電站溢洪道非對稱進口導流墻體型優化研究

譚宇靜，歐陽慶曉

（中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610）

1 概況

某水電站大壩為混凝土重力壩設計,最大壩高為34.35 m。電站的泄水建筑物為表孔溢洪道,主要引渠段、控制段、圓弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段等6 部分組成。其中,引渠段的底板高程為321.50 m,長31.49 m；控制段的頂高程342.20 m,長30.0 m；控制段以下為圓弧段,該段采用的是典型的WES堰,堰頂高程為325.00 m,堰寬12.0 m；圓弧段以下為泄槽段,其側墻高度為12.00 m；泄槽段以下為反弧段,其設計半徑為38.726 m,挑坎段的挑角32.20°,寬度為12.0 m。溢洪道的現場地質調查結果顯示,進口段局部存在高風化巖層。為了避開上述地質不利部位,在設計中采取了兩端不對稱的進口形態,右側為依附山體的傾斜邊墻設計,左側為高導流墻設計。其中右側高10 m,長35.0 m,左側導流墻高3.0 m,長25.0 m。

2 模型試驗設計

2.1 模型制作

水力學問題往往比較復雜,因此模型試驗的方法仍具有顯著的優勢,對解決相關問題具有重要的幫助[1]。根據研究對象的特點和實際需要,本次模型試驗的模擬范圍為溢洪道和上游部分庫區,總長148.62 m。其中溢洪道段長83.62 m,上游庫區段長65 m。鑒于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影響,在試驗模型設計中采用重力相似性原則。結合研究場地條件,模型制作中選擇1∶40的幾何比尺[2]。模型的溢洪道段采用有機玻璃制作,以模擬工程實際糙率,誤差不超過2 mm[3],模型的其余部分采用PVC板材制作,誤差控制在5 mm以內[4]。

2.2 測量設備

試驗過程中的水深用直鋼尺測量；水流流速利用便攜式流速儀測量；壓強采用多功能檢測系統和壓力傳感器測量,流量則采用寬矩形量水堰測量[5]。研究過程中按照上述要求做好實驗模型,并布置好相應的壓強和流速測點,然后開始試驗,并測量和記錄相關數據[6]。

2.3 試驗內容

試驗在水電站的校核水位（339.80 m）工況下進行,對原設計方案和優化方案條件下的溢洪道的水力特征數據進行觀測、記錄和分析,提出不合理的體型和相應的優化意見,在說明優化方案的有效性與可靠性的同時,也可以為非對稱進口溢洪道的設計提供必要的技術支撐[7]。

3 試驗結果與分析

3.1 原設計方案試驗結果

3.1.1 進口流態試驗結果與分析

根據原設計方案制作好試驗模型,在校核水位工況下進行試驗。根據試驗結果,繪制出如圖1 所示的335.0 m高程進口流速和流線分布圖。由圖可知,在溢洪道啟用過程中,受到非對稱進口的影響,上游的水流會按照一定的角度進入溢洪道,并因之產生較大的環流量,在主流和固體邊界之間形成了一個逆時針漩渦,寬度約12 m左右。同時,由于來流出現了比較劇烈的收縮轉向和回流,造成水體的邊界部位雍高滯留區,惡化了溢洪道引渠段進口的水流流態。究其原因,主要是溢洪道進口的邊界不規則,因此水利分布的均勻性明顯偏差,并導致進口部位的導流墻難以充分發揮作用,水流的擾動作用比較強烈,進而影響到溢洪道內部的整體水流流態[4]。因此,在原設計方案下,溢洪道內部的水流流態穩定性明顯偏差,不利于溢洪道建筑物的運行安全,需要進行優化設計[8]。

圖1 原方案進口流速和流線分布圖

3.1.2 沿程水位試驗結果

利用試驗中獲取的沿程水位數據,整理獲得原方案下的沿程水位線,結果見圖2。由圖可知,在原設計方案下,溢洪道內部的水流流態明顯偏差,主要表現為水位的沿程波動性偏大。由于非對稱導流墻的影響,來流在慣性力和轉彎離心力的作用下產生側向傾斜,產生顯著的水面橫比降,進而造成水面超高,特別是控制段和圓弧段存在十分明顯的水位雍高現象。在圓弧段,水面高差達到峰值,為2.01 m,超高的水流幾乎躍出邊墻。這說明,由于離心力的作用水面的整體平衡受到嚴重影響,使溢洪道的水體呈現出顯著的復雜動蕩變化特征。

圖2 原方案沿程水位線

3.1.3 堰面壓強試驗結果與分析

利用實驗中獲取的數據,計算出溢洪道堰面壓強水頭,結果見表1。由表中的結果可以看出,溢洪道圓弧段底板的壓強明顯偏小,并出現負壓,可能在運行過程中出現比較明顯的水流空化現象,對底板結構的穩定性不利。

表1 各測點壓強水頭

3.2 優化方案設計

基于原設計方案在試驗過程中表現出的問題,結合背景工程的實際情況,特別是工程布置情況,對原方案進行優化設計：將原設計方案中的喇叭口翼墻改為平直設計方式,并與溢洪道的中軸線平行,其長度設計為20 m,高度增加至13.6 m。在溢洪道進口的外側2.0 m處設置兩道與中軸線垂直的直墻,頂部為半圓柱設計,直徑為1.8 m,頂部高程為335.5 m。其主要作用是減小水流爬高,減輕水流的收縮效應。

3.3 優化設計方案試驗結果與分析

3.2.1 進口流態試驗結果與分析

按照優化后的設計方案,對試驗模型進行改造并進行試驗。在校核水位工況下,利用 335.0 m高程的試驗數據,繪制出如圖3 所示的溢洪道進口流速和流線分布圖。由圖可知,在優化方案條件下,由于導流墻充分發揮除了阻水作用,原方案下庫區水流的紊亂流態改善作用較為明顯,水流較為平順,雖然在靠近左岸邊墻的部位仍舊存在一定的回流現象,但是區域和強度明顯減小,影響極為有限。總體而言,優化方案可以顯著改善進口流態,取得了十分明顯的優化效果。

3.2.2 沿程水位試驗結果與分析

利用試驗過程中獲取的沿程水位,繪制優化方案條件下的沿程水位線,結果見圖4。由圖可知,改進后的導流墻對引渠段的水流紊動作用產生了明顯約束,水流的下瀉更為順暢,提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度,特別是水位分布均勻度明顯不理想的控制段至圓弧段改善效果十分明顯,水位超高值降低到0.76 m,符合工程設計要求,雖然挑流消能段仍存在明顯的水體波動,但是幅度大為減小,符合工程設計中的水位要求。

圖4 優化方案沿程水位線

3.2.3 堰面壓強試驗結果與分析

利用實驗中的數據,計算出優化方案下的堰面壓強水頭,結果見表2。由表中的計算結果可以看出,優化方案下的沿程壓強分布較為均勻,壓強峰值明顯減小,雖然在溢洪道的圓弧段仍舊存在局部的負壓現象,但是數值僅為-0.04 MPa,不會造成明顯的水流空化現象,對水工結構的影響可以忽略不計。因此,優化方案可以明顯改善原始方案中圓弧段的負壓現象,減輕水流對水工結構的不利影響,取得了良好的優化效果。

表2 各測點壓強水頭

4 結論

以某水電站為例,利用模型試驗研究的方法對非對稱來流條件下的溢洪道進口體型進行優化,獲得的主要結論如下：

（1）原設計方案水流流態較差,存在比較明顯的滾漩和漩渦,容易造成溢洪道結構的振動,不利于安全運行。優化方案的水流流態明顯改善,滾漩和漩渦基本消失,溢洪道內部的水流分布較為均勻。

（2）在原設計方案下溢洪道內部的水流流態明顯偏差,水位的沿程波動性偏大；優化方案條件下,導流墻對引渠段的水流紊動作用產生了明顯約束,水流的下瀉更為順暢,提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度。

（3）原設計方案條件下,溢洪道圓弧段存在比較明顯的負壓,可能在運行過程中出現比較明顯的水流空化現象,對底板結構的穩定性不利。優化方案下溢洪道的圓弧段雖然仍舊存在局部的負壓,但是數值僅為-0.04MPa,對水工結構的影響可以忽略不計。

（4）優化設計方案對改善溢洪道水力特征具有顯著作用,建議在工程設計中采用。