某水電樞紐泄流能力試驗研究

【摘要】為了論證擬建的某水電樞紐的泄流能力，采用1：100的正態(tài)物理模型，通過ADV、PIV、旋槳流速儀對整個樞紐的流場進行測繪；應用自動水位測針、水位測針對水位進行量測，對樞紐泄流能力進行試驗研究。文中闡述了設計方案條件下樞紐的泄流能力，并分析了樞紐泄流方面存在的問題及影響因素。通過對樞紐上下游疏浚、增加閘孔、優(yōu)化電站與閘門間攔沙坎等多種優(yōu)化措施，提出了滿足泄流能力的總體布置方案，研究成果可供類似工程參考和借鑒。

【關鍵詞】水電樞紐；泄流能力；模型試驗

1、工程概況

擬建的某水電站為低水頭徑流式電站，采用河床式開發(fā)。工程為一等大（1）型工程，正常蓄水位98m，相應庫容12.07億m3，最大壩高43m，電站裝機容量728MW。船閘按最大通過500t級船舶設計，閘室有效尺度為120m×12m×4m（長×寬×門檻水深）。攔河壩按1000年一遇洪水設計，10000年一遇洪水校核。樞紐左岸布置部分電站廠房，內裝20臺22.75MW的燈泡貫流式機組；緊鄰電站廠房布置左岸堆石壩，堆石壩長約830m；35孔16m×18m泄水閘布置在河床中部偏右岸，堆石壩和泄水閘采用側墻式連接，側墻壩段長18m，側墻兼作縱向圍堰；右岸緊臨泄水閘布置其余12臺22.75MW的燈泡貫流式機組電站廠房；船閘布置在右岸岸邊，采用并列式雙線船閘。整體模型布置如圖1。

2、研究目的及研究方法

通過整體水工模型試驗，論證樞紐總體布置的合理性，并進行優(yōu)化。模型按重力相似準則設計，模型長度比尺λl=100。模型模擬水電樞紐上下游2.5km。

在水工模型試驗中，基礎數據的獲得是一項非常重要的工作。數據的準確度與精確度直接關系到科研成果的質量。因此本試驗選擇通過自動水位測針、水位測針校核各流量水位；通過PIV，ADV對整個流場進行測繪；通過旋槳流速儀對小范圍流場測量，以增加測量精度。

3、設計方案泄流能力試驗

3.1 模型糙率驗證

為確保模型能夠準確復演天然河道流態(tài)，進行了模型水面線率定。驗證結果如圖2、圖3。驗證結果表明，模型水位與原型實測水位基本一致，最大偏差12cm，考慮到試驗精度與比尺效應，誤差在合理范圍內，模型河道基本能夠復演壩址河段天然水流特性。

3.2 樞紐模型試驗

對樞紐建成后模型泄水閘上游水位與設計水位進行了驗證校核，如圖4。同時由于整個河道比較寬，在觀測閘前水位的同時，也在岸兩邊的河道布點觀測水位，進而比較同一河道斷面上的水位情況，如圖5。

從圖4可以看出，各流量下閘前實測水位已比設計水位高出了40cm以上，且隨著流量增大，水位差有增大趨勢。從圖5可以看出，同一流量同一橫斷面，兩岸的水位基本一致，閘前水位明顯降低。兩岸水位與閘前水位差較大，達到50cm以上。為了找出泄流能力不足的原因，又對其流場及閘孔流速進行了測量。分析數據，1、2、33-35閘孔流速較小，泄流能力很差。4、31號閘孔流速突然增大，中間幾孔閘流速趨于均勻。

3.3 試驗結果分析

通過試驗及數據分析，樞紐上游水位壅高過大的原因有以下幾點：

1）河道的地形原因，樞紐泄水閘上游正對一座島，泄流時由于島的存在，把過閘主流分成了兩股，泄水閘前正對島的斷面流速突然減小，影響了閘孔的泄流。

2）河道較寬，足有2600m，泄水閘僅有700m，在泄洪的時候，水流急劇收縮。在泄水閘左右兩側的幾個閘孔擾流嚴重，同時導致閘孔流速分布不均，影響閘孔出流。

3）左岸沒有泄水閘，在泄洪的時候，左岸廠房關閉。廠房與堆石壩本身形成了水位的又一控制斷面，上游水位在此雍高，且形成大范圍回流，影響樞紐的泄流能力。

4）河道斷面較寬，兩岸流速幾乎為零，而泄水閘附近流速突然增大，形成較大的水面跌落。導致在控制閘前水位時，實際兩岸的水位還要偏高。

5）泄水閘下正對兩座小島，影響了泄流時的水流下泄。且有一座大的島嶼橫立在河道中央，使得泄流面積減小了一半。

6）泄水閘與右岸廠房連接段的攔沙坎過高，影響了泄水閘的過流能力。

7）泄水閘與堆石壩中間由于側墻的原因，泄流時在連接處水流條件復雜，流態(tài)不穩(wěn)定，壩前波浪較大。流量較大時，該部位相對不安全。

4、方案優(yōu)化及模型試驗

4.1方案優(yōu)化

針對試驗中的問題以及經濟原則，根據以往經驗，最終進行如下優(yōu)化：

在左側泄水閘與堆石壩連接處增加4孔泄水閘，增加泄流能力。在泄水閘與堆石壩連接處進行開挖，設置1：2的邊坡，優(yōu)化泄水閘左側閘孔的水流條件。在原有疏浚基礎上進一步增加疏浚面積，移除泄水閘下游正對的兩座島，平整地形到85米高程。降低右岸廠房與泄水閘間的攔沙坎到80米高程，同時把右岸攔沙坎體型進行弧形優(yōu)化，優(yōu)化右側泄水閘的水流條件。優(yōu)化后整體樞紐如圖6。

4.2 優(yōu)化模型試驗

通過流場圖及數據分析，主流大部分還是從島的右岸下泄，同時還有一股主流從島的左岸下泄，增加了泄流區(qū)域的面積。同時，下游疏浚之后，流態(tài)變好。對閘孔流速進行測量，與設計方案流速對比如圖7。與設計方案相比，優(yōu)化措施明顯改善了泄水閘兩側進流條件，各孔流速更加均勻，且兩側閘孔的過流能力也相應增加。

對樞紐上游水位進行校核，如圖8。通過一系列的優(yōu)化措施，水位下降明顯。可以滿足工程設計的要求。增加四孔閘門且對閘與堆石壩連接處邊坡開挖后，左岸水位壅高明顯降低，且流態(tài)變好，該部位壩前基本再無波浪。

5、結語

對于像本工程這樣河道特別寬但泄水建筑物相對較集中，且長度相對河道而言比較短的樞紐布置形式，泄水建筑物兩側的水流束窄造成的擾流問題極大地降低了泄水建筑物的泄流能力。經本工程進行一系列優(yōu)化后，基本解決了問題。由于此類問題對泄流的影響較大，在其他工程設計以及試驗時要特別注意。

樞紐前后的幾座島嶼對水流的下泄也造成了極大的影響，疏浚后得到了較好的改善。充分說明了河道的地形地貌對泄流能力的重要性。本工程按最優(yōu)方法應該是移除幾座島嶼，但考慮到經濟問題，沒有進行這種優(yōu)化措施。在進行工程設計時在滿足要求的情況下要充分考慮經濟原則。

參考文獻：

[1]李煒，徐孝平.水力學[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，2000.

[2]劉國亭.水工模型試驗的流速測量方法與數據處理程序[J].水運工程，2008，（12）：1-4.

[3]李君濤，閆濤，王艷華.漢江雅口航運樞紐泄流能力試驗研究[J].中國港灣建設.2017，37（1）：38-41.

作者簡介：劉圣凡（1991-），男，漢族，山東萊蕪人，碩士研究生，主要研究方向：水工水力學。