔閘室進水，連同中墩共寬24m，中墩寬4m，中墩尾部采用半圓形結構設計形式，圓弧的半徑為2m，堰型采用WES實用堰，高為2.5m。進水渠平面布置如圖1。

圖1 溢洪道進水渠平面布置Fig.1 Engineering layout of the spillway

通過試驗，觀測到以下現象:圓弧形式的左導墻對水流的阻礙作用不大，水流較為平順，但進口水流在中墩與右導墻頭部形成了繞流，并產生順時針立軸漩渦，引起導墻內側形成回流，水流流態(tài)比較紊亂，進水渠水流流態(tài)見圖2(a)。受回流區(qū)影響，閘前水面形成一定程度的橫比降，從表1泄流設計方案進水渠水位分析表中可以看出，閘前水面形成一定程度的橫比降，控制閘門進口處右邊孔水面線明顯低于左孔水面線，使進閘水流分布不均，嚴重降低了溢洪道的過流能力。同時從圖2(b)中亦能發(fā)現中墩尾部產生較為嚴重的空蝕、氣蝕現象。經分析得出水流由兩孔閘門出流有一定的水位差，流量流速不等，受中墩導墻影響，靠近中墩位置的水流流速較小，從而產生空蝕氣蝕現象［4］。

表1 泄流設計方案閘口處水位分析Table 1 Water level at the water-gate of original design

圖2 原設計方案Fig.2 Original design spillway

2.2 進口方案優(yōu)化

為了改善進口水流流態(tài)提高溢洪道的泄流能力，使進水渠處水流平順、均勻減少水頭損失，需要對溢洪道進口的結構形式進行優(yōu)化設計［5］。對原方案進行局部優(yōu)化，重點考慮進水渠處，引導水流均勻流入兩孔，盡量使兩孔流量均分，減少下游下泄水流折沖現象的發(fā)生［6］。優(yōu)化的總體思路是兩側導墻不變，對中墩尾部加以調整，尋找合適的尾墩形式，使得進閘水流分布均勻，提高溢洪道的過流能力，同時減少空蝕和氣蝕對尾墩的破壞，試驗共做了兩種修改方案的對比分析試驗。

2.2.1 橢圓形尾墩

橢圓圓形尾墩是一種常見的尾墩形態(tài)，它的外形輪廓可以使得兩側水流側向收縮小，過水能力大，使得水流流態(tài)平順［7］。尖圓形尾墩的高度與中墩同高，俯視圖中橢圓長軸為1.71倍的中軸寬度，即6.84m，短軸為1.21 倍中軸寬度，即為4.84m。方案的平面布置見圖3。

圖3 橢圓形方案下溢洪道進水渠水流形態(tài)Fig.3 Water patterns of the diversion canal of oval design

試驗觀測發(fā)現，閘門進口處水流流態(tài)較為平順。右導墻與中墩之間水面橫比降有所降低，并且在尾墩的底部仍然存在溢洪道彎道段由于水流在此發(fā)生偏轉，受到向外擴散的離心力作用，水流紊亂，折沖現象明顯，此處水流流態(tài)需要著重予以考慮。在原設計方案下彎道起訖點位置，彎道轉彎半徑、轉角、寬度不變，對彎道底板考慮予以變化，保持軸線高程不變，調整兩側高程且彎道內橫斷面過水面積不變。

2.2.2 變寬度淹沒式斜尾墩

變寬度淹沒式斜尾墩在原修改方案的基礎上進行局部優(yōu)化，重點考慮進水渠處，引導水流均勻流入兩孔，盡量使兩孔流量均分，減少下游下泄水流折沖現象的發(fā)生［8］。左側導墻不變，中墩尾部加以調整，將先前的兩段1/4橢圓弧改成兩段。第1段為長3.4m的變高度變寬度斜尾墩，第2段為長12.35m，寬0.6m的變高度斜尾墩。尾墩與中墩連接處高6.33m，沿程坡比為 1∶0.5，變寬度淹沒式斜尾墩的平面布置和縱剖面見圖4。

圖4 變寬度淹沒式斜尾墩平面布置及剖面(1∶200)Fig.4 Layout＆ profile of the changed width oblique tail submerged pier

觀測發(fā)現收縮段進口處水流折沖現象明顯減小，洞口和邊墻所受的沖擊也減小，從圖5中可以看出水冠高度明顯降低，水流流態(tài)有很好的改善，于是將此方案定為推薦方案。

圖5 推薦方案溢洪道進水渠水流形態(tài)Fig.5 Water patterns of the diversion canal of recommended design spillway

3 推薦方案效果分析

由于原方案水流入閘后在中墩尾部形成較大的水冠，致使流態(tài)不穩(wěn)定，影響溢洪道的泄洪能力［9］，并隨著溢洪道泄流量的增大，產生較為嚴重的空蝕和氣蝕現象，而推薦方案在消除水冠以及提高溢洪道泄洪能力方面都有較好的效果。為此，試驗分析了在設計和校核流量工況下該中墩體型對泄洪能力的影響，見表2。

表2 推薦方案閘口水位分析Table 2 Water level at the water-gate of recommended design

從表2中可以看出，閘前水面橫比降明顯有所降低，受離心力的影響，控制閘門進口處右邊孔水面線略低于左孔水面線，但是較原方案有明顯的改善。并且，庫水位有了一定的降低，且基本與計算庫水位接近，所以在此方案下的尾墩形式，不僅能夠改善流態(tài)，降低進口水位橫比降，而且能夠提高溢洪道的泄洪能力。

4 結語

水庫的溢洪道作為水庫安全運行的保障其進口形式的優(yōu)劣直接影響到進水渠的水流流態(tài)，安全泄洪能力，其合理的形式是設計的重點。筆者通過對中咀坡水工試驗模型研究，探討出寬度淹沒式斜尾墩的布置優(yōu)化設計方案，不僅能夠改善進口水流的流態(tài)，均分進閘水流，從而減小空蝕和氣蝕的危害，而且由于此方案下尾墩后的水冠高度明顯降低，從而提高了溢洪道的泄洪能力。

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