(山西澤城西安水電有限公司，山西 太原 030002)

澤城水電站位于晉冀交界處的清漳河干流上，導(dǎo)流泄洪洞采用挑流鼻坎泄流方式，設(shè)計(jì)最大泄流量為942.74m3/s。由于泄洪洞出口河道段狹窄、陡峻，使得泄流流態(tài)異常復(fù)雜，造成沿河段消能防沖設(shè)計(jì)難度增加。為保證泄洪建筑物的安全運(yùn)行，驗(yàn)證建筑物的體型及布置方式的合理性，考察了不同運(yùn)行工況下的水流流態(tài)及造成的工程效果，檢驗(yàn)了原設(shè)計(jì)結(jié)論，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了改善建議。

1 導(dǎo)流泄洪洞平面布置方式

導(dǎo)流泄洪洞布置于面板堆石壩右岸，洞軸線穿山而過(guò)，為內(nèi)徑8m的有壓圓形鋼筋混凝土隧洞，兼有導(dǎo)流、泄洪及排沙作用。沿軸向由進(jìn)口引渠段的梯形斷面，經(jīng)曲線收縮至洞身，而后出口漸變擴(kuò)張，至挑流鼻坎泄流共六部分組成，總長(zhǎng)641m，洞內(nèi)最大流速為19.21m/s。為滿(mǎn)足隧洞排氣或補(bǔ)氣的運(yùn)行要求，在進(jìn)口側(cè)豎井內(nèi)部，檢修閘門(mén)下游側(cè)各設(shè)置一個(gè)4m×6m通氣孔。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h2>

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證導(dǎo)流泄洪洞布置的合理性，研究導(dǎo)流泄洪洞過(guò)流時(shí)的水流特性，驗(yàn)證其水力計(jì)算，各部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)其水流流態(tài)、消能效果、流速分布、氣蝕等情況分不同工況進(jìn)行研究。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及要求

驗(yàn)證導(dǎo)流洞布置及體型合理性；驗(yàn)證導(dǎo)流洞的流態(tài)；通過(guò)試驗(yàn)提出不同庫(kù)水位下的泄流量及洞身段沿線不同斷面的測(cè)壓管水頭；測(cè)試不同流量下明流部位的流速；驗(yàn)證出口處挑流鼻坎消能能效；提出導(dǎo)流泄洪洞布置及體型的改進(jìn)建議。

2.3 基本參數(shù)

汛限水位與泄量為848.00m與874.02m3/s；

設(shè)計(jì)洪水位與泄量為854.22m與942.74 m3/s；

校核洪水位與泄量為859.60m與998.32 m3/s；

糙率n=0.014。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 模型比尺確定

按照模型與原型水流流態(tài)相似的原則，充分考慮原型設(shè)計(jì)狀態(tài)的水力布置，比照水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程，經(jīng)實(shí)際計(jì)算論證，確定幾何尺寸為λL=40(其他尺寸見(jiàn)表1)。

表1 模型比尺

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及模型布置

初始從地下水庫(kù)泵至高位平水箱，沿系統(tǒng)管路流入低位平水箱，經(jīng)流量計(jì)后，從水庫(kù)進(jìn)水管流入模型試驗(yàn)水庫(kù)，然后經(jīng)沖刷、退水等模擬段，回流至地下水庫(kù)(試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1)。流量由控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)(模型布置圖詳見(jiàn)圖2)。

圖2 模型布置平面

3.3 測(cè)壓管

為精準(zhǔn)勾勒水力壓坡線，模型系統(tǒng)管路沿線共布設(shè)23個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.4 模型材料

比照原型建筑物材料、糙率，模型試驗(yàn)段全部采用了比尺化、參數(shù)化的有機(jī)玻璃板和有機(jī)玻璃管材料進(jìn)行模擬。沖刷池內(nèi)鋪裝碎石模擬沖坑沖刷的分布及力學(xué)情況。

3.5 水力要素測(cè)量

模擬流量采用數(shù)字式渦輪流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，水位計(jì)測(cè)壓管水頭采用鋼尺測(cè)量，水深用測(cè)針感測(cè)，流速用多功能流速儀測(cè)量，水舌長(zhǎng)度和沖坑深度用鋼尺測(cè)量。

4 導(dǎo)流泄洪洞過(guò)流能力試驗(yàn)成果及分析

4.1 水電站庫(kù)水位與泄流量關(guān)系試驗(yàn)成果

采用模型試驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，繪制庫(kù)水位與泄流量關(guān)系圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 模型試驗(yàn)測(cè)得的庫(kù)水位與泄流量關(guān)系

4.2 水電站庫(kù)水位與泄流量關(guān)系的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果

繪制水電站庫(kù)水位與泄流量關(guān)系的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果曲線圖(見(jiàn)圖4)。

圖4 水力學(xué)計(jì)算得的庫(kù)水位與泄流量關(guān)系

4.3 模型試驗(yàn)結(jié)果與原設(shè)計(jì)報(bào)告中水力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)照

繪制模型試驗(yàn)結(jié)果與水力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)照曲線圖(見(jiàn)圖5)。

圖5 庫(kù)水位與泄流量關(guān)系比較

由圖3、圖4和圖5中信息得知，在泄流量Q=450m3/s左右時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果基本與水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果匹配；在泄流量小于450m3/s時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較水力計(jì)算結(jié)果逐漸減少；而在泄流量大于450m3/s，模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較水力計(jì)算結(jié)果逐漸增大。

5 導(dǎo)流泄洪洞水流特征結(jié)果分析

5.1 導(dǎo)流泄洪洞中明流部位水流流速分布

在汛限、設(shè)計(jì)、校核三種工況下，分別計(jì)算出水閘室段、挑流消能段等明流部位水流流速及水深測(cè)算結(jié)果(見(jiàn)表2和表3)。

表2 三種水位工況下的流速 (單位：m/s)

注表中底部流速是指底板以上0.44m處流速，頂部流速是指水面處的流速，中部流速是指一半水深處的流速。

表3 三種工況下不同部位處的水深 (單位：m)

5.2 導(dǎo)流泄洪洞流態(tài)試驗(yàn)結(jié)論

導(dǎo)流泄洪洞在汛限水位工況下運(yùn)用時(shí)，從導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水口段至出口閘室段入口處區(qū)間反饋流態(tài)，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區(qū)間流為明流。

導(dǎo)流泄洪洞在設(shè)計(jì)洪水位工況下運(yùn)用時(shí)，從導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水口段至出口閘室段入口處區(qū)間反饋流態(tài)，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區(qū)間流為明流狀態(tài)。

導(dǎo)流泄洪洞在校核水位工況下運(yùn)用時(shí)，從導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水口段至出口閘室段入口處區(qū)間反饋流態(tài)，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區(qū)間流為明流。

6 挑流能效驗(yàn)證

原設(shè)計(jì)挑角為20°，以此原型為基礎(chǔ)，模型按汛限、設(shè)計(jì)、校核三種水位工況進(jìn)行驗(yàn)證。

6.1 挑流消能

汛限、設(shè)計(jì)、校核三種水位工況下，水舌挑距末端皆落在出水渠段范圍之內(nèi)(見(jiàn)表4)。

表4 水舌樁號(hào)及挑距測(cè)算 (單位：m)

6.2 下游水流銜接

由于出水渠段入口大于挑坎寬度，底板又低于挑坎，故在挑坎兩側(cè)和出水渠側(cè)墻間及水舌下面形成與大氣相通的空間。水舌與下游水面連接平穩(wěn)。

7 挑坎挑角調(diào)變至25°試驗(yàn)方案

挑角改變?yōu)?5°后，在汛限流量、設(shè)計(jì)流量、校核流量三種工況下，出口閘室段后的流速、水舌挑距等均略有變化。

7.1 流速

新方案明渠部位流速見(jiàn)表5和表6。

表5 挑角25°方案的各部位流速 (單位：m/s)

續(xù)表

注表中底部流速是指底板以上0.44m處流速，頂部流速是指水面處的流速，中部流速是指一半水深處的流速。

表6 三種水位工況下不同部位處的水深 (單位：m)

7.2 挑距

經(jīng)驗(yàn)證，三種工況下，水舌末端皆落在出水渠段范圍之內(nèi)(不同工況下的水舌挑距見(jiàn)表7)。

表7 水舌樁號(hào)及挑距測(cè)算 (單位：m)

8 主要結(jié)論及建議

在汛限水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位三種工況下，導(dǎo)流泄洪洞的過(guò)流能力略大于水力學(xué)計(jì)算結(jié)果；在三種工況下，泄洪洞出口頂板之上水頭能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕；在挑角20°和25°時(shí)，三種工況下，挑流水舌末端皆落在出水渠范圍之內(nèi)，挑角及反弧設(shè)計(jì)合理。

鑒于所有工況下，水舌落點(diǎn)皆在出水區(qū)內(nèi)。從安全角度出發(fā)，建議對(duì)樁號(hào)0+628.4m～0+652.0m范圍內(nèi)的出水渠底部采取適當(dāng)防護(hù)措施。

水流試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果提交設(shè)計(jì)單位后，經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化作局部修改：?將挑坎調(diào)角調(diào)整為25°，以提高消能效果；?加高挑流段胸墻防護(hù)高度0.5m；?挑流消能段混凝土變更為耐磨混凝土標(biāo)號(hào)C50；?對(duì)出水渠底部的素混凝土采取鋼筋混凝土防護(hù)措施，并延伸河道出流兩側(cè)護(hù)岸及底部防護(hù)范圍。目前工程已實(shí)現(xiàn)試運(yùn)行，并經(jīng)過(guò)兩個(gè)較大洪水期的檢驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配，保障了沿河兩岸耕地的安全，工程運(yùn)用效果良好。