澤城水電站導流泄洪洞流態模擬試驗及應用

(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，導流泄洪洞采用挑流鼻坎泄流方式，設計最大泄流量為942.74m3/s。由于泄洪洞出口河道段狹窄、陡峻，使得泄流流態異常復雜，造成沿河段消能防沖設計難度增加。為保證泄洪建筑物的安全運行，驗證建筑物的體型及布置方式的合理性，考察了不同運行工況下的水流流態及造成的工程效果，檢驗了原設計結論，為優化設計提出了改善建議。

1 導流泄洪洞平面布置方式

導流泄洪洞布置于面板堆石壩右岸，洞軸線穿山而過，為內徑8m的有壓圓形鋼筋混凝土隧洞，兼有導流、泄洪及排沙作用。沿軸向由進口引渠段的梯形斷面，經曲線收縮至洞身，而后出口漸變擴張，至挑流鼻坎泄流共六部分組成，總長641m，洞內最大流速為19.21m/s。為滿足隧洞排氣或補氣的運行要求，在進口側豎井內部，檢修閘門下游側各設置一個4m×6m通氣孔。

2 試驗目的和要求

2.1 試驗目的

驗證導流泄洪洞布置的合理性，研究導流泄洪洞過流時的水流特性，驗證其水力計算，各部結構設計的合理性，對其水流流態、消能效果、流速分布、氣蝕等情況分不同工況進行研究。

2.2 試驗內容及要求

驗證導流洞布置及體型合理性；驗證導流洞的流態；通過試驗提出不同庫水位下的泄流量及洞身段沿線不同斷面的測壓管水頭；測試不同流量下明流部位的流速；驗證出口處挑流鼻坎消能能效；提出導流泄洪洞布置及體型的改進建議。

2.3 基本參數

汛限水位與泄量為848.00m與874.02m3/s；

設計洪水位與泄量為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 模型設計

3.1 模型比尺確定

按照模型與原型水流流態相似的原則，充分考慮原型設計狀態的水力布置，比照水工(常規)模型試驗規程，經實際計算論證，確定幾何尺寸為λL=40(其他尺寸見表1)。

表1 模型比尺

3.2 試驗系統及模型布置

初始從地下水庫泵至高位平水箱，沿系統管路流入低位平水箱，經流量計后，從水庫進水管流入模型試驗水庫，然后經沖刷、退水等模擬段，回流至地下水庫(試驗系統見圖1)。流量由控制閥進行調節(模型布置圖詳見圖2)。

圖2 模型布置平面

3.3 測壓管

為精準勾勒水力壓坡線，模型系統管路沿線共布設23個測點。

3.4 模型材料

比照原型建筑物材料、糙率，模型試驗段全部采用了比尺化、參數化的有機玻璃板和有機玻璃管材料進行模擬。沖刷池內鋪裝碎石模擬沖坑沖刷的分布及力學情況。

3.5 水力要素測量

模擬流量采用數字式渦輪流量計進行計量，水位計測壓管水頭采用鋼尺測量，水深用測針感測，流速用多功能流速儀測量，水舌長度和沖坑深度用鋼尺測量。

4 導流泄洪洞過流能力試驗成果及分析

4.1 水電站庫水位與泄流量關系試驗成果

采用模型試驗反饋數據，繪制庫水位與泄流量關系圖(見圖3)。

圖3 模型試驗測得的庫水位與泄流量關系

4.2 水電站庫水位與泄流量關系的水力學計算結果

繪制水電站庫水位與泄流量關系的水力學計算結果曲線圖(見圖4)。

圖4 水力學計算得的庫水位與泄流量關系

4.3 模型試驗結果與原設計報告中水力學計算結果對照

繪制模型試驗結果與水力學計算結果對照曲線圖(見圖5)。

圖5 庫水位與泄流量關系比較

由圖3、圖4和圖5中信息得知，在泄流量Q=450m3/s左右時，模型試驗結果基本與水力學計算數據結果匹配；在泄流量小于450m3/s時，模型試驗結果趨勢較水力計算結果逐漸減少；而在泄流量大于450m3/s，模型試驗結果趨勢較水力計算結果逐漸增大。

5 導流泄洪洞水流特征結果分析

5.1 導流泄洪洞中明流部位水流流速分布

在汛限、設計、校核三種工況下，分別計算出水閘室段、挑流消能段等明流部位水流流速及水深測算結果(見表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 導流泄洪洞流態試驗結論

導流泄洪洞在汛限水位工況下運用時，從導流泄洪洞進水口段至出口閘室段入口處區間反饋流態，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區間流為明流。

導流泄洪洞在設計洪水位工況下運用時，從導流泄洪洞進水口段至出口閘室段入口處區間反饋流態，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區間流為明流狀態。

導流泄洪洞在校核水位工況下運用時，從導流泄洪洞進水口段至出口閘室段入口處區間反饋流態，皆為有壓流。出口閘室段至出水渠段區間流為明流。

6 挑流能效驗證

原設計挑角為20°，以此原型為基礎，模型按汛限、設計、校核三種水位工況進行驗證。

6.1 挑流消能

汛限、設計、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(見表4)。

表4 水舌樁號及挑距測算 (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，故在挑坎兩側和出水渠側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。

7 挑坎挑角調變至25°試驗方案

挑角改變為25°后，在汛限流量、設計流量、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表5和表6。

表5 挑角25°方案的各部位流速 (單位：m/s)

續表

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

經驗證，三種工況下，水舌末端皆落在出水渠段范圍之內(不同工況下的水舌挑距見表7)。

表7 水舌樁號及挑距測算 (單位：m)

8 主要結論及建議

在汛限水位、設計水位和校核水位三種工況下，導流泄洪洞的過流能力略大于水力學計算結果；在三種工況下，泄洪洞出口頂板之上水頭能滿足設計規范要求，不會產生氣蝕；在挑角20°和25°時，三種工況下，挑流水舌末端皆落在出水渠范圍之內，挑角及反弧設計合理。

鑒于所有工況下，水舌落點皆在出水區內。從安全角度出發，建議對樁號0+628.4m～0+652.0m范圍內的出水渠底部采取適當防護措施。

水流試驗模擬結果提交設計單位后，經設計優化作局部修改：?將挑坎調角調整為25°，以提高消能效果；?加高挑流段胸墻防護高度0.5m；?挑流消能段混凝土變更為耐磨混凝土標號C50；?對出水渠底部的素混凝土采取鋼筋混凝土防護措施，并延伸河道出流兩側護岸及底部防護范圍。目前工程已實現試運行，并經過兩個較大洪水期的檢驗，實測數據基本與試驗數據匹配，保障了沿河兩岸耕地的安全，工程運用效果良好。