韓 爽 ，楊 英 ，胡曉霖

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司科學研究院，吉林長春130061；2.水利部綜合事業(yè)局，北京100053）

1 工程概況

雙溝水電站位于吉林省撫松縣境內(nèi)第二松花江上游，是松江河梯級開發(fā)工程的電站之一，上游是小山水電站、下游是石龍水電站。該電站主體由混凝土面板堆石壩、引水式電站、溢洪道以及導流期間臨時工程導流洞、上、下游圍堰等組成。

導流洞總長598.57 m，進口上唇為橢圓曲線，進口底高程為490.00 m，頂高程為506.00 m；出口底高程為487.00 m，頂高程為499.00 m。導流洞洞身斷面為寬12.00 m、高12.00 m的城門洞型，洞底坡度為0.511%，并在導流洞進、出口分別設(shè)有進口橋和出口橋一座。

在雙溝大壩上游設(shè)有一座總長為8.47 m的過江大橋，過江橋為4個橋墩、5孔。橋面高程為515.00 m。

2 試驗研究

試驗研究在比尺為50的正態(tài)模型上進行。

2.1 冰的模擬

雙溝壩區(qū)河道流冰級配見表1。

表1 雙溝壩區(qū)河道流冰級配表

試驗采用石蠟模擬冰塊，觀測其下潛、卡堵后形成冰塞時，對建筑物泄流能力的影響，并由冰塞系數(shù)K分析堵塞程度。

式中：q，q0為某一水位下，導流洞暢流時、發(fā)生冰塞時過流量（m3/s）。

2.2 洪痕驗證

泄放Q=193 m3/s流量進行模型主槽驗證試驗，各洪痕點實測水位與水文站成果值擬合較好，見表2。

表2 Q=193 m3/s洪痕驗證表

2.3 糙率驗證

導流洞糙率是決定泄流能力及洞內(nèi)流態(tài)的重要因素，試驗研究必須保證模型與原形的糙率相似。設(shè)計導流洞底板糙率為0.013、洞壁糙率為0.025，試驗以導流洞的綜合糙率來衡量。

導流洞的綜合糙率n：

式中：n1，n2為導流洞底板與導流洞邊壁的糙率；x1，x2為導流洞底板與導流洞邊壁的濕周。

導流洞綜合糙率計算，由相鄰兩個斷面間的沿程水頭損失hf等于兩斷面的測壓管平均水頭差，即：

式中：H1，H2為入、出流斷面測壓管平均水頭，m。

依據(jù)沿程水頭損失公式，即謝才公式與曼寧公式計算糙率n。

式中：R為過水斷面水力半徑，m；V為過水斷面平均流速，m/s；L為沿程兩過水斷面的距離，m；hf為沿程測壓管測定的水頭損失，m。

試驗通過在導流洞底及側(cè)壁安裝測壓管來測量相鄰斷面的水頭損失，計算此段糙率。驗證導流洞綜合糙率值，見表3。

表3 雙溝電站導流洞原型、模型糙率值

2.4 研究成果

2.4.1 冰塊尺寸為第Ⅰ類型

1）施放11級洪水僅在流量為268 m3/s時，大橋橋墩前近15 m范圍內(nèi)，冰蓋不為并置型，有羅列與疊加的冰塊呈緊湊的、密集的堆積現(xiàn)象。

2）若不采取破冰措施，大部分冰塊將堆積在過江橋橋墩前，不能順利下行（僅Q=373 m3/s有個別冰塊通過橋孔）。并置的冰塊使過江橋前水位壅高0.24～1.73 m。其中橋前25 m水位最大涌高為1.93 m（泄量268 m3/s）。過江橋前的最大冰塞系數(shù)K為0.39。

3）可自行通過江橋的個別冰塊，受導流洞進口橋墩的阻擋，幾乎全部堆在此橋前并沿河道平鋪，造成水位壅高0～1.48 m，但不存在冰塊堵塞現(xiàn)象。

4）若采取行冰措施使冰塊通過導流洞進口橋，那么無論大、小流量均有封堵導流洞進口的情況發(fā)生，特別是流量越小，冰塊堵塞導流洞進口的概率越大。當采取一定措施使冰塊可以沿著導流洞進口平順下行的時候，在導流洞出口橋前冰塊同樣受橋墩的制約，在橋前形成冰塊的堵塞，流量越小，冰塊卡堵左側(cè)1～2孔的機會越大，最嚴重的情形為268 m3/s流量以下，冰塊完全插堵整個導流洞出口至出口橋的區(qū)段，壅高的水位沿著導流洞上行。出導流洞口的水流夾裹著冰塊以極大的動能下泄，導致下行過程中撞擊導流洞出口橋橋墩的現(xiàn)象十分嚴重。導流洞出口至導流洞出口橋區(qū)間最大流速可達13.33 m/s。

2.4.2 冰塊為第Ⅱ類型

1）過江橋無論是1孔、2孔還是5孔泄流，冰塊尺寸為第Ⅱ類型時，在過江橋前均不形成堵塞現(xiàn)象，冰塊隨水流順暢下行。區(qū)別為1孔、2孔、5孔泄流時，過江橋橋前的水位壅高值不同，四級流量下壅高范圍在0.11～1.20 m，過江橋橋前與橋后最大水位跌差為1.31 m。

2）導流洞進口橋橋前在這四級流量下均不存在完全卡堵的現(xiàn)象，僅是導流洞進口橋橋前的流冰密度大于60%，并平鋪在導流洞進口橋橋前依次順行至導流洞進口。只有在泄量為96 m3/s時，導流洞進口的一孔偶有堵塞情形發(fā)生，但是隨著泄量減小，進口水位的不斷抬高被卡堵的冰塊松動，堵塞將被沖開。因而該冰塊級配下沒有在導流洞進口橋及導流洞進口被冰塊淤堵至死完全抑制泄流的情形。

3）導流洞出口無論在那一級流量下都能順利行冰，至導流洞出口橋橋前只有在流量小于163 m3/s時，出口橋橋前冰塊的數(shù)量才越發(fā)增多，當宣泄流量為96 m3/s時，冰塊有堵塞出口橋至多兩孔的現(xiàn)象，但是在水位壅高的情況下卡堵的冰塊又將被完全沖開。因此導流洞出口與出口橋依然不存在被下行的冰塊堵塞致不泄流的情形。由于下行的水流夾裹著冰塊沿導流洞出口宣泄的動能很大，當流量為373 m3/s時，導流洞出口至導流洞出口橋區(qū)間的最大流速可達12.59 m/s，并以該流速夾裹著下泄的冰塊撞擊導流洞出口橋的橋墩，應引起重視。

3 結(jié)論

1）冰塊為第Ⅰ類型時，行冰試驗的結(jié)論。若不采取排冰措施：流量268 m3/s，過江橋前水位最大壅高1.93 m；流量373 m3/s，上游圍堰最高水位497.47 m，超過圍堰設(shè)計高程497.42 m。若采取排冰措施，無論導流洞進、出口，都面臨被冰塊封堵的現(xiàn)象，因而工程應采取破冰措施，完全規(guī)避此種情形發(fā)生。

2）冰塊為第Ⅱ類型時，行冰試驗的結(jié)論，與第Ⅰ類型冰塊不同，第Ⅱ類型冰塊可通過各座橋梁和導流洞而排向下游。當流量小于163 m3/s時，導流洞進口才偶有卡堵現(xiàn)象。建議雙溝電站施工期間，上游小山水電站的發(fā)電流量大于163 m3/s為妥。