水電站泄洪洞體型優(yōu)化模型試驗(yàn)研究

胡良才，陳 林，李會(huì)平，郭大平

（1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

泄洪洞是水電站常用的泄水建筑物型式，多部分利用導(dǎo)流洞，以加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資，并為樞紐布置提供較大便利。泄洪洞進(jìn)口與導(dǎo)流洞出口高差較大，泄流水頭往往達(dá)數(shù)十米乃至百余米，使得洞內(nèi)水流流速較高，易發(fā)生空化空蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致泄洪洞破壞乃至威脅大壩安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泄洪洞進(jìn)行了諸多研究。龐昌俊等[1]分析了“龍?zhí)ь^”泄洪洞的布置特點(diǎn)，介紹了“龍?zhí)ь^”式泄洪洞進(jìn)口段、“龍?zhí)ь^”段、斜坡段、反弧段、直線段各部位體形設(shè)計(jì)公式；鄧軍等[2]采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)某電站岸邊泄洪洞進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了泄流能力、壓強(qiáng)沿程分布、水流空化數(shù)、通氣設(shè)施進(jìn)氣量、空腔形態(tài)及挑距等，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法研究龍落尾式泄洪洞水流的可行性；夏慶福等[3]采用數(shù)值模擬與局部模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)小灣泄洪洞新方案進(jìn)行了研究和優(yōu)化；陳華勇等[4]對(duì)旋流式豎井泄洪洞的水面線、壁面壓力、水流流速等水力要素進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究旋流式豎井泄洪洞水力要素的可行性；田靜等[5]對(duì)溪洛渡水電站泄洪洞進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)研究，分析出泄洪洞原設(shè)計(jì)體型存在的主要問(wèn)題，對(duì)泄洪洞體型進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)檢驗(yàn)；井書光[6]結(jié)合某泄洪洞改建工程，對(duì)某“龍?zhí)ь^”泄洪洞水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)研究；李松平[7]針對(duì)河口村水庫(kù)泄洪洞，采用模型試驗(yàn)研究了泄洪洞泄流能力、水流流態(tài)、壓力分布、空化空蝕、進(jìn)出口體型等，并提出泄洪洞體型優(yōu)化方案；張文遠(yuǎn)[8]通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)吉音豎井旋流泄洪洞的水流流態(tài)、壓力分布、流量系數(shù)等水力特性進(jìn)行了研究；鄭文新[9]針對(duì)大北溝水庫(kù)泄洪排沙洞，就其改建設(shè)計(jì)方案合理性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了泄洪洞體型修改方案。諸多研究成果對(duì)于提高泄洪洞設(shè)計(jì)水平，保障工程安全做作出了突出貢獻(xiàn)。但工程實(shí)際情況千差萬(wàn)別，影響其安全的因素眾多，不能照搬某一個(gè)或幾個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)，直接確定本工程設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，文中通過(guò)整體水工模型試驗(yàn)，研究驗(yàn)證石頭峽水電站泄洪洞設(shè)計(jì)合理性，對(duì)泄洪洞“龍?zhí)ь^”段、出口挑坎進(jìn)行優(yōu)化，以為工程的安全設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

石頭峽水電站位于青海省門源縣大通河上，是“引大濟(jì)湟”跨流域調(diào)水工程的龍頭水庫(kù)，為Ⅱ等大（2）型工程。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等組成。泄洪洞布置在大壩左岸山體，為導(dǎo)流與泄洪合一型式，泄洪洞進(jìn)口段為有壓短洞，采用弧形閘門控制泄流，后半部分利用原導(dǎo)流洞，泄洪洞與原導(dǎo)流洞采用“龍?zhí)ь^”型式連接。設(shè)計(jì)水位3 087.02 m時(shí)，泄洪洞閘門全開(kāi)下泄流量為539.96 m3/s；校核水位3 088.54 m時(shí)，泄洪洞閘門全開(kāi)下泄流量為546.37 m3/s[10]。

2 模型設(shè)計(jì)制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則[11]設(shè)計(jì)，為正態(tài)模型，考慮供水能力、場(chǎng)地大小及市售試驗(yàn)材料糙率，選定模型幾何比尺為1∶54.54。其他物理量相似比尺見(jiàn)表1。

表1 各主要物理量相似比尺

2.2 模型制作與量測(cè)

泄洪洞整體模型采用有機(jī)玻璃制作，以便觀察水流流態(tài)；庫(kù)區(qū)模擬范圍為泄洪洞進(jìn)水口前160 m，進(jìn)水口左右各90 m，下游河道模擬范圍為自泄洪洞出口以下260 m，庫(kù)區(qū)地貌、下游河道和壩體表面皆以水泥砂漿抹面。制作模型地形時(shí)采用斷面法，斷面疏密程度取決于地形的復(fù)雜程度[10]。

試驗(yàn)中，時(shí)均壓力用測(cè)壓管測(cè)量；流速采用畢托管和旋漿流速儀測(cè)量；水位用水位測(cè)針測(cè)量，流量采用四角量水堰測(cè)量，采用文獻(xiàn)［12］中公式計(jì)算流量：

式中：Q——流量，m3/min；k——系數(shù)k=107.1+H——量水堰堰頂水頭，m；B——量水堰堰寬，m；b——量水堰缺口寬度，m；D——量水堰底部至缺口處高度，m。

3 原設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)成果分析

原設(shè)計(jì)體型泄洪洞進(jìn)口段曲線及閘門槽等部位均未出現(xiàn)負(fù)壓，不易發(fā)生空蝕現(xiàn)象。存在的問(wèn)題是：設(shè)計(jì)及校核水位下、閘門全開(kāi)時(shí)，“龍?zhí)ь^”段呈明滿流交替狀態(tài)，射流沖擊洞頂，不利于泄洪洞安全運(yùn)行。分析原因認(rèn)為：閘室出口段與泄洪洞斜坡段豎曲線采用圓弧，不符合自由射流水流運(yùn)動(dòng)軌跡，使得水流流態(tài)較差，需優(yōu)化泄洪洞體型。

4 泄洪洞體型優(yōu)化

4.1 “龍?zhí)ь^”段體型優(yōu)化

4.1.1 泄洪洞修改方案Ⅰ試驗(yàn)成果

為消除原設(shè)計(jì)體型泄洪洞“龍?zhí)ь^”段不良水流流態(tài)，提出泄洪洞修改方案Ⅰ：閘室出口段與泄洪洞斜坡段豎曲線改為渥奇曲線，曲線方程為x2=150y；“龍?zhí)ь^”段斷面由圓形改成城門洞型。

1）水流流態(tài)。庫(kù)水位較低（低于3 070 m）時(shí)，由閘室孔口射出的水流軌跡方程較“瘦”，渥奇段底面對(duì)水流有一定頂托作用，渥奇段水流流態(tài)較平穩(wěn)，水舌基本貼底。隨著庫(kù)水位增加，閘室出口水流流速加大，明顯呈射流狀態(tài)，“龍?zhí)ь^”段水舌有脫壁的趨勢(shì)，沿程水深變化較大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“龍?zhí)ь^”段中部偏下位置，水深最小，在反弧段又增加。同時(shí)，水面比較粗糙，無(wú)穩(wěn)定且平順的水面。庫(kù)水位3 080 m以上，尤其達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)水位時(shí)，射流沖擊洞頂。

2）泄流能力。設(shè)計(jì)水位時(shí)，泄流量比設(shè)計(jì)計(jì)算值大21%，泄洪洞泄流能力滿足要求。

3）壓力分布。在泄洪洞進(jìn)口段布置21個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，“龍?zhí)ь^”段布置25個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，以量測(cè)泄洪洞壁面壓強(qiáng)，評(píng)估發(fā)生空蝕的可能性。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泄洪洞進(jìn)口段各部位壓力較高，不存在負(fù)壓，發(fā)生空蝕的可能性較小。在檢修閘門后頂板（壓坡段）處，特別是通氣孔位置，設(shè)計(jì)水位下壓力為15.0×9.8 kPa。因此，在此部位設(shè)置通氣孔不能達(dá)到給閘后明流段通氣的目的。

修改方案Ⅰ渥奇段方程斜率較大，庫(kù)水位從3 058.37 m至校核水位3 088.54 m區(qū)間，渥奇段都測(cè)得了負(fù)壓，且?guī)焖辉礁?，?fù)壓值越大。泄洪洞最大負(fù)壓出現(xiàn)在“龍?zhí)ь^”段起始端距渥奇段起始點(diǎn)約10 m處，設(shè)計(jì)水位時(shí)為-3.82×9.8 kPa，校核水位時(shí)為-4.31×9.8 kPa。分析原因認(rèn)為：渥奇曲線方程（x2=150y）的斜率偏大，致使射流水舌有脫壁的趨勢(shì)。按照我國(guó)相關(guān)規(guī)范要求，泄水建筑物壁面負(fù)壓不得超過(guò)（-3～-6）×9.8 kPa。因此，需進(jìn)一步優(yōu)化渥奇段體型，以減小負(fù)壓值和負(fù)壓范圍，避免發(fā)生空蝕。

4.1.2泄洪洞修改方案Ⅱ試驗(yàn)成果

為消除修改方案Ⅰ存在的渥奇段負(fù)壓較大、流態(tài)較差等問(wèn)題，提出修改方案Ⅱ：將“龍?zhí)ь^”段渥奇曲線方程由x2=150y修改為x2=300y，增大渥奇系數(shù)，放緩渥奇段斜率，增加壁面對(duì)水流頂托作用，以增大壁面壓力；在閘室設(shè)置突擴(kuò)突跌設(shè)施。

1）水流流態(tài)。由于“龍?zhí)ь^”段壁面斜率放緩，壁面對(duì)水流頂托作用顯著，水流脫壁現(xiàn)象得到遏制，設(shè)計(jì)及校核水位下，“龍?zhí)ь^”段水流平順，未發(fā)生水流沖擊洞頂現(xiàn)象。

2）壓力分布。在閘室突擴(kuò)突跌段與“龍?zhí)ь^”段共布置38根測(cè)壓管。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，修改方案Ⅱ渥奇段壁面壓力得到提高，設(shè)計(jì)及校核水位下均未測(cè)得負(fù)壓，且水流流態(tài)良好，說(shuō)明優(yōu)化體型設(shè)計(jì)合理，減蝕作用明顯。設(shè)計(jì)水位下“龍?zhí)ь^”段壁面壓力見(jiàn)圖1。閘室突擴(kuò)突跌段亦未測(cè)得負(fù)壓，故此處摻氣效果有待評(píng)估。

圖1 設(shè)計(jì)水位下修改方案Ⅱ“龍?zhí)ь^”段壓力分布

4.2 泄洪洞出口挑坎優(yōu)化

4.2.1 原設(shè)計(jì)挑坎試驗(yàn)成果

原設(shè)計(jì)挑坎為等寬挑坎，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)水位下水舌挑距為67.0 m，校核水位下挑距為69.0 m。存在的問(wèn)題是：水舌方向(即泄洪洞軸線方向)與河道軸線的夾角太大，約為70°。水舌落入河道后直接沖向?qū)Π?，可能?yán)重沖刷河岸。因此，需對(duì)挑坎體型進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整水舌的出射角度，使得水舌盡量歸槽。

4.2.2 修改后挑坎試驗(yàn)成果

針對(duì)原設(shè)計(jì)挑坎挑射水舌與河道夾角較大，易沖刷河岸的問(wèn)題，采用擴(kuò)散挑坎，以利于水舌歸槽。經(jīng)優(yōu)化后，設(shè)計(jì)水位時(shí)擴(kuò)散挑坎水舌挑距為79.1 m，校核水位下挑距為80.7 m。水舌經(jīng)挑坎后呈冠狀，水冠寬約15 m。水舌出射角度得到調(diào)整，水流基本歸槽。

5 結(jié)語(yǔ)

采用水工模型試驗(yàn)方法對(duì)石頭峽水電站泄洪洞進(jìn)行了研究，指出設(shè)計(jì)體型存在的問(wèn)題，對(duì)泄洪洞渥奇段、出口挑坎進(jìn)行了優(yōu)化。

1）設(shè)計(jì)體型泄洪洞，泄流水頭較高時(shí)，洞內(nèi)呈明滿流交替狀態(tài)，射流水舌沖擊洞頂，不利于泄洪洞安全。

2）修改方案Ⅰ泄洪洞，泄流水頭較低時(shí)，洞內(nèi)水流流態(tài)較平穩(wěn)，水舌基本貼底；泄流水頭較大時(shí)，“龍?zhí)ь^”段水舌有脫壁的趨勢(shì)。設(shè)計(jì)及校核水位下，洞內(nèi)最大負(fù)壓值分別為-3.82×9.8 kPa、-4.31×9.8 kPa，不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3）修改方案Ⅱ泄洪洞，設(shè)計(jì)及校核水位下，“龍?zhí)ь^”段水流平順，未發(fā)生水流沖擊洞頂現(xiàn)象，渥奇段未測(cè)得負(fù)壓，渥奇段體型優(yōu)化方案合理。

4）原設(shè)計(jì)挑坎為等寬挑坎，挑流水舌落入河道后沖向?qū)Π叮滋运镀?；采用擴(kuò)散挑坎后，水舌出射角度得到調(diào)整，水流基本歸槽。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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［2］鄧軍，許唯臨，雷軍.高水頭岸邊泄洪洞水力特性的數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（10）：1209-1212，1218.

［3］夏慶福，孫雙科，王曉松.小灣水電站泄洪洞水力學(xué)問(wèn)題試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究［J］.水利水電技術(shù)，2005（10）：12-16.

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［8］張文遠(yuǎn)，張東，楊帆.吉音水利樞紐豎井旋流泄洪洞水力特性試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2015，46（11）：130-133.

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［10］天津大學(xué).石頭峽水電站泄水系統(tǒng)水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：天津大學(xué)水利水電工程系，2009.

［11］左東啟，王世夏，劉大愷.模型試驗(yàn)的理論和方法［M］.北京：水利電力出版社,1984.

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