修山水電站樞紐工程水工模型試驗(yàn)研究

鐘砥寧,王均星

(1.廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511340;2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,湖北 武漢 430072)

1 工程概況[1]

修山水電站位于湖南省桃江縣境內(nèi)資水干流下游，控制流域面積為2.7萬(wàn)km2，占資水流域面積的94.6%，多年平均流量為739.0 m3/s。電站以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)等綜合效益。水庫(kù)正常蓄水位為43.0 m，死水位為41.0 m，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)為46.47 m，校核洪水位(P=0.2%)為50.0 m，正常蓄水位以下庫(kù)容為0.44億m3，總庫(kù)容為1.59億m3?？傃b機(jī)為65 MW，多年平均發(fā)電量為2.76億度。工程水位流量關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 主要工程水位流量關(guān)系

樞紐壩長(zhǎng)為866 m，從左到右次為左岸非溢流壩段、船閘段、泄水閘壩段、廠房(安裝間)段和右岸非溢流壩段。其中，廠房安裝5臺(tái)13 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。泄水閘為24孔，孔口凈尺寸為14.0 m×7.5 m(寬×高)。消力池位于閘壩段中部(6孔)，兩側(cè)為護(hù)坦段。船閘等級(jí)為Ⅴ級(jí)，通航噸位為300 t。左岸非溢流壩為砼防滲心墻土石壩，右岸非溢流壩為砼重力壩，開(kāi)關(guān)站設(shè)在下游右岸臺(tái)地(如圖1所示)。

圖1 樞紐平面布置示意

2 水工模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用佛汝德模型定律(重力相似定律)設(shè)計(jì)為正態(tài)模型[2]。整體水工模型長(zhǎng)度比例：Lr=100，時(shí)間比例：Tr=10，流速比例：Vr=10，流量比例：Qr=100 000。截取原型壩軸線上游1.2 km和下游0.8 km的河段范圍。

泄水閘斷面模型，長(zhǎng)度比例：Lr=20，時(shí)間比例：Tr=4.472，流速比例：Vr=4.472，流量比例：Qr=1 788.854。

試驗(yàn)河段沿程布設(shè)9個(gè)流速測(cè)量斷面和9個(gè)水位測(cè)點(diǎn)。采用電磁流量計(jì)控制流量，電腦流速儀測(cè)流速，水位測(cè)針測(cè)水位，測(cè)壓管量測(cè)壓力。

泄水閘和溢流堰采用有機(jī)玻璃制作，其余部位為磚石砌體。模型河段采用模板法建造，石渣回填，砂漿抹面。

3 導(dǎo)墻及導(dǎo)航墻的優(yōu)化布置試驗(yàn)研究

3.1 樞紐導(dǎo)墻優(yōu)化布置試驗(yàn)研究

樞紐上游導(dǎo)墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)為75.0 m。近壩60.0 m內(nèi)頂▽43.0 m，其余頂▽35.0 m。試驗(yàn)中，測(cè)試和研究了試驗(yàn)河道范圍的流態(tài)及流速分布。其中，10年一遇洪水河道流速見(jiàn)表2。

表2 河道流速(Q=8 950 m3/s,P=10%) m/s

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，右岸上游受河道收縮(收縮角60°)及附近沙洲影響，在流量Q>6 560 m3/s(P=50%)的各級(jí)流量條件下，導(dǎo)墻上游段49 m范圍產(chǎn)生不同程度橫向流，流速為2.0～3.0 m/s，對(duì)泄水閘右1、右2和右3孔的泄水作用減弱。Q<8 950 m3/s(P=20%)時(shí)，右3孔與導(dǎo)墻間的三角區(qū)域出現(xiàn)回流，閘室產(chǎn)生1.12～0.78 m/s負(fù)流速；當(dāng)Q>10 900 m3/s(P=5%)時(shí)，橫向流作用減弱，右邊孔不再出現(xiàn)負(fù)流速。

為減少上述不利影響，可考慮將導(dǎo)墻縮短，頂高程降低，但從電站運(yùn)行角度分析，過(guò)短的導(dǎo)墻會(huì)使電站進(jìn)水口前水流橫向流速加大，影響發(fā)電[3-4]。經(jīng)比較試驗(yàn)，將導(dǎo)墻上游段長(zhǎng)設(shè)為26 m，頂▽36.0 m，近電站進(jìn)水口段長(zhǎng)設(shè)為26.0 m，頂▽42.0 m。橫向流有較大程度減弱，導(dǎo)墻上游附近最大橫向流速<0.4 m/s，對(duì)泄水閘右邊3孔的泄流影響已不明顯。新方案取得較好效果(如圖2所示)。

圖2 樞紐上游導(dǎo)墻平面示意(單位：尺寸mm，高程m)

各級(jí)流量條件下，電站尾水渠出口水流水面平穩(wěn)、水位穩(wěn)定。但導(dǎo)墻下游采用過(guò)長(zhǎng)的弧形段，迫使水流改向，向河心集中，局部流態(tài)變差，降低了泄水閘右1、右2兩孔的泄流能力。上游來(lái)流量大于電站停機(jī)流量(4 000 m3/s)后，尾水渠無(wú)水流下泄，出口一定范圍內(nèi)出現(xiàn)局部回流，流速為0.6～0.9 m/s，存在泥沙淤積現(xiàn)象。

經(jīng)比較試驗(yàn)，將電站尾水渠導(dǎo)墻下游弧線段中心角由37°改為15°，縮短弧長(zhǎng)，導(dǎo)墻長(zhǎng)度縮短(如圖3b所示)。泄水閘右1、右2兩孔的泄流能力得到了明顯提高，尾水渠出口下游回流現(xiàn)象消失，且當(dāng)電站恢復(fù)過(guò)流后，下泄尾水有足夠清淤能力，原淤積于出口的泥沙被發(fā)電尾水帶走，不影響正常發(fā)電[5]。

圖3 樞紐下游導(dǎo)墻平面示意

3.2 上下游導(dǎo)航墻優(yōu)化布置試驗(yàn)研究

原設(shè)計(jì)導(dǎo)墻長(zhǎng)為56.0 m，頂▽44.0 m。船閘運(yùn)行期，上游水位保持正常蓄水位為43.0 m。受上游沙洲影響，過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)墻使得沙洲與導(dǎo)墻間形成一狹窄過(guò)流通道，水流下泄不暢，造成壅水和橫向流。船閘上游水位高于43.0 m，水流漫過(guò)墻頂形成堰流，產(chǎn)生橫向流速為1.0～2.0 m/s，不滿足船閘運(yùn)行要求[6]。

試驗(yàn)中考察了2種導(dǎo)墻形式：方案1，實(shí)體導(dǎo)墻，長(zhǎng)度縮短為30.0 m，頂▽44.0 m；方案2，維持原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，近壩30.0 m段用實(shí)體導(dǎo)墻(頂▽44.0 m)，30.0～56.0 m段采用格樁墻，為利于排沙，格樁底部連續(xù)實(shí)體墻的頂高程低于設(shè)計(jì)淤沙高程。試驗(yàn)表明：方案1，船閘正常運(yùn)行期導(dǎo)墻上游側(cè)最大橫向流速約0.5 m/s；方案2，格樁墻范圍內(nèi)最大橫向流速均小于0.3 m/s，故采用方案2(如圖4所示)。

圖4 船閘上游導(dǎo)航墻立面示意(單位：尺寸mm，高程m)

船閘下游導(dǎo)墻布設(shè)，主要考慮末端附近有無(wú)回流及橫向流作用。試驗(yàn)最終將船閘下游導(dǎo)航墻尾段縮短25 m，其余段維持不變。導(dǎo)墻頂高程按電站停機(jī)流量(相應(yīng)下游水位40.066 m)控制，可降到▽41.5 m，如圖5b所示。下游端附近無(wú)橫向流及回流現(xiàn)象，滿足船閘通航要求[6]。

圖5 船閘下游導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)示意

4 下游消能防沖試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)水文組次

根據(jù)泄水閘調(diào)度運(yùn)行方式下的下游水位流量關(guān)系，選取有代表性的水文組次作為消能防沖建筑物和閘門(mén)運(yùn)用的試驗(yàn)水文條件[7](見(jiàn)表3)。

表3 試驗(yàn)水文組次

4.2 原設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案研究

樞紐設(shè)24孔泄水閘，下游消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。消力池尺寸為27 m×2.5 m(長(zhǎng)×深)，位于泄水閘壩段中部(9孔)，池后設(shè)10 m長(zhǎng)護(hù)坦，之后1：10斜坡與下游河床相接；其余閘孔采用平底護(hù)坦，護(hù)坦長(zhǎng)為26 m。水閘下泄流量分為5種運(yùn)行工況(見(jiàn)表4)。

表4 泄水閘運(yùn)行工況

針對(duì)設(shè)計(jì)閘下消能防沖的不同工況進(jìn)行研究。閘門(mén)開(kāi)度須適應(yīng)下游水位，避免水躍沖出消力池，表面波浪過(guò)大等影響。不同工況需形成的閘下水流流態(tài)為：①Q(mào)≤1 000 m3/s，確保水躍發(fā)生在消力池范圍內(nèi)；② 1 000 m3/s

為確保上述流態(tài)形成，不同下游水位條件下，對(duì)閘門(mén)開(kāi)度有一定限制。圖6反映了特定下游水位時(shí)，閘門(mén)開(kāi)度的最大允許值，以此確定閘門(mén)開(kāi)度。

圖6 消能防沖安全開(kāi)度與下游水位關(guān)系曲線示意

4.3 推薦方案試驗(yàn)研究

為適應(yīng)電站低水頭大流量泄洪特點(diǎn)，方案布置、選擇底流消能方式總體是合理的，整體泄洪能力滿足，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，某些建筑物布置及尺寸需優(yōu)化。

4.3.1下游護(hù)坦

如上所述，護(hù)坦段閘門(mén)開(kāi)啟條件是Q>1 000 m3/s。其中，對(duì)護(hù)坦長(zhǎng)度起決定作用的是工況2。此時(shí)，上游保持正常蓄水位為43.0 m，下游最低水位為36.614 m(流量為1 000 m3/s)，最大水頭差為6.4 m。為復(fù)核護(hù)坦長(zhǎng)度，分析閘水流佛氏數(shù)(見(jiàn)表5)。1 000 m3/s

表5 護(hù)坦段出閘水流佛氏數(shù)

由表5可知：對(duì)護(hù)坦段下游消能防沖起控制作用的流量為1 500 m3/s。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在淹沒(méi)閘孔出流條件下不能產(chǎn)生水躍，出閘淹沒(méi)射流影響范圍在距閘墩尾部16.0 m內(nèi)，以此確定護(hù)坦長(zhǎng)度為16.0 m，推薦方案如圖7所示。

圖7 護(hù)坦段斷面示意(單位：尺寸mm，高程m)

4.3.2消力池

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用斜坡消力池，對(duì)水位變化的適應(yīng)性較好，不同下游水位條件下均能產(chǎn)生完整水躍[9-10]。根據(jù)設(shè)計(jì)消能防沖工況1時(shí)，消力池最大下泄流量為1 000 m3/s。為確定消力池尺寸，實(shí)測(cè)各級(jí)流量水躍產(chǎn)生情況分別為了100 m3/s、200 m3/s、500 m3/s、1 000 m3/s以及大于1 000 m3/s(見(jiàn)表6)。對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)生穩(wěn)定水躍的組次進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表7所示。

表6 消力池水躍試驗(yàn)成果

表7 消力池水躍理論計(jì)算

試驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果均表明，對(duì)消力池孔數(shù)起控制作用的流量為1 000 m3/s，對(duì)池長(zhǎng)起控制作用的流量為500 m3/s。因此，消力池設(shè)計(jì)流量取500 m3/s，相應(yīng)泄水閘上、下游水位為43.0 m、35.639 m。試驗(yàn)與理論計(jì)算所需要消力池長(zhǎng)度分別為22.0 m、28.5 m。試驗(yàn)值偏小，原因是水躍淹沒(méi)度過(guò)大，理論計(jì)算的水躍淹沒(méi)度為1.23(設(shè)計(jì)通常采用1.05)。因此，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。池底高程受壩址區(qū)地質(zhì)條件影響，設(shè)計(jì)▽28.5 m，低于原河床5.5 m，消力池深度足夠，各級(jí)流量條件下均能產(chǎn)生淹沒(méi)水躍[11]。

綜合上述分析，消力池段設(shè)置6孔(泄水閘)，池底▽28.5 m，池長(zhǎng)為22 m；兩側(cè)邊墻高度，按最大躍后水深加一定超高取值，躍后水深最大為5.79 m(流量 1 000 m3/s)，取邊墻高度為7.0 m，相應(yīng)頂▽35.5 m。推薦方案如圖8所示。

圖8 消力池段斷面示意(單位：尺寸mm，高程m)

4.3.3海漫

表8 消力池海漫長(zhǎng)度理論計(jì)算

各級(jí)流量條件下，通過(guò)對(duì)消力池段海漫長(zhǎng)度的計(jì)算，對(duì)長(zhǎng)度起控制作用的工況流量為1 000 m3/s(開(kāi)啟6孔)，此時(shí)長(zhǎng)度為36.29 m。試驗(yàn)取LP=35.0 m，針對(duì)消力池各級(jí)控制流量，進(jìn)行海曼末端沖坑試驗(yàn)，沖坑深為0.83～1.98 m，末端應(yīng)設(shè)置防沖槽[12]。推薦方案如圖8所示。

對(duì)于護(hù)坦段，由于不能形成水躍，消能方式不同于底流消能，上述計(jì)算公式不再適用，須由試驗(yàn)確定其長(zhǎng)度。參考4.3.1敘述，設(shè)計(jì)中僅考慮出閘水流佛氏數(shù)大于2.5的情況，對(duì)應(yīng)下泄流量分別為1 500 m3/s、2 000 m3/s、2 500 m3/s、3 000 m3/s，取其長(zhǎng)度為16.0 m，末端需設(shè)防沖槽[13]。推薦方案如圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該工程整體水工模型和泄水閘斷面模型試驗(yàn)，總結(jié)和論證了工程樞紐布置和消能工設(shè)計(jì)等的合理性和可行性。為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，可供類(lèi)似工程參考。