山坪水電站導流期導流建筑物水力特性試驗研究

宋莉萱 劉剛森 吳國英

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.河南大學，河南 開封 475001)

1 工程概況

黃河山坪水電站(阿什貢梯級)工程位于青海省貴德縣境內(nèi)的黃河干流上游河段。施工期采用分期導流方式。一期導流先圍右岸河床式電站廠房、泄水閘及船閘，導流建筑物主要由左岸疏挖形成的導流明渠、上下游橫向圍堰及縱向圍堰組成。明渠采用梯形斷面，設計底寬115m，軸線長約900m，進、出口底板高程2179.3～2179m，邊坡坡比為1∶3。一期導流明渠布置如圖1所示。

圖1 一期導流明渠布置

二期施工導流是利用右岸建成的5孔泄水閘導流。閘墩頂高程2202.0m，閘底板高程2182.0m。泄水閘剖面布置如圖2所示。

圖2 泄洪閘剖面布置

為保證導流明渠在施工期的安全導流，需要通過模型試驗對一期導流明渠的泄流能力、流態(tài)、施工期通航、圍堰保護及渠底防沖，二期泄水閘敞泄過流、下游沖刷等問題進行論證和分析，并對設計方案提出修改意見及建議。主要研究內(nèi)容如下：

a.提供一期明渠泄流的水位-流量關(guān)系曲線及明渠縱向水面線，結(jié)合水力特性觀測成果和施工期通航要求，對一期明渠的開挖高程及寬度提出建議。

b.提供二期右岸5孔泄水閘敞開泄流的水位-流量關(guān)系曲線。

c.觀測流量分級如下：316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s。

d.觀測各特征流量下一、二期導流時上、下游水力特性(包括水位、流速及流態(tài)，上游河道主流的方向和部位，河床進口、出口水面銜接與波動情況，沿上、下游圍堰轉(zhuǎn)角和建筑物下游的流速分布、漩渦、回流的范圍、強度及其沖刷、淘刷情況)，復核右岸已建5孔泄水閘導流時段的下游消能工安全性，并提出建議的圍堰、明渠平面布置和抗沖防護措施。

e.觀測一期明渠通航時在不同流量下沿程的流態(tài)、水深、主流方向、流速(包括橫向流速)、水面高程分布、水面比降及回流情況等，并提出改進施工期通航的措施，確定通航流量范圍。

2 模型設計

山坪水電站水工模型采用1∶50的正態(tài)模型，滿足重力相似準則，模型范圍包括庫區(qū)1.0km，壩址下游2.0km以及堤防以內(nèi)的所有建筑物(電站、泄水閘、沖沙廊道、通航建筑物、導流明渠建筑物等)。上下游河道部分、導流建筑物等采用水泥砂漿粉制作。電站、泄水閘、沖沙廊道、部分通航建筑物等全部采用有機玻璃制作；下游2.0km范圍內(nèi)的動床部分采用天然砂，粒徑D=0.6～1.5mm。模型進口流量用電磁流量計控制，庫水位和壓力用玻璃連通管量測，流速采用螺旋流速儀測讀，采用了紙花、彩色細線和高錳酸鉀溶液等方法觀測水流流向。采用攝像技術(shù)進行流態(tài)、流場描述。一期導流設計標準為2年一遇洪水，流量為2280m3/s。一期明渠導流期間，下游河道地形按照現(xiàn)狀河道河床地形(河道未疏浚)鋪沙模擬，下游水位按照設計提供的壩軸線下2.0km處斷面水位流量關(guān)系控制。二期導流期間，下游河道已疏浚，下游河道地形按照設計的疏浚開挖地形鋪設，下游水位仍按照設計提供的壩軸線下2.0km處斷面水位流量關(guān)系進行控制。

3 一期明渠導流試驗

3.1 明渠導流水位流量關(guān)系

試驗量測導流期2年一遇設計洪水(流量2280m3/s)時，上游圍堰附近水位2185.18m，較設計值2185.3m略低，上游圍堰設計高程2186.3m，滿足設計要求。下游圍堰末端附近水位2184.06m，略低于設計值2184.42m，下游圍堰設計高程2185.4m，滿足設計要求。根據(jù)導流明渠泄流能力試驗資料分析，導流渠開挖寬度和深度滿足一期導流期間過流要求。

3.2 導流明渠的流態(tài)、流速及水面線試驗成果分析

試驗分別觀測了流量為316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s時導流明渠及上下游流態(tài)、流速與水面線分布等水力特性。

試驗結(jié)果表明，小流量316～630m3/s時，上游來流分為左右兩股，其中右股水流占70%，左股占30%，至開挖導流明渠入口斷面，兩股匯合。在上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段，由于過流斷面收縮，右股水流集中，導致水流在導流明渠段斷面流速分布不均，主流偏左。上游來流流量由950m3/s增大到2280m3/s，加之導流明渠前200m范圍內(nèi)過流斷面寬度由380m逐漸減小到150m，使得該段水流流速逐漸加大，水面有一個明顯降落，且流量越大，水面降落幅度越大(見圖3)。試驗還觀測到上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段附近的水流波動劇烈，流速較大，甚至在流量2280m3/s時出現(xiàn)急流，產(chǎn)生水躍現(xiàn)象(見圖4)，流速達到4.03m/s，對該處圍堰的穩(wěn)定產(chǎn)生較大威脅，建議采取必要防護措施，如格賓或大塊石護底、鉛絲石籠防護坡腳等。其他部位水流相對平順，可參考模型實測流速，選擇合適的臨水面筑堰材料。

圖3 導流明渠沿程水面線

圖4 上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段明渠水流流態(tài)

一期明渠導流期間，對應流量316～2280m3/s時，導流明渠段水深3～6m，渠道內(nèi)斷面最大流速0.69～3.52m/s。

由于下游河段砂卵石淺灘較多，受原始地形影響，在小流量時，下游河道出現(xiàn)多股水流，河道主流散亂，無明顯的主河槽，水面比降較陡。流量1300m3/s和2280m3/s時，下游水流全河漫灘，有多股水流，該河段水面比降逐漸變緩，一期導流各級流量時下游河道水面線見圖5。

圖5 下游河道沿程水面線

從下游各級流量下游河道流態(tài)總體情況看，一期導流期間，在小流量時，流路稍顯散亂，但從水深看，基本滿足下游通航水深需求。

4 二期導流試驗

4.1 明渠導流水位流量關(guān)系

圖6 泄洪閘進口左導墻附近水流流態(tài)(Q=2280m3/s)

表1 特征水位流量關(guān)系

4.2 二期泄洪閘導流流態(tài)與流速分布

試驗分別觀測了二期導流時各級流量下流態(tài)與流速分布等。試驗結(jié)果表明，導流期來流小于1300m3/s時，泄洪閘下泄水流沿下游疏浚河槽行進，主流靠近左岸開挖邊坡，河道內(nèi)最大流速小于1.5m/s，水流不漫灘，但有少量水從壩下1.5km處回水至原左岸河槽內(nèi)。流量2280m3/s時下游河道水位高于2183m，水流淹沒第3個高程為2183m的生活休閑區(qū)，第1個和第2個生活休閑區(qū)附近水面高程為2183.8m，下游河道內(nèi)最大流速達到1.81m/s。

各級流量時，泄洪閘閘前受兩側(cè)導墻繞流影響，閘前兩側(cè)淘刷，格賓塌陷(見圖7)，最大淘刷深度7m。流量2280m3/s時，閘前20m斷面最大流速為3.71m/s。各級流量時，消力池均能形成完整的淹沒水躍，在小流量時，消力池下游護坦為波狀水流，當流量大于1300m3/s時，護坦上出現(xiàn)二次水躍(見圖8)，海漫下游產(chǎn)生沖刷，建議調(diào)整消力池尺寸，消除二次水躍，改善海漫下游。五級流量時，下游河道水流大都在開挖的槽內(nèi)行進，河寬和糙率變化不大，水面比降變化也沖刷。測得下游河道斷面最大流速分別為0.52m/s、1.09m/s、1.34m/s、1.53m/s、1.81m/s，下游河道水深2.6～5.1m，滿足通航需求。

圖7 Q=2280m3/s時原設計閘前左側(cè)淘刷較深，格賓下蟄

圖8 Q=2280m3/s時消力池及護坦水流流態(tài)

5 結(jié) 論

a.山坪水電站一期、二期導流工程泄流能力滿足設計要求。對應流量316～2280m3/s時，從下游河道水深看，一期明渠導流期間和二期泄洪閘導流期間，基本滿足下游通航水深需求。

b.一期明渠導流期間，上下游圍堰高程設計合理，但是在上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段附近流速較大，建議設計部門采取必要防護措施。其他部位水流相對平順，可參考模型實測流速，選擇合適的臨水面筑堰材料。