紫坪鋪水利樞紐工程溢洪道控制段機翼形堰水力特性研究

鄒 駿

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

1 工程概況

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市都江堰市境內岷江上游的麻溪鄉，距成都市60余千米，是一座以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。

壩址以上控制流域面積22662km2，水庫正常蓄水位877.00m，汛期限制水位850.00m，防洪高水位861.60m，設計洪水位871.20m，校核洪水位883.10m，正常蓄水位庫容9.98億m3，防洪庫容1.664億m3，調節庫容7.74億m3，校核洪水位以下的總庫容11.12億m3，為不完全的年調節水庫。水庫控制灌溉面積約93.33萬hm2，水電站裝機容量4×190MW，多年平均發電量34.17億kW·h。根據樞紐工程的規模、效益及重要性，紫坪鋪水利樞紐工程屬大(1)型工程。

水庫樞紐工程由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙隧洞、沖沙放空隧洞、引水發電隧洞和發電廠房等永久性建筑物組成。樞紐工程為Ⅰ等工程，主要擋水建筑物為1級建筑物，按1000年一遇洪水設計(流量8300m3/s)，可能最大洪水校核(流量12700m3/s)；發電廠房為2級建筑物，按100年一遇設計洪水設計，500年一遇洪水校核。雍水建筑物大壩地震設計烈度為Ⅷ度，其余永久性建筑物地震設計烈度為Ⅶ度。

樞紐主要建筑物布置自左岸至右岸依次為混凝土面板堆石壩、岸邊式溢洪道、電站進水口及4條引水發電隧洞、沖沙放空隧洞、1#和2#泄洪排沙隧洞，地面廠房布置在壩后右岸。

溢洪道緊靠大壩右壩肩布置，左鄰大壩，右接電站進水塔，軸線方向NW19°。由進口段、控制段、泄槽段及挑流段組成。

可研階段暫定溢洪道控制段凈寬為3孔寬12m，堰頂高程864.00m、堰踵高程861.00m，控制段堰型為WES型。根據可研階段審查意見，初步設計階段確定溢洪道規模的原則為：

(1)一條泄洪排砂洞正常運行，另一條備用；

(2)沖砂放空洞發生事故不能運行；

(3)限制電站運行，電站發電引用流量為400m3/s；

(4)宣泄可能最大洪水時，最高水庫水位控制在885.00m左右。

根據上述原則確定的溢洪道規模為：單孔開敞式，控制段孔口尺寸為12m×17.5m，堰頂高程860.00m、堰踵高程857.00m。

根據水庫調洪演算，當發生設計洪水時，溢洪道下泄流量825m3/s，相應的水庫水位為871.20m；當發生可能最大洪水時，溢洪道下泄流量2445m3/s，相應的水庫水位為883.10m。溢洪道的運行方式為：當水庫水位達到870.00m，開啟閘門泄洪；當水庫水位回落至870.00m，閘門關閉。

2 溢流堰體型設計

初步設計階段初定溢洪道控制段實用堰為WES-Ⅴ型堰，堰頂高程860.00m、堰踵高程857.00m(上游堰高P1=3m)，定型設計水頭為Hs=18.52m，溢流前緣凈寬15m，堰面下游以半徑14m的反弧連接縱坡為9%的泄槽底板。

由于本工程實用堰P1/Hs=0.162，遠小于1.33，具有突出的低堰水力特性。河海大學王世夏教授在“機翼形堰用作溢洪道控制堰的分析研究”一文中介紹了機翼形堰，為取得較為滿意的堰面曲線，進行了機翼形堰與WES-Ⅴ型堰在水力特性方面的比較，并委托河海大學對兩種堰型進行數學模型計算和物理模型試驗，在此基礎上進行溢洪道單體模型試驗。

機翼形堰堰面曲線方程為：

式中：P——上游堰髙；

C——沿X軸的堰長。

堰前端與半徑為R的圓弧相接，且R/C=4.408(P/C)2。

為便于兩種堰型的比較，機翼形堰采用與WES-Ⅴ型堰型相同的輪廓形態控制參數：堰頂高程860.00m，堰踵高程857.00m，即：P=3m、C=15m(P/C=0.2)；堰面下游以半徑14m的反弧連接縱坡為9%的泄槽底板。

兩種堰型的體型設計見圖1、圖2。

圖1 機翼形堰剖面

圖2 WES-Ⅴ型堰剖面

3 水力特性試驗

水工模型試驗是在進口擴散段、引渠段優化前以及溢洪道的泄流寬度為15m條件下進行的，兩種堰型具有相同的邊界條件，下面僅從泄流能力和堰面動水壓力分布對兩種堰型進行比較。

兩種堰型的泄流能力為閘門全開下泄流量的實測值換算成原型數值，流量系數按堰流公式計算：

式中：m——流量系數，包含側收縮的影響；

Q——模型實測下泄流量換算成原型數值，m3/s；

B——孔口寬度，B=15m；

H——堰上水頭，H=Z庫-860.00m。

3.1 機翼形堰的泄流能力及堰面動水壓力分布

機翼形堰的泄流能力及堰面動水壓力分布見表1、表2以及圖3、圖4。

表1 機翼形堰泄流能力

表2 機翼形堰堰面及下游反弧動水壓力(m水柱)

圖3 機翼形堰泄流能力

圖4 機翼形堰堰面動水壓力分布(m水柱)

3.2 WES-Ⅴ型堰的泄流能力及堰面動水壓力分布

WES-V型堰的泄流能力及堰面動水壓力分布見表3、表4以及圖5、圖6。

表3 WES-Ⅴ型堰泄流能力

表4 WES-Ⅴ型堰堰面及下游反弧動水壓力(m水柱)

圖5 WES-Ⅴ型堰泄流能力

圖6 WES-Ⅴ型堰堰面動水壓力分布(m水柱)

3.3 泄流能力試驗結果對比

由表1和表3可以看出，機翼形堰和WES-Ⅴ型堰的泄流特性基本一致。閘門全開情況下，庫水位約為875m(堰頂運行水頭H與上游堰高P的比值等于5)附近時，過堰水流的流量系數m值均達到最大，分別為0.452和0.454，相應下泄流量分別為1745m3/s和1750m3/s。庫水位約低于875m時，過堰水流的泄流能力與一般實用堰的泄流特性一致，流量系數m值隨堰頂運行水頭減少而減少；庫水位約高于875m以后，由于堰高僅3m，溢流堰對過堰水流的控制作用隨著庫水位升高而逐漸降低，按堰流公式所得流量系數m值亦隨庫水位的升高而減小。當庫水位為880.00m、885.00m時，機翼形堰的流量系數分別為0.430和0.414，相應下泄流量分別為2556m3/s和3440m3/s；WES-Ⅴ型堰的流量系數值分別為0.431和0.413，相應下泄流量分別為2562m3/s和3433m3/s。故在泄流能力方面兩種堰型的泄流能力甚為接近。

3.4 堰面動水壓力分布試驗結果對比

由表2和表4可以看出，機翼形堰和WES-Ⅴ型堰堰面曲線及反弧段內動水壓力分布規律基本相同。庫水位877.00m以下時動水壓力均為正壓，庫水位較高時堰頂附近均出現負壓，但WES-Ⅴ型堰堰頂附近出現的負壓區范圍及負壓值均較機翼形堰面略大，庫水位885.00m時堰頂處負壓值分別為2.91m和2.43m水柱高。在堰頂動水壓力方面，機翼形堰略優于WES-Ⅴ型堰。

4 結論

溢洪道控制段堰型選擇對溢洪道技術經濟條件影響很大，堰型選擇原則應以其能在堰頂水頭較大范圍內具有較大的流量系數，且堰面不產生危害性負壓為優。通過紫坪鋪溢洪道控制段機翼形堰的試驗研究結果表明：機翼形堰不失為河岸式溢洪道高水頭低控制堰的較優堰型，它能在不發生危害性負壓的前提下具有較大的泄流能力。