關(guān)于引水式電站首部樞紐水工模型試驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)價(jià)

婁洋 管悅

摘 要：針對(duì)某引水式電站實(shí)際情況，對(duì)其首部樞紐的水工模型試驗(yàn)進(jìn)行深入分析，得出庫(kù)水位和泄流量之間的關(guān)系、水流流態(tài)、下游沖刷等結(jié)論，為設(shè)計(jì)方案合理性驗(yàn)證提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：引水式電站;電站首部樞紐;水工模型試驗(yàn)

某引水式電站以發(fā)電作為主要任務(wù)，兼顧為下游生態(tài)環(huán)境提供用水。電站水庫(kù)的正常蓄水位為897.00m，總庫(kù)容與調(diào)節(jié)庫(kù)容分別為251.0萬(wàn)m3、16萬(wàn)m3，可實(shí)現(xiàn)日調(diào)節(jié)。其引水隧洞總長(zhǎng)約18590m，壓力管總長(zhǎng)430m左右。電站共安裝兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)的容量為50MW，即總裝機(jī)容量為2×50MW=100MW。電站的年均發(fā)電總量為4.533×108kW·h。現(xiàn)以該引水式電站為例，對(duì)其首部樞紐對(duì)應(yīng)的水工模型試驗(yàn)及其結(jié)果分析作如下分析。

1 水工模型設(shè)計(jì)

以水工模型試驗(yàn)任務(wù)基本要求為依據(jù)，水工模型可根據(jù)重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，將模型和實(shí)體的幾何比例確定為1：70，同時(shí)，將上游作為定床，將下游作為動(dòng)床模型，各物理量的比尺為：

（1）幾何比尺：比尺關(guān)系為λL，比尺數(shù)值為70;

（2）流速比尺：比尺關(guān)系為λv=λ0.5L，比尺數(shù)值為8.367;

（3）流量比尺：比尺關(guān)系為λQ=λ2.5L，比尺數(shù)值為40996.341;

（4）壓力比尺：比尺關(guān)系為λP=λL，比尺數(shù)值為70;

（5）時(shí)間比尺：比尺關(guān)系為λt=λ0.5L，比尺數(shù)值為8.367;

（6）糙率比尺：比尺關(guān)系為λn=λ1/6L，比尺數(shù)值為2.030[1]。

為對(duì)沖刷坑范圍與坑深進(jìn)行觀測(cè)，在泄洪下游，由護(hù)坦末端到0+245.00處應(yīng)視為局部動(dòng)床，其深度在18m左右，最低處的高程在843.5m左右。對(duì)于沖刷料粒徑，可使用以下公式計(jì)算確定：

V抗沖=5～7d（1）

式（1）中，V抗沖表示抗沖流速，單位：m/s，包括河床基巖與覆蓋層，其中，河床基巖處抗沖流速在7-8m/s范圍內(nèi)，而覆蓋層在4-5m/s范圍內(nèi)。根據(jù)類(lèi)似工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，基巖粒徑在14-28mm范圍內(nèi)，覆蓋層粒徑在4-14mm范圍內(nèi)，在857.5m以下，主要按照基巖沖刷料進(jìn)行鋪設(shè)，而在857.5m以上，主要按照覆蓋層沖刷料進(jìn)行鋪設(shè)[2]。

2 試驗(yàn)主要內(nèi)容與成果

2.1 試驗(yàn)主要內(nèi)容

（1）以閘具體狀況為參考依據(jù)，對(duì)閘孔實(shí)際布置做分析驗(yàn)證，然后結(jié)合驗(yàn)證后得出的結(jié)果，確定相應(yīng)的方案。

（2）根據(jù)工程的推薦方案，對(duì)每一種設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)的泄洪能力做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;分析開(kāi)啟狀態(tài)下開(kāi)度與泄洪量間保持的關(guān)系，然后繪制出水位與流量變化曲線。

（3）采用試驗(yàn)的方法為下游制定專(zhuān)門(mén)的防沖措施，并對(duì)護(hù)坦的長(zhǎng)度、坡度與防沖齒槽實(shí)際深度等進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化，以保證護(hù)坦的長(zhǎng)度、坡度與防沖齒槽實(shí)際深度等的合理性。

2.2 試驗(yàn)主要成果

（1）庫(kù)水位和泄流量之間的關(guān)系。如果閘門(mén)全開(kāi)，則試驗(yàn)率定流量略大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，當(dāng)水位為設(shè)計(jì)水位，流量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為2714.3m3/s、2720m3/s，相比之下前者略小;當(dāng)水位為校核水位，流量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為4954.65m3/s、4610m3/s，前者比后者大7.4%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在4610m3/s的泄放校核流量條件下，泄洪建筑物具有的泄流能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求[3]。

（2）水流流態(tài)。上游段水流與原河道以自然狀態(tài)銜接，該段河流有較高縱比降，而且水流速度很快。無(wú)論是沖沙閘還是泄洪閘，其水流均和河道中的主流保持順應(yīng)，但閘前水面極易出現(xiàn)波動(dòng)，造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)樯嫌嗡魉俣容^快。如果庫(kù)水位持續(xù)升高，則不會(huì)出現(xiàn)水流分離的現(xiàn)象。

護(hù)坦內(nèi)水流屬于典型的急流，從它的流態(tài)可以看出，若從泄洪閘的角度分析，相比之下對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟最為穩(wěn)妥，基于此，運(yùn)行時(shí)泄洪閘的三孔建議均勻開(kāi)啟。而在護(hù)坦末尾段，水流呈波狀和下游河道直接相接，不同特征水位對(duì)應(yīng)的波浪高度為：3年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距12.6m的距離時(shí)，波浪高度為2.1m;10年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距41.3m的距離時(shí)，波浪高度為2.5m;30年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距35.0m的距離時(shí)，波浪高度為4.5m;50年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距54.6m的距離時(shí)，波浪高度為6.0m;100年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距56.0m的距離時(shí)，波浪高度為6.6m;1000年一遇洪水，與護(hù)坦末端相距59.5m的距離時(shí)，波浪高度為8.8m;當(dāng)沖沙閘為全開(kāi)，而泄洪閘為局部開(kāi)啟1m，且與護(hù)坦末端相距42.0m的距離時(shí)，波浪高度為7.8m。

（3）下游沖刷。試驗(yàn)對(duì)不同頻率條件下的洪水沖刷進(jìn)行試驗(yàn)，沖刷持續(xù)2h之后，對(duì)沖刷坑的地形進(jìn)行量測(cè)。根據(jù)量測(cè)結(jié)果可以看出：左岸的沖刷坑比右岸的深，其原因在于水流在護(hù)坦的末端向外流出以后，由于受到地形因素的影響使水流不斷向左岸集中，導(dǎo)致左岸的單寬流量比右岸大。在護(hù)坦的后右岸，存在一個(gè)狹長(zhǎng)，但相對(duì)較弱的回流，回流的方向?yàn)轫槙r(shí)針。不同頻率洪水對(duì)應(yīng)的沖刷高層都比護(hù)坦的末端低[4]。

3 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)和總結(jié)分析，可得出下列結(jié)論：

（1）根據(jù)整體流態(tài)，泄水建筑物整體布局和體形設(shè)計(jì)都能達(dá)到要求。

（2）若閘門(mén)處在全開(kāi)的狀態(tài)，實(shí)測(cè)率定流量比計(jì)算流量大，在設(shè)計(jì)水位，實(shí)測(cè)流量比計(jì)算流量小0.2%，而在校核水位，實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量大7.4%，可以達(dá)到泄量要求。

（3）根據(jù)下游沖刷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，位于左岸的沖刷坑，其深度比右岸大，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于護(hù)坦后下游部位河道向右岸發(fā)生彎曲，使水流不斷向左岸的方向集中，而且護(hù)坦后右岸還存在回流區(qū)，導(dǎo)致右岸的沖刷深度明顯增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]周旭銳.新疆某水利樞紐工程泄洪閘水工模型試驗(yàn)研究[J].陜西水利，2019（5）：126-128+111.

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[3]白兆亮，李琳，王苗.某渠首工程整體水工模型試驗(yàn)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2014，25（1）：22-23.

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