關于引水式電站首部樞紐水工模型試驗結果分析評價

婁洋 管悅

摘 要：針對某引水式電站實際情況，對其首部樞紐的水工模型試驗進行深入分析，得出庫水位和泄流量之間的關系、水流流態(tài)、下游沖刷等結論，為設計方案合理性驗證提供參考依據(jù)。

關鍵詞：引水式電站;電站首部樞紐;水工模型試驗

某引水式電站以發(fā)電作為主要任務，兼顧為下游生態(tài)環(huán)境提供用水。電站水庫的正常蓄水位為897.00m，總庫容與調節(jié)庫容分別為251.0萬m3、16萬m3，可實現(xiàn)日調節(jié)。其引水隧洞總長約18590m，壓力管總長430m左右。電站共安裝兩臺機組，每臺的容量為50MW，即總裝機容量為2×50MW=100MW。電站的年均發(fā)電總量為4.533×108kW·h?，F(xiàn)以該引水式電站為例，對其首部樞紐對應的水工模型試驗及其結果分析作如下分析。

1 水工模型設計

以水工模型試驗任務基本要求為依據(jù)，水工模型可根據(jù)重力相似準則進行設計，將模型和實體的幾何比例確定為1：70，同時，將上游作為定床，將下游作為動床模型，各物理量的比尺為：

（1）幾何比尺：比尺關系為λL，比尺數(shù)值為70;

（2）流速比尺：比尺關系為λv=λ0.5L，比尺數(shù)值為8.367;

（3）流量比尺：比尺關系為λQ=λ2.5L，比尺數(shù)值為40996.341;

（4）壓力比尺：比尺關系為λP=λL，比尺數(shù)值為70;

（5）時間比尺：比尺關系為λt=λ0.5L，比尺數(shù)值為8.367;

（6）糙率比尺：比尺關系為λn=λ1/6L，比尺數(shù)值為2.030[1]。

為對沖刷坑范圍與坑深進行觀測，在泄洪下游，由護坦末端到0+245.00處應視為局部動床，其深度在18m左右，最低處的高程在843.5m左右。對于沖刷料粒徑，可使用以下公式計算確定：

V抗沖=5～7d（1）

式（1）中，V抗沖表示抗沖流速，單位：m/s，包括河床基巖與覆蓋層，其中，河床基巖處抗沖流速在7-8m/s范圍內(nèi)，而覆蓋層在4-5m/s范圍內(nèi)。根據(jù)類似工程相關經(jīng)驗，基巖粒徑在14-28mm范圍內(nèi)，覆蓋層粒徑在4-14mm范圍內(nèi)，在857.5m以下，主要按照基巖沖刷料進行鋪設，而在857.5m以上，主要按照覆蓋層沖刷料進行鋪設[2]。

2 試驗主要內(nèi)容與成果

2.1 試驗主要內(nèi)容

（1）以閘具體狀況為參考依據(jù)，對閘孔實際布置做分析驗證，然后結合驗證后得出的結果，確定相應的方案。

（2）根據(jù)工程的推薦方案，對每一種設計頻率對應的泄洪能力做現(xiàn)場測定;分析開啟狀態(tài)下開度與泄洪量間保持的關系，然后繪制出水位與流量變化曲線。

（3）采用試驗的方法為下游制定專門的防沖措施，并對護坦的長度、坡度與防沖齒槽實際深度等進行驗證及優(yōu)化，以保證護坦的長度、坡度與防沖齒槽實際深度等的合理性。

2.2 試驗主要成果

（1）庫水位和泄流量之間的關系。如果閘門全開，則試驗率定流量略大于設計計算值，當水位為設計水位，流量的實測值與計算值分別為2714.3m3/s、2720m3/s，相比之下前者略小;當水位為校核水位，流量的實測值與計算值分別為4954.65m3/s、4610m3/s，前者比后者大7.4%。根據(jù)試驗結果可知，在4610m3/s的泄放校核流量條件下，泄洪建筑物具有的泄流能力可以達到設計要求[3]。

（2）水流流態(tài)。上游段水流與原河道以自然狀態(tài)銜接，該段河流有較高縱比降，而且水流速度很快。無論是沖沙閘還是泄洪閘，其水流均和河道中的主流保持順應，但閘前水面極易出現(xiàn)波動，造成這一現(xiàn)象的原因為上游水流速度較快。如果庫水位持續(xù)升高，則不會出現(xiàn)水流分離的現(xiàn)象。

護坦內(nèi)水流屬于典型的急流，從它的流態(tài)可以看出，若從泄洪閘的角度分析，相比之下對稱開啟最為穩(wěn)妥，基于此，運行時泄洪閘的三孔建議均勻開啟。而在護坦末尾段，水流呈波狀和下游河道直接相接，不同特征水位對應的波浪高度為：3年一遇洪水，與護坦末端相距12.6m的距離時，波浪高度為2.1m;10年一遇洪水，與護坦末端相距41.3m的距離時，波浪高度為2.5m;30年一遇洪水，與護坦末端相距35.0m的距離時，波浪高度為4.5m;50年一遇洪水，與護坦末端相距54.6m的距離時，波浪高度為6.0m;100年一遇洪水，與護坦末端相距56.0m的距離時，波浪高度為6.6m;1000年一遇洪水，與護坦末端相距59.5m的距離時，波浪高度為8.8m;當沖沙閘為全開，而泄洪閘為局部開啟1m，且與護坦末端相距42.0m的距離時，波浪高度為7.8m。

（3）下游沖刷。試驗對不同頻率條件下的洪水沖刷進行試驗，沖刷持續(xù)2h之后，對沖刷坑的地形進行量測。根據(jù)量測結果可以看出：左岸的沖刷坑比右岸的深，其原因在于水流在護坦的末端向外流出以后，由于受到地形因素的影響使水流不斷向左岸集中，導致左岸的單寬流量比右岸大。在護坦的后右岸，存在一個狹長，但相對較弱的回流，回流的方向為順時針。不同頻率洪水對應的沖刷高層都比護坦的末端低[4]。

3 結論

通過以上試驗和總結分析，可得出下列結論：

（1）根據(jù)整體流態(tài)，泄水建筑物整體布局和體形設計都能達到要求。

（2）若閘門處在全開的狀態(tài)，實測率定流量比計算流量大，在設計水位，實測流量比計算流量小0.2%，而在校核水位，實測流量與計算流量大7.4%，可以達到泄量要求。

（3）根據(jù)下游沖刷試驗結果可以看出，位于左岸的沖刷坑，其深度比右岸大，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于護坦后下游部位河道向右岸發(fā)生彎曲，使水流不斷向左岸的方向集中，而且護坦后右岸還存在回流區(qū)，導致右岸的沖刷深度明顯增加。

參考文獻：

[1]周旭銳.新疆某水利樞紐工程泄洪閘水工模型試驗研究[J].陜西水利，2019（5）：126-128+111.

[2]余雪峰，董玉文，邱勇.曲線型消力池消能特性及優(yōu)化設計模型試驗研究[J].廣西水利水電，2017（4）：12-15.

[3]白兆亮，李琳，王苗.某渠首工程整體水工模型試驗研究[J].水資源與水工程學報，2014，25（1）：22-23.

[4]鮑倩，王月華，屠興剛.朱家站水閘水工模型試驗研究[J].浙江水利科技，2013，41（3）：55-56.