重慶李家口水電站溢洪道設計及消能效果分析試驗研究

張 曉

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 401120)

重慶李家口水電站溢洪道設計及消能效果分析試驗研究

張 曉

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 401120)

針對重慶李家口水電站溢洪道下泄水流流速過大的情況，根據(jù)李家口水電站實際建設環(huán)境，結合設計經(jīng)驗，從進水渠、尾墩、泄洪隧洞、消能段幾部分入手，對各部分結構進行了詳細設計。建立長寬高均為1∶50的正態(tài)模型進行概化模型試驗。從試驗效果來看，進水渠、尾墩兩側、泄洪隧洞彎曲段，以及溢洪道末端的水流都較為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的壅水、沖擊波、亂流等不利流態(tài)。本文設計的挑流消能段消能效率高達79.5%，有效消耗了下泄水流能量，減小了下泄水流流速，消能效率良好，對保證下游河床穩(wěn)定有積極作用。

溢洪道；進水渠；導流邊墻；消能效率；斜底坎

1 工程概況

重慶李家口水電站位于重慶市巫山縣的清溪口河，水電站上距孔巖廟6.5 km，下離張皮村11.7 km。工程河段控制流域面積約253.9 km2，年均徑流量約1.32億 m3，設計洪水位(根據(jù)水電樞紐等級取1%)為547.84 m，正常蓄水位為546.00 m。該水電站按照建筑物性質(zhì)可分為攔河壩、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠區(qū)建筑物。根據(jù)清溪口河李壩村水位站相關資料，李家口水電站水位與流量呈冪指數(shù)關系，其對應關系如圖1所示。

圖1 重慶李家口水電站壩前水位與上游來流量對應關系圖

2 溢洪道設計

根據(jù)李家口水電站實際建設環(huán)境，結合設計經(jīng)驗，對溢洪道各部分進行詳細設計[1-6]。

2.1 進水渠設計

進水渠軸線長29.12 m，寬度24.0 m，其前部呈喇叭口形狀，進口前緣寬58.0 m。進水渠采用矩形斷面。樁號溢0-029.12～溢0+000.0為溢洪道進水渠段。進水渠由山體開挖形成，渠底高程533.00 m，進水渠左邊墻采用C20埋石混凝土衡重式擋墻，左側靠山體樁號溢0-017.18以上采用圓弧段，圓弧轉彎半徑為150.0 m，轉角76°，圓弧末端通過長18.3 m的直線導水墻與控制段相接。

2.2 尾墩設計

對進水渠形態(tài)對水流引導作用進行分析，采用變寬度斜尾墩結構來分散兩側水流對沖作用。其中，尾墩寬度在前6.34 m由4 m漸變?yōu)?.6 m，收縮角為15°，尾墩寬度在后9.41 m為0.6 m；尾墩高度在15.75 m范圍內(nèi)由6 m均勻降為0 m，如圖2所示。

圖2 李家口水電站尾墩剖面及平面圖

2.3 泄洪隧洞段設計

泄洪洞起于樁號溢0+076.00止于樁號溢0+574.33。泄洪洞全長498.33 m，底板縱坡i=0.1，樁號溢0+076.00～0+287.93為12.00 m等底寬泄洪洞,樁號溢0+076.00～0+119.69段為43.69 m長的直段；溢0+119.69～0+256.39為轉彎段，轉彎半徑為200 m，圓心角為39.16°；樁號溢0+256.39～0+287.93為直線段。

為了減小泄洪隧洞段左、右兩岸水頭差，在彎曲段底板設置斜底坎。斜坎垂直于彎道底部，與彎道軸線成25°～55°夾角，初設高度為渠道水深的1/10～1/5，間距為斜檻高度的8～10倍。

2.4 消能段(挑流鼻坎)設計

消能段位于泄洪隧洞末端，該段全長17.0 m，挑射角約為31°，反弧半徑為30 m。挑坎建基面高程474.38 m，挑坎頂高程477.86 m，反弧最低點高程475.2 m，挑坎底前后齒槽深1.0 m，寬1.0 m。

2.5 概化模型設計

為驗證本工程設計效果，擬建立概化物理模型進行試驗研究、分析[7-9]。其中，模型采用長寬高均為1∶50的正態(tài)模型；根據(jù)換算，流速比尺為1∶7.1；流量比尺為1∶17.7；糙率比尺為1∶1.92。同時，進水渠采用磚混材料，為更好觀測水流流態(tài)與氣蝕情況，泄洪隧洞段采用有機玻璃制作。為更好地反映整個工程底板高程，采用斷面板法用水泥砂漿刮制。

3 試驗效果分析

將設計工況下，模型各部分的流態(tài)效果進行分析。

3.1 進水渠及尾墩流態(tài)效果

受導流墻作用，水流均勻由中墩兩側下泄，斜尾墩較好地緩解了兩側水流對沖，進水渠末端沒有發(fā)生明顯的水翅以及激流沖擊波，兩側邊壁亦無明顯壅水情況，進水渠段流態(tài)十分良好，如圖3所示。

圖3 進水渠及尾墩流態(tài)效果

3.2 泄洪隧洞流態(tài)效果

本工程下泄水流流速較大，對左岸邊壁有較明顯的沖擊。采用斜底坎布置后，有效改變彎道底部部分水流的方向，由于動量交換的機械作用，底部水流動量變化傳給上部水流，使上部水流動量在整個方向上改變一個角度，部分水流從凹岸流向凸岸，對凹岸和凸岸水流水深平衡有顯著促進作用。

3.3 消能段流態(tài)效果

將挑流消能效果分析列于表1。根據(jù)實驗分析，本工程挑流消能段的消能效率高達79.5%，有效消耗了下泄水流能量，減小了下泄水流流速，消能效率良好，對保證下游河床穩(wěn)定有積極作用。

4 結 論

根據(jù)李家口水電站實際建設環(huán)境，結合設計經(jīng)驗，對溢洪道各部分進行詳細設計，其中根據(jù)工程實際情況提出的變寬度斜尾墩、在彎曲段增設斜底坎以及挑流消能方案對整個溢洪道工程消耗水流能量、控制流速、減小水流沖擊波具有積極作用，研究結論可為同類工程提供參考與借鑒。

表1 挑流消能效果分析

[1] 中華人民共和國水利部．溢洪道設計規(guī)范：SL 253-2000[S]．北京：中國水利水電出版社，2000．

[2] 姜伯樂，楊文俊，張暉．三峽工程表孔空化問題試驗研究與原型驗證[J]．水力發(fā)電學報，2009，28(6)：71-74．

[3] 王世夏．水工設計的理論和方法[M]．北京：中國水利水電出版社，2000．

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[5] 胡鵬，胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(5)：813-815.

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[7] Colebrook V F．Turbulent flow in pipes with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws[J]．Inst．of Civ．Engrs．，1938(11)：133-156．

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Experimental study on spillway design and energy dissipation effect of Lijiakou hydropower station in Chongqing

ZHANG Xiao

(ChongqingWaterConservancyandHydropowerInvestigationDesignandResearchInstituteChongqing401120,China)

Because of the too large flow velocity of the spillway in Chongqing Lijiakou Hydropower Station, the structures such as the inflow channel, the tail pier, the flood discharge tunnel and the energy dissipation section are designed in detail based on the actual construction environment and the experience .A normal model with length and width is 1∶50 is established.From the experimental results, the flow of the inlet channel, both sides of the tail pier, the bending section of the flood discharge tunnel and the end of the spillway are gentle, there is no obvious backwater, shock waves, turbulence and other unfavorable flow.The efficiency of the energy dissipation section designed in this paper is as high as 79.5%. It dissipates the energy of the discharge flow effectively and reduces the speed of the current and ensure the stability of the downstream river bed.

spillway;inlet channel;diversion wall;efficiency of the energy dissipation;sloping sill

張 曉(1990-)，女，滿族，遼寧錦州人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計相關工作。E-mail: 624045664@qq.com。

TV651.1

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：2096-0506(2017)08-0053-03