關(guān)于引水式電站首部樞紐水工模型試驗結(jié)果分析評價

馮濟(jì)慈

摘要：本文介紹了以新疆新能大山口二級水電站首部樞紐水工模型試驗為基礎(chǔ)，通過水工模型試驗，驗證、優(yōu)化泄洪建筑物的布置，著重對原方案建筑物在不同洪水流量下的泄流能力，和泄流出口的消能防沖效果等做出評價，提出優(yōu)化調(diào)度運行方式。

Abstract： Based on the hydraulic model test of the first hub of Dashankou II Hydropower Station in Xinneng， Xinjiang， this paper verifies and optimizes the layout of flood discharge structures through hydraulic model test， emphatically evaluates the discharge capacity of the original structure under different flood discharge and the effect of energy dissipation and scouring prevention at the outlet of flood discharge and puts forward optimizing dispatching operation mode.

關(guān)鍵詞：水工模型;試驗研究;評價;優(yōu)化方案

Key words： hydraulic model;experimental study;evaluation;optimization scheme

中圖分類號：TV131.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0250-02

0? 引言

新疆地處祖國西北，南北疆、各區(qū)域間水資源分布不均，水利水電工程開發(fā)對電力供給、農(nóng)業(yè)灌溉、調(diào)洪減災(zāi)、城市供水給水和生態(tài)環(huán)境治理等多方面均做出了巨大貢獻(xiàn)。首部樞紐作為引水式水電站建設(shè)中的一個主要部分，在水電站建設(shè)中起著重要作用，首部樞紐布置是否合理，直接影響到水電站發(fā)電機組的性能、安全性、經(jīng)濟(jì)性及其他風(fēng)險等關(guān)鍵問題。本文以新疆新能大山口二級水電站首部樞紐為研究對象，通過水工模型試驗，驗證、優(yōu)化泄洪建筑物的布置，并著重對首部樞紐泄流能力和消能防沖效果進(jìn)行分析，提出優(yōu)化原方案的建議。

1? 工程概況。

大山口二級水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，開都河規(guī)劃梯級開發(fā)中的第8級，大山口二級水電站以發(fā)電為主，水電站引水發(fā)電流量227m3/s，正常蓄水位1351.3m（接大山口電站尾水），尾水高程1316.5m，裝機容量49.5MW，由裝機容量確定水電站工程等別為Ⅳ等。首部樞紐主要建筑物包括溢流堰、泄洪沖沙閘等。溢流堰布置在河道左岸河床，WES堰型，堰頂高程1351.3m。泄洪沖沙閘共四孔，閘底板高程1345.4m，閘頂高程1354.0m。引水建筑物布置于河道右岸，水電站進(jìn)水口位于泄洪沖沙閘上右側(cè)，為開敞式建筑，設(shè)五孔閘室控制，閘底板高程1346.4m。引水隧洞總長3.03km，圓形斷面，直徑為9.5m。

2? 設(shè)計參數(shù)

2.1 試驗流量與水位

校核洪水頻率P=0.5%，重現(xiàn)期為200年一遇，相應(yīng)洪峰流量1661.4m3/s，校核洪水位1352.77m。設(shè)計洪水頻率P=2%，重現(xiàn)期為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量1227.5m3/s，設(shè)計洪水位1351.74m。多年平均流量：110.45m3/s。正常引水位：1351.30m。泄洪沖沙閘：設(shè)計流量1116.44m3/s，校核流量1397.18m3/s。溢流堰：設(shè)計流量49.94m3/s，校核流量266.36m3/s。水電站：引水發(fā)電流量227.0m3/s。另選30年一遇（P=3.3%），相應(yīng)洪峰流量1134.0m3/s;20年一遇（P=5%），相應(yīng)洪峰流量1027.8m3/s;10年一遇（P=10%），相應(yīng)洪峰流量827.8m3/s;5年一遇（P=20%），相應(yīng)洪峰流量641.0m3/s;2年一遇（P=50%），相應(yīng)洪峰流量412.0m3/s等作為系列流量。發(fā)電廠房最低尾水位：1314.60m;正常尾水位：1316.50m。

3? 水工模型試驗成果

泄流能力：

3.1 溢流堰

當(dāng)堰前水位為1351.74m時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關(guān)情況下，溢流堰通過流量Q=28.45m3/s。當(dāng)堰前水位為1352.77m時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關(guān)情況下，溢流堰通過流量Q=231.86m3/s。

上述試驗表明原設(shè)計方案中提供的設(shè)計水位1351.74m和校核洪水位1352.77m情況下通不過設(shè)計流量Q=49.94m3/s和校核洪水流量Q=266.36m3/s（以上為試驗任務(wù)書中提供的計算值）。鑒于該情況，進(jìn)行以流量定水位系列試驗。

當(dāng)施放200年一遇校核洪水流量Q=1661.4m3/s時，在泄洪沖沙閘4孔全開、引水閘全關(guān)的情況下，堰前水位經(jīng)測定為1352.43m。

當(dāng)施放50年一遇設(shè)計洪水流量Q=1227.5m3/s時，在泄洪沖沙閘4孔全開、引水閘全關(guān)的情況下，堰前水位經(jīng)測定為1351.66m。

當(dāng)施放溢流堰校核流量Q=266.36m3/s時，在泄洪沖沙閘和引水閘全關(guān)情況下，堰前水位經(jīng)測定為1352.84m。

當(dāng)施放溢流堰設(shè)計流量Q=49.94m3/s時在泄洪沖沙閘和引水閘全關(guān)情況下，堰前水位經(jīng)測定為1351.92m。

溢流堰水位～流量關(guān)系曲線見圖1，溢流堰下泄校核洪峰流量Q=266.36m3/s，見圖2。從整體看，溢流堰上下游流態(tài)基本平穩(wěn)。

3.2 泄洪沖沙閘

當(dāng)4孔泄洪沖沙閘全開、下泄校核洪水流量1397.18m3/s時，閘前水位為1352.52m。低于校核洪水位1352.77m。

當(dāng)4孔泄洪沖沙閘全開、下泄設(shè)計洪水流量1116.44m3/s時，閘前水位為1351.39m，低于設(shè)計洪水位1351.74m。水位～流量關(guān)系曲線見圖3。

當(dāng)閘前水位為校核水位1352.77m時，泄洪沖沙閘下泄流量1478.23m3/s，當(dāng)閘前水位為設(shè)計洪水位1351.74m時，泄洪沖沙閘下泄流量1324.32m3/s。

泄洪沖沙閘的布置和上游來流方向一致，故在施放校核、設(shè)計洪水流量時，水流順利通過泄洪沖沙閘，水流流態(tài)平穩(wěn)。

3.3 引水閘

當(dāng)引水閘引水流量Q=227.0m3/s時，閘前水位1351.30m基本符合原設(shè)計情況。引水閘全開時的水位～流量關(guān)系曲線見圖4。

4? 溢流堰出口消能防沖效果

溢流堰出口消能防沖采用混凝土護(hù)坦和鉛絲石籠護(hù)坦結(jié)合的形式，護(hù)坦長25m，護(hù)坦末端與長30m、深1m的水平鉛絲石籠護(hù)坦連接，鉛絲石籠護(hù)坦段末端是長為116m的下游河道整治段。當(dāng)溢流堰下泄校核洪峰流量266.36m3/s時，堰后出口消能段流態(tài)平穩(wěn)，鉛絲石籠護(hù)坦穩(wěn)定，其末端局部最大沖坑約1.5m深。

5? 泄洪沖沙閘出口消能段防沖效果

泄洪沖沙閘閘后消能防沖也采用混凝土護(hù)坦和鉛絲石籠護(hù)坦結(jié)合的形式，護(hù)坦長21.0m。護(hù)坦末端與長28m、深3m的鉛絲石籠護(hù)坦段連接，鉛絲石籠護(hù)坦段末端為145.7m長得下游河道整治段。當(dāng)4孔泄洪沖沙閘下泄校核洪水流量1397.18m3/s時，閘后出口消能段流態(tài)基本正常，無水花四濺現(xiàn)象，據(jù)量測，閘后護(hù)坦處平均水深5.14m、平均流速9.23m/s;鉛絲石籠處平均水深6.19m、平均流速7.67m/s。當(dāng)4孔泄洪沖沙閘下泄設(shè)計洪水流量1116.44m3/s時，閘后出口消能段流態(tài)同于校核工況。據(jù)量測，閘后護(hù)坦處平均水深3.27m、平均流速8.78m/s，鉛絲石籠處平均水深4.28m、平均流速7.14m/s。在校核、設(shè)計工況下，護(hù)坦末端鉛絲石籠設(shè)置區(qū)后均出現(xiàn)水躍。由于鉛絲石籠設(shè)置于軟基上，鉛絲石籠后部及底部軟基被淘刷，校核流量施放了三次，累積時間為1.7小時，設(shè)計流量施放了三次，累積時間為2.5小時，鉛絲石籠段后沖刷坑最大深度達(dá)7.98m，沖刷坑最寬處為71.5m，影響范圍約3460平方米。

6? 結(jié)束語

從施放設(shè)計、校核流量的整體情況來看，樞紐進(jìn)出口流態(tài)較平穩(wěn)，上下游水面銜接良好，流速分布較均勻。溢流堰在設(shè)計和校核洪水位時，其泄流量為28.45m3/s和231.86m3/s，但泄洪沖沙閘在設(shè)計和校核洪水位時的泄流量為1324.32 m3/s和1478.23m3/s?？梢姡谠O(shè)計和校核洪水位時，樞紐的綜合泄流能力能夠滿足設(shè)計要求。泄洪沖沙閘的鉛絲石籠護(hù)坦后沖坑較深，長時間過設(shè)計流量時，有可能破壞護(hù)坦，甚至危及閘室穩(wěn)定，建議適當(dāng)延長和加深護(hù)坦后的拋石護(hù)底。

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