落中子水電站溢洪道彎曲段改造設計試驗研究

◇浙江中水工程技術有限公司 金輝杰

落中子水電站彎曲段半徑與弧長比相對較小，因此在彎曲段采用了反超高的工程方案，來平衡因重力場向外側偏移的水流，優化彎曲段內水流流態，減小橫向流速，同時改善下泄水流的匯合點以及整個水利構筑物的流態分布。本文借助物理模型試驗對比了現狀工況和優化工況的水流分布效果，研究結果顯示：優化方案下溢洪道范圍內流態顯著改善，水流分布合理，下泄水流規律明顯平順。

1 落中子水電站概況

落中子水電站位于重慶長壽，距離長壽市城區約22.56 km，主要功能是攔洪，同時也綜合考慮區域的農田灌溉、重點水源補給等。同時，落中子水電站在泄洪期間，下泄流量較大（設計下泄流量為450 m3/s），通過落中子水電站溢洪道將水流引流至下游的二干河。在溢洪道中段，受鯉魚石等礁石阻擋，無法采取平面形態布置，同時考慮到本工程下泄水頭落差太大（縱坡約為1:0.03），需要加大下泄路徑長度來減小溢洪道底板坡降。因此，在中段設置圓心角為35°的彎曲段繞過鯉魚石。溢洪道段示意圖見圖1。

2 物理模型制作

考慮到本工程重點關注水流流態和流速值，且本工程無需考慮河床底部推移質泥沙和水中懸移質泥沙的運動，因此無需考慮模型重度的變化。綜上選擇1:40的正態物理模型，進行放水試驗研究。同時，試驗目的重點是水流水體的三維空間分布，為了更好地觀察水流流態，模型材料采用透明的有機玻璃塑料板，塑料板頂部不進行設置。

3 現狀方案存在的問題

在未進行彎曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流經彎曲段時，受到巨大的離心力作用，水流明顯向凹岸側集中，凹岸側的水流明顯要高于凸岸側，在同一斷面上，水流產生了明顯的水位高差，最大高差達到7.5 cm，換算到原型中即是3.0 m高。同時，這樣打的水位差，導致水流在下泄到梯坎段時，會出現明顯的水力梯度，導致水流混亂并沖擊兩側岸壁，對溢洪道的結構安全和穩定運營產生嚴重的威脅作用。

4 反超高方案計算原理及計算結果

本文的原理是將底板設置橫坡，根據橫坡產生的重力（側向底板低的一側的分力，來平衡離心力），從而是彎曲段內的水體，在整體上達到水平方向的受力平衡。在此理論基礎指導下，重點是分析離心力，并設計左、由兩岸的重力分力差。

其中，急流沖擊波影響角度范圍計算式如下，計算原理如圖3（1）所示：

在式1中，b-溢洪道垂直軸線寬度；-溢洪道彎曲段半徑（非規則圓形取半徑平均值）；-水流進入彎曲段后水流軸線與溢洪道中線軸線的交角。

在圖3（2）中，左岸下降的水體體積V1和右岸上升的水體體積V2表達式依次如式2與式3：

根據式2與式3以及圖3，通過幾何關系可換算得到左、右岸的底板調整高度，整個底板按照兩個節點的高度進行高程換算，計算表達式如下：

圖3 利用水體自重平衡離心力計算思路

經計算，在采用反超高法調整溢洪道底板高程后，溢洪道各特征斷面底板高程設計值如表1所示。

表1 修改方案下溢洪道各特征斷面底板高程

5 試驗效果分析

在按照本工程優化方案后，采用對比工況即設計工況的流量、水位進行放水試驗，試驗結果如圖4所示。分析可知：

圖4 方案調整后水流分布試驗效果

（1）在原方案下，即未進行彎曲段超高改造之前，高速下泄的水流在流經彎曲段時，受到巨大的離心力作用，水流明顯向凹岸側匯聚，凹岸側的水流明顯要高于凸岸側；凹岸、凸岸側水體所占總比例分別為73.28%和26.72%；凹岸側的水體體量可達到凸岸側的3倍左右。同時，在同一斷面上，水流產生了明顯的水位高差，最大高差換算到實例工程原型可達到3.0 m高。

同時，在溢洪道彎曲段中段、末端，以及梯坎開始段，由于嚴重的水力梯度差，導致水流在三維空間上出現水流散流的狀態，出現了多處折沖水流。整體來看水流流態較差，有明顯的渦流產生，且對溢洪道彎曲段末端及下游的兩側邊壁產生了較大的沖擊力。

（2）在采用反超高方案后，凹岸側的水流收到重力沿底板的橫向分力后，充分抵消、減弱了離心力的影響，兩側水流水頭落差有顯著下降。

（3）在未進行彎曲段超高改造之前，實例工程的左右兩岸最大水頭差為3.0 m，平均水頭差為1.76 m；在采用反超高方案后，實例工程的左右兩岸最大水頭差為2.37 m，平均水頭差為1.09 m；水頭差過大問題有明顯好轉。

同時，隨著兩岸側水流流態的改善，整體水流流場分布也更加均衡；由于左右兩岸下泄的水流體量相當，沖擊波交匯區域位置從原方案下的靠近凸岸側逐漸改為了在溢洪道中間，有效分散了原方案下水流沖擊集中的情況，減小了溢洪道兩側邊壁的水流直沖軸力，有利于最不利工況下溢洪道整體的運營穩定。

表2 修改方案的優化效果分析

6 結論

本文基于實例工程（落中子水電站）溢洪道長度較短、坡降較大、下泄水流急（能量大），且彎曲段兩側水位差值較大的情況，本文根據以往研究理論，采用了反超高的方案，通過調整底板的橫向坡度來平衡水流離心力，減小兩岸側的水頭差。研究結果顯示，在采用優化方案后，實例工程的左右兩岸最大水頭差由3.0 m下降為2.37 m；平均水頭差由1.76 m下降為1.09 m；且沖擊波交匯區域位置從原方案下的靠近凸岸側逐漸改為了在溢洪道中間，大幅減緩了沖擊波對邊壁的影響，整個溢洪道彎曲段流態狀況有顯著改善。